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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Maschinendrehmomentsensoren und insbesondere
ein direktes Maschinendrehmoment-Messsystem, das Flexplate-Deformationen
unter einer Torsionslastaufbringung verwendet, wobei das System
einen an einer Flexplate angebrachten Sensor umfasst.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Maschinendrehmomentsensoren
wurden entwickelt, um dazu zu helfen, verschiedene Aspekte einer
Leistung eines motorbetriebenen Fahrzeugs zu regeln und zu optimieren.
Zum Beispiel ist es, um das Fahrverhalten von Kraftfahrzeugen in
Antriebsstranganwendungen zu verbessern, erwünscht, Maschinen- und Getriebesteuerfunktionen
zu koordinieren. Getriebesteueralgorithmen in Antriebssträngen verwenden
unter einer breiten Vielzahl von Antriebsstrangbetriebsbedingungen
eine Drehmomentinformation von dem Maschinencontroller, um die Schaltqualität, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
und das Fahrverhalten zu verbessern. Es wird eine Maschinendrehmomenterfassung
verwendet, um andere Leistungsaspekte zu verbessern, wie beispielsweise
das Fahrverhalten bei einem Kaltstart, eine Verbrennungsoptimierung
und eine Zylindergleichstellung.
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Bei
Brennkraftmaschinen wurden herkömmlich
Drucksensoren in Zylindern verwendet, um ein Maschinendrehmoment
als eine Funktion des Druckgradienten während Kompressions- und Arbeitshüben zu schätzen.
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Es
wurden auch andere komplexere Module entwickelt, um unter Verwendung
von verschiedenen Kombinationen von Sensoren ein Maschinendrehmoment
zu schätzen.
Zum Beispiel kann der Drucksensor im Zylinder mit Krümmerdruck-,
Luftströmungs-,
Umgebungsdruck- und Lufttemperatursensoren kombiniert werden, um
ein kooperatives Maschinendrehmoment-Schätzsystem zu erzeugen. Die beschränkte Präzision und
Zuverlässigkeit
dieser Schätzmodule
stellen jedoch Genauigkeitsprobleme dar, die Hochleistungsmaschinen-
und -getriebesteuerstrategien behindern, die momentan bei Kraftfahrzeugen
verbreitet sind. Da Teilsysteme einschließlich jener, die mit Emissionen,
Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Fahrverhalten in Verbindung stehen,
immer komplexer werden, erfordert ihre korrekte Funktion eine genauere
Drehmomentermittlung, was dazu führt, dass
herkömmliche
Maschinendrehmoment-Schätzverfahren
nicht ausreichen, um die festgelegten Ziele neuer Antriebsstrangsteuerstrategien
zu erreichen.
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Um
die Ziele einer schnelleren und effizienteren Antriebsstrangkalibrierung,
Steuerung, Maschinengetriebeanpassung und eines verbesserten Fahrverhaltens
zu erreichen, wurden in den letzten Jahren direkte Maschinendrehmomentsensoren
mit Laborqualität
entwickelt. Diese Sensorsysteme umfassen typischerweise einen an
einer Kurbelwelle angebrachten Sensor, der die durch ein Drehmoment
hervorgerufenen Dehnungen in der Kurbelwelle direkt misst. Zum Beispiel
wurden herkömmliche
an einer Kurbelwelle angebrachte Dehnungsmessstreifen elektronisch über eine
Reihe von Schleifringen, Isolatoren und Bürsten mit einem Kommunikationsbus
gekoppelt. Ein anderes Beispiel umfasst eine magnetoelastische Anwendung,
bei der die Kurbelwelle lang gestreckt ist und mindestens ein Abschnitt
der Kurbelwelle zu Beginn magnetisiert wird. Bei dieser Ausgestaltung
misst ein Ringsensor Änderungen
des magnetischen Flusses des magnetostriktiven Materials.
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Herkömmliche
direkte Maschinendrehmomentsensoren stellen jedoch verschiedene
Probleme bezüglich
Packung, Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit dar. Erstens sind
diese Sensoren relativ komplex und in ihrer Herstellung im Vergleich
zu anderen Fahrzeugkomponenten relativ teuer, und wurden daher noch
nicht vollständig
in die Massenproduktion von Kraftfahrzeugen implementiert. Ein anderes
Hindernis für
eine Massenproduktion ist das Fehlen von erforderlichem Raum an
oder in der Nähe
der Kurbelwelle für
eine Sensorintegrierung in Serienfahrzeugen. Keine früheren Versuche
beim Einbauen des Sensors an der Kurbelwelle führten zu einem für eine Massenproduktion
geeigneten Verfahren, da erhebliche Maschinenmodifikationen erforderlich
sind. Schließlich
stellt die eingeschränkte
Bandbreite, die typischerweise bei diesen Sensoren vorhanden ist, keine
ausreichenden Fähigkeiten
für Optimierungsaufgaben
bereit, wie beispielsweise eine Schaltpunktoptimierung oder eine
Zündzeitpunkteinstellung
auf der Grundlage einzelner Zylinder und einzelner Ereignisse für den vollen
Bereich von Maschinenbetriebsbedingungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
Ansprechen auf diese und andere durch herkömmliche Maschinendrehmoment-Schätzsysteme
und Kurbelwellendrehmomentsensoren dargestellte Probleme betrifft
die vorliegende Erfindung eine verbesserte Maschinendrehmoment-Erfassungstechnik,
die Deformationen an der Oberfläche einer
Scheibe, wie beispielsweise einer Flexplate oder eines Schwungrads,
direkt misst, die oder das ein Maschinendrehmoment an ein Fahrzeugschaltgetriebe
(Getriebesystem oder Drehmomentwandler) überträgt. Im direkten Gegensatz zu
herkömmlichen an
einer Kurbelwelle angebrachten Sensoren verringert ein Messen des
Drehmoments über
die Flexplate Packungsprobleme durch Verwenden der durch die Scheibe bereitgestellten
größeren Oberfläche erheblich.
Unter anderem ist diese Erfindung zum Bereitstellen eines schnelleren
und genaueren Verfahrens zum Ermitteln von Maschinendrehmoment-Istwerten
nützlich,
die wiederum verwendet werden können,
um die Antriebsstrangkalibrierung, die Maschinenleistung, die Getriebesteuerung,
die Maschinengetriebeanpassung, die Fahrgestell-/Fahrzeugsteuerung
und das Fahrverhalten zu verbessern. Es wird erwartet, dass die
relativ niedrigeren Kosten, die Packungserleichterung und die minimalen
erforderlichen Abwandlungen der Produktionsausgestaltung, die mit
den direkten Drehmomentsensoren der vorliegenden Erfindung in Verbindung
stehen, eine schnellere Integration in Kraftfahrzeugen vereinfachen. Schließlich ist
die vorliegende Erfindung ferner zum Bereitstellen einer Echtzeitrückkopplung
und daher zu einer effizienteren und genaueren Maschinendrehmomentsteuerung
unter einem System mit geschlossenem Regelkreis nützlich.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Maschinendrehmoment-Sensorsystem, das
zur Verwendung bei einem Fahrzeug mit einer Maschine und einer Flexplate
(d.h. einer Scheibe) geeignet ist, wobei die Flexplate mit dem durch
die Maschine erzeugten Drehmoment gekoppelt ist, durch dieses gedreht
wird und eine durch dieses verursachte Deformation zeigt. Das System
umfasst mindestens einen Deformationssensor, der direkt an der Flexplate
befestigt ist, und einen Empfänger,
der fest an dem Fahrzeug befestigt ist, von der Flexplate beabstandet
ist und mit dem Sensor kommunikativ gekoppelt ist. Die Sensorantwort
ist durch die in der Flexplate gezeigten Deformationen und relativ
zu diesen veränderbar.
Der Sensor ist ausgestaltet, um mit einer Dehnung in Beziehung stehende
Daten zu erzeugen und an den Empfänger zu übertragen. Schließlich ist
der Empfänger
ausgestaltet, um die mit einer Deformation in Beziehung stehenden
Daten zu empfangen und die Daten in entsprechende Maschinendrehmomentwerte
umzuwandeln. Bei einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung kann der
Sensor mindestens einen an der Flexplate befestigten Dehnungsmessstreifen
umfassen.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ferner den Zusatz
eines Signalgenerators, der ausgestaltet ist, um ein impulsives
Hochfrequenzsignal (HF-Signal) an den Sensor zu übermitteln. Der Sensor umfasst
bei dieser Ausgestaltung eine an der Flexplate befestigte piezoelektrische
Basis und einen Interdigitalwandler und eine Anordnung von an der
Basis befestigten Metallstreifen. Die Basis, die Anordnung und der
Wandler sind durch die Dehnung der Flexplate und entsprechend dieser
veränderbar.
Die Basis, die Anordnung und der Wandler sind zusammenwirkend ausgestaltet,
um das Impulssignal zu empfangen und zu modifizieren und das modifizierte
Signal zu dem Empfänger
zu reflektieren. Schließlich
ist der Empfänger
ausgestaltet, um auf der Grundlage des modifizierten reflektierten
Signals einen Maschinendrehmomentwert zu ermitteln. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
dieser Erfindung können
die Eigenschaften des modifizierten Signals Änderungen der Signalresonanzfrequenz
aufgrund eines Dehnungsaufbaus bewirken.
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Noch
ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst auch einen Signalgenerator
und einen Sensor mit mindestens einem speziellen Messbalken. Der Balken
einer gegebenen Länge,
der mit mindestens einem Ende an einem piezoelektrischen Impulsgenerator
befestigt ist, weist eine vorbestimmte Querschnittsfläche und
ein vorbestimmtes Elastizitätsmodul
auf, um durch die Zugverformungen (oder Druckverformungen) der Flexplate
entsprechend dehnbar (oder zusammenziehbar) zu sein. Der Sensor
ist ausgestaltet, um an einem Ende des Stabs ein Impulssignal zu
empfangen, das Signal zu dem anderen Ende hin auszubreiten, die
verstrichene Zeit der Impulsausbreitung zu messen und auf der Grundlage der
gemessenen verstrichenen Zeit mit einer Dehnung in Beziehung stehende
Daten zu erzeugen und an den Empfänger zu übertragen. Der Empfänger ist ausgestaltet,
um die mit einer Dehnung in Beziehung stehenden Daten zu empfangen
und die Daten in entsprechende Maschinendrehmomentwerte umzuwandeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung steht das Drehmoment mit der Änderung
der verstrichenen Zeit in Korrelation, die die entsprechende Änderung
der Länge
des Messbalkens darstellt.
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Somit
sei angemerkt und ist zu verstehen, dass das System und die Betriebsmodi
der vorliegenden Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik eine Anzahl von Verbesserungen und Vorteilen
liefern. Die zuvor genannten Aspekte, Merkmale und/oder Formen der
vorliegenden Erfindung werden in dem nachstehenden Abschnitt ausführlicher
erläutert,
der den Titel BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN) trägt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlich
beschrieben, in denen:
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1 eine
auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines herkömmlichen
Maschinen- und Flexplate-Aufbaus
ist;
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1a ein
Aufriss eines Kraftfahrzeugs ist, das zur Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
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2 eine
Profilansicht einer Flexplate und mehrerer an der Flexplate angebrachter
Sensoren gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die insbesondere mehrere von zwei
diametrisch gegenüberliegenden
Sensoren zeigt;
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2a eine
Profilansicht einer Flexplate und mehrerer an der Flexplate angebrachter
Sensoren gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die insbesondere mehrere von drei
radial symmetrischen Sensoren zeigt;
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2b eine
Profilansicht einer Flexplate und mehrerer an der Flexplate angebrachter
Sensoren gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die insbesondere mehrere radial
symmetrische und koradial ausgerichtete Sensoren zeigt;
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3 eine
Profilansicht einer Flexplate, mehrerer Sensoren, eines Schleifrings,
einer Energieversorgungsbaugruppe und einer Kommunikationsbaugruppe
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3a ein
Aufriss des in 3 gezeigten Aufbaus ist;
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3b eine
Profilansicht von hinten des in 3 gezeigten
Aufbaus ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der in 3 gezeigten Sensorplatte
ist, wobei insbesondere zwei dehnbare Messbalken gezeigt sind;
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5 ein
schematisches Diagramm des in 3 gezeigten
Aufbaus ist, wobei insbesondere eine externe Energie- und Datenübertragungsbaugruppe
und eine Verbindung mit externen Einrichtungen gezeigt ist;
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5a ein
schematisches Diagramm eines Abschnitts des in 5 gezeigten
Aufbaus ist, wobei insbesondere eine drahtlose Verbindung zwischen den
Sensoren/der Datenübertragungsbaugruppe und
dem Empfänger
und der externen Energieversorgungsbaugruppe gezeigt ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines SAW-basierten Drehmomentsensors (eines
Drehmomentsensors, der auf akustischen Oberflächenwellen basiert) gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei insbesondere das Innere einer
Kapsel, ein entfernbarer Deckel, eine Basis, eine Anordnung von
Metallstreifen und ein Interdigitalwandler gezeigt sind;
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6a eine
Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Basis, einer
Anordnung und verschachtelter Elektroden ist;
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6b ein
schematisches Diagramm eines SAW-basierten Sensorbetriebs ist, das
insbesondere einen Abfrageimpuls, eine Sensorantwort und eine Abtastzeit
darstellt;
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7 eine
schematische Ansicht einer Flexplate, eines SAW-basierten Sensors, einer Anbringungsklammer
und eines Prozessors gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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8 ein
schematisches Diagramm eines elektronischen Steuergeräts einer
bevorzugten Ausführungsform
eines Prozessors ist, der mit dem SAW-basierten Flexplate-Drehmomentsensor
verwendbar ist;
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9 ein
Liniendiagramm eines Beispiels von Werten eines Drehmomentsensorausgangs
gegenüber
Werten eines gemessenen Motordrehmoments ist, die durch einen SAW-basierten
Flexplate-Drehmomentsensor erfasst wurden, wobei zwischen ihnen
insbesondere eine lineare Beziehung gezeigt ist; und
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10 ein
Liniendiagramm mehrerer Abtastwerte der in 9 gezeigten
Beziehung ist, wobei jede Linie ein bei einer anderen Temperatur
aufgenommenes Beispiel darstellt, um die Beziehung zwischen der
Temperatur und der in 9 gezeigten Beziehung zu zeigen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes direktes Maschinendrehmoment-Sensorsystem 10,
das zur Verwendung durch ein Fahrzeug 12 geeignet ist,
das eine Maschine 14, eine Kurbelwelle 16, die
mit der Maschine 14 verbunden ist, und eine Flexeplate 18 aufweist,
die fest an der Kurbelwelle 16 befestigt ist. Typischerweise
sind die Kurbelwelle 16 und die Maschine 14 kooperativ
ausgestaltet, um die lineare Verschiebung von Maschinenkomponenten (nicht
gezeigt) in die Rotationsverschiebung der Kurbelwelle 16 und
der Flexplate 18 umzuwandeln. In 1 ist ein
beispielhafter herkömmlicher
Maschine/Flexplate-Aufbau gezeigt, wobei die Flexplate 18 durch
einen Flexplate-Bolzen mit der Rückseite
des Maschinenblocks 14 verbunden ist und wobei dieser sequentiell
ein Kurbelwellenrückseitenöldichtungsgehäuse 20,
eine Kurbelwellenrückseitenöldichtung 22 und
ein Flexplate-Abstandsstück 24 vorausgeht.
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Die
bevorzugte Flexplate 18 stellt eine Scheibe mit einer Verzahnung
am Rand dar, wie es gezeigt ist und in der Technik herkömmlich verwendet
wird (siehe 2 bis 3b). Zum
Beispiel kann eine geeignete Flexplate 18 mit 168 Zähnen und
einem Außendurchmesser
von 35,6 cm (14 Inch) verwendet werden. Es sei angemerkt, dass die
Flexplate 18 am Umfang ausgestaltet ist, um mit dem Startermotor bzw.
Anlasser (nicht gezeigt) in Eingriff zu stehen und das Getriebesystem
während
des Anlassens der Maschine anzutreiben. Das System 10 ist
vorzugsweise ausgestaltet, um mit einer breiten Vielzahl von herkömmlichen
Flexplates zu arbeiten, um eine Realisierung und Austauschbarkeit
innerhalb bestehender Fahrzeugkonstruktionen zu erhöhen, und
um eine spätere
Reparatur und einen späteren
Ersatz zu vereinfachen. Die Flexplate 18 ist ferner ausgestaltet, um
bei einem normalen Betrieb Rotationsenergie an das Schaltgetriebe
oder das Getriebe (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 12 zu übertragen,
und definiert vorzugsweise mehrere Kurbelwellen- und Schaltgetriebeeingriffslöcher 18b bzw. 18c.
Typischerweise sind durch die Flexplate auch mehrere Ausschnitte 18d zum
Reduzieren von Gewicht definiert, die jede Anzahl und Ausgestaltung
aufweisen können.
Somit ist die Maschine 14 mit der Flexplate 18 am
Zentrum starr gekoppelt, und die Flexplate 18 ist wiederum
in der Nähe
des Rands durch eine Anzahl von Befestigungseinrichtungen (nicht
gezeigt) mit dem Schaltgetriebe gekoppelt, so dass die Maschine
das Schaltgetriebe über
die Flexplate 18 antreibt.
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Der
Begriff "Maschinendrehmoment", wie er hierin verwendet
wird, soll sich auf das Drehmoment beziehen, das auf die Kurbelwelle 16 wirkt.
Die bevorzugten Ausführungsformen
des Systems 10 werden in Bezug auf ein Kraftfahrzeug 12 beschrieben, das
eine Brennkraftmaschine 14, ein automatisches oder manuelles
Zwischengetriebesystem (nicht gezeigt) und eine Flexplate 18 aufweist.
Es sei jedoch angemerkt und es ist jedoch zu verstehen, dass die vorliegende
Erfindung für
eine vorteilhafte Verwendung bei jedem von einem Motor angetriebenen Fahrzeug
geeignet sein kann, das ein scheibenförmiges Element aufweist, wie
beispielsweise eine Flexplate oder ein Schwungrad, und somit soll
der Begriff "Flexplate", wie er hierin verwendet
wird, jedes scheibenförmige
Element umfassen, das verwendet wird, um ein Maschinendrehmoment
innerhalb eines Antriebsstrangs zu übertragen, und herkömmliche
Flexplates und Schwungräder
umfasst. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung bei anderen
Typen von Vortriebsystemen verwendet werden, wie beispielsweise
elektrischen, Brennstoffzellen-, Hybrid- und Dieselmaschinen, und
kann die vorliegende Erfindung bei anderen Fahrzeugen verwendet
werden, wie beispielsweise bei Luftfahrzeugen und Booten. Es sei
ferner angemerkt, dass zwei oder mehrere der hierin beschriebenen
Komponenten kombiniert werden können,
ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Im
Allgemeinen arbeitet das System 10, um das Maschinendrehmoment
durch Quantifizieren der Deformationen (z.B. negative und positive
Dehnung) in der Flexplate 18, die dadurch verursacht wurden, direkt
zu messen. Mit anderen Worten werden alle Aspekte des Dehnungsfelds
der Flexplate, wie beispielsweise Änderungen einer Umfangsreferenzlänge, Spannung
und Dehnung, oder die Geschwindigkeit einer Wellenausbreitung durch
den Einbau einer Messeinrichtung oder eines Sensors 26 zum
Erfassen der interessierenden in Beziehung stehenden Größe gemessen.
Es wird von Fachleuten verstanden, dass die durch die Flexplate 18 gezeigte
wahre Dehnung direkt proportional zu den erfahrenen Spannungen,
der Einheitsquerschnittsfläche
und dem Elastizitätsmodul
des Flexplate-Materials
ist, so dass das bevorzugte System 10 insbesondere relativ zu
der Flexplate 18 ausgestaltet ist. Das System 10 umfasst
mindestens einen und vorzugsweise mehrere Sensoren 26,
die jeweils ausgestaltet sind, um Deformationen innerhalb der Flexplate 18 zu
detektieren. Es sei auch angemerkt, dass der erfinderische Aspekt
des Anbringens eines Maschinendrehmomentsensors an einem scheibenförmigen Element, wie
beispielsweise der Flexplate, im Gegensatz zu anderen zylinderförmigeren
Komponenten, wie beispielsweise der Kurbelwelle, verschiedene Vorteile vorsieht,
die einen größeren Oberflächenbereich
für einen
Eingriff, ein Element, das stärker
auf Deformationen (z.B. Dehnung) anspricht, die durch ein Maschinendrehmoment
verursacht werden, und ein zugänglicheres
Maschinendrehmomentsystem umfassen.
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Der
Sensor 26 ist fest an der Flexplate 18 befestigt,
und sein Ausgang ist ausgestaltet, um sich durch die Flexplate-Dehnung
und relativ zu dieser zu ändern.
Der Sensor 26 ist vorzugsweise an der maschinenseitigen
Seite 18a der Flexplate befestigt und kann an die Flexplate 18 geschweißt, geschraubt und/oder
unter Verwendung eines geeigneten hitzebeständi gen Epoxydharzes mit dieser
verbunden sein. Die vorliegende Erfindung umfasst breit eine Vielzahl
von Typen von an der Flexplate angebrachten Sensoren 26 und
kann eine von mehreren geeigneten Technologien verwenden, wie beispielsweise eine
optisch, eine piezoelektrisch, eine magnetoelastisch oder eine widerstandsbasierte
Technologie, um die Dehnung, die Verschiebung, die Spannung oder die
Geschwindigkeit der Wellenausbreitung zu messen. Zum Beispiel kann
der Sensor 26 mindestens einen herkömmlichen Dehnungsmessstreifen
verwenden, der herkömmlich
verwendet wird, um eine Dehnung zu messen, wobei der Messstreifen
einen geeigneten Messstreifenfaktor darstellt. Vorzugsweise ist
der/ sind die Messstreifen auch thermisch kompensiert, um den Effekt
von Temperaturschwankungen zu minimieren, wobei der breite Temperaturbereich
gegeben ist, von dem angenommen wird, dass ihn die Flexplate 18 erfährt.
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Der
Sensor 26 ist an der Flexplate 18 an einer Stelle
befestigt, die für
die beabsichtigten Funktionen der Erfindung geeignet ist. Somit
ist der bevorzugte Sensorort im Wesentlichen von dem Umfang und
dem Zentrum der Flexplate beabstandet, da es für Fachleute zu verstehen ist,
dass die Dehnung an diesen Orten relativ klein ist. Vorzugsweise
ist der Sensor 26 unter der Annahme einer homogenen Flexplate 18 theoretisch
an einer Stelle entlang der radialen Mittellinie ML der sich im
Betrieb befindlichen Flexplate 18 befestigt (siehe 2).
Während die
Flexplate 18 Ausschnitte 18d umfasst, wie es am besten
in 2 bis 3b gezeigt ist, ist der Sensor 26 vorzugsweise
entlang der kreisförmigen
Linie befestigt, die die geringste Querschnittsfläche aufweist. Vorzugsweise
wird zu Beginn mit der Methode der finiten Elemente eine Dehnungsanalyse
der Flexplate 18 unter erwarteten Maschinendrehmomentzuständen ausgeführt, und
der Sensor 26 wird an einer vorbestimmten optimalen Dehnungsstelle
der Flexplate 18 befestigt.
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Wie
zuvor erwähnt
umfasst das bevorzugte System 10, um die Wahrscheinlichkeit
eines Beruhens auf fehlerhaften Biegungen außerhalb der Ebene zu reduzieren,
mehrere einzeln funktionierende Sensoren 26, die an der
Flexplate 18 befestigt sind, und ist das bevorzugte System 10 ausgestaltet,
um die Flexplate-Dehnung als eine Funktion des Ausgangs von jedem
Sensor kooperativ zu ermitteln. Zum Beispiel kann ein Durchschnittssensorausgang von
einer Mehrzahl von vier Sensoren, die in jedem Quadrant positioniert
sind, berechnet werden, und kann der Durchschnittssensorausgang
weiter bearbeitet werden, um die Effekte des Biegens außerhalb der
Ebene auszulöschen
und den übertragenen Drehmomentwert
zu ermitteln. Wie in 2 bis 2b gezeigt
sind die Sensoren 26 vorzugsweise positioniert, um eine
radial symmetrische Ausgestaltung darzustellen. Zum Beispiel ist
eine Mehrzahl von zwei Sensoren vorzugsweise diametrisch gegenüberliegend
und gleich weit entfernt von dem Zentrum angeordnet, wie es in 2 gezeigt
ist. Ähnlich
ist eine Mehrzahl von drei Sensoren vorzugsweise entlang radialer
Linien um 120 Grad voneinander beabstandet befestigt, wie es in 2a gezeigt
ist. Vorzugsweise ist jedoch eine größere Mehrzahl von Sensoren
radial symmetrisch ausgestaltet und koradial ausgerichtet, wie in 2b gezeigt,
um weiter sicherzustellen, dass genauere Messungen erreicht werden.
Eine Drehmomentmessung mit niedrigerer Bandbreite ist jedoch sogar
möglich,
wenn ein einzelner Sensor verwendet wird.
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Jeder
Sensor 26 kommuniziert mit einem zentralen Element, wie
beispielsweise einem Empfänger 28 (siehe 5 und 7).
Der Empfänger 28 ist
an einem stationären
Teil des Fahrzeugs 12 befestigt, das von der sich drehenden
Flexplate 18 beabstandet ist, und ist kommunikativ mit
dem Sensor 26 gekoppelt. Um eine Beeinflussung anderer
Fahrzeugkomponenten und -strukturen zu minimieren und um die erforderliche
Kommunikationsenergie des Systems 10 zu minimieren, ist
der Empfänger 28 vor zugsweise
in der Nähe
des Sensors 26 positioniert. Die Datenübertragung an den Empfänger 28 kann über eine
drahtlose Verbindung (siehe 5a) oder über einen
Schleifringmechanismus 30 (siehe 5) ausgestaltet
sein. Bei jeder Ausgestaltung dient der Empfänger 28 dazu, relevante
Daten von dem Sensor 26 zu empfangen und die Daten in entsprechende
Maschinendrehmomentwerte umzuwandeln.
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Das
System 10 wird vorzugsweise in Verbindung mit einem einstellbaren
Maschinendrehmoment-Schätzmodul,
das programmierbar durch einen PC oder Controller 32 (siehe 5)
ausgeführt
werden kann, und einem fahrzeuginternen Verarbeitungs- und Kommunikationsmittel 34 verwendet,
um dem Modul unter einem System mit geschlossenem Regelkreis eine
Echtzeitrückkopplung
bereitzustellen. Zusätzlich
wird das System 10 vorzugsweise verwendet, um für ein Rückkopplungssteuersystem
Maschinendrehmomentdaten direkt an auf solchen Daten beruhende Fahrzeugteilsysteme
zu liefern. Es sei angemerkt, dass das System 10 bei dieser
Ausgestaltung ein Mittel zum Umwandeln der Sensordaten in einen
kalibrierten Drehmomentwert bereitstellt, wodurch die Genauigkeit
des Schätzmoduls
verbessert wird und die unabhängige
und konstante Einstellung (d.h. Optimierung) der verschiedenen Fahrzeugteilsysteme
und Komponenten auf der Grundlage von Maschinendrehmoment-Istwerten
ermöglicht wird.
Es sei ferner angemerkt, dass das Modul und das direkte Sensorsystem
ein redundantes Mittel zum Ermitteln von Maschinendrehmomentdaten
und somit zum Erhöhen
der Qualität
und der Zuverlässigkeit
von Systemen und Teilsystemen bereitstellen, die solch eine Information
in ihren Funktionen verwenden.
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Nachstehend
werden die bevorzugten Ausführungsformen
I) und II) des Systems 10 genauer beschrieben, wobei zu
verstehen ist, dass die Ausführungsformen
das allgemeine erfinderische Konzept, wie es zuvor beschrie ben wurde,
nicht weiter beschränken,
sondern dass sie Formen desselben sind:
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I. Genaue Differenzzeitmessung
für Maschinendrehmomenterfassung
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Bei
einer ersten Ausführungsform
kann der Sensor 26 eine Technologie einer genauen Differenzzeitmessung
(ADTM-Technologie) verwenden, um die Flexplate-Dehnung zu messen
(wobei die Technologie ferner in dem US-Patent Nr. 6,621,278 von Ariav
beschrieben ist). Bei dieser Ausgestaltung wird an einem Ende eines
Sensors 26, der ein dehnbares Element aufweist, ein sich
zyklisch wiederholender Impuls erzeugt und an das andere Ende übertragen. Der
Ankunftszeitpunkt des Impulses wird gemessen und mit einem Referenzwert
verglichen. Der Referenzwert wird ohne Maschinendrehmomentaufbringung
erhalten. Jede Änderung
der Laufzeit des Impulses in dem Element wird dann auf das übertragene
Drehmoment zurückgeführt. Wie
in 3 bis 5 gezeigt wird dieses sehr genaue
Verfahren zum Ermitteln der Laufzeit von Impulsen in einem Balken
unter Dehnung in der vorliegenden Erfindung zum Messen eines Maschinendrehmoments
aufgenommen.
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Bei
dieser Ausgestaltung umfasst das System 10 piezoelektrische
Oszillatoren (d.h. Signalgeneratoren) 36, die die Impulswellen
erzeugen und an jedem Ende des Elements angeordnet sind. Der Signalgenerator 36 dient
dazu, die Energiewellen an die Sensoren 26 zu übertragen,
und kann an den Enden mit dem Sensor 26 integriert sein.
Das System 10 umfasst vorzugsweise einen Transceiver 38,
der zwischen den Sensoren 26 und den Empfänger 28 gekoppelt
ist. Der Transceiver 38 ist ausgestaltet, um von jedem
Sensor 26 die Dehnungsdaten zu empfangen und auf der Grundlage
der empfangenen Dehnungsdaten ein Dehnungssignal zu erzeugen und
an den Empfänger 28 zu übertragen.
Bei der gezeigten Ausführungsform
ist der Transceiver 38 durch eine Datenerfassungs- und
Kommunikationsbaugruppe 40 dargestellt, die fest mit der
Flexplate 18 verbunden ist.
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Jeder
der Sensoren 26 ist durch eine Sensorplatte 42 (siehe 4),
zwei Controllerbaugruppen 44 und mehrere relativ starre
Befestigungseinrichtungen 46, wie beispielsweise Bolzen,
Schrauben, Nieten oder Stifte, fest mit der Flexplate 18 verbunden.
Die Sensorplatte 42 und die Controllerbaugruppen 44 stehen
gegenüberliegend
mit der Oberseite (d.h. der Maschinenseite) und der Unterseite der
Flexplate 18 in Eingriff, um den Sensor 26 an
seiner Position festzuklemmen. Ähnlich
ist auch die Datenerfassungs- und Kommunikationsbaugruppe 40 an
der Flexplate 18 festgeklemmt. Schließlich ist eine interne Energieversorgungsbaugruppe 48 fest
an der Flexplate 18 befestigt und ausgestaltet, um die
Sensoren 26 und die Kommunikationsbaugruppe 40 mit ausreichend
Energie zu versorgen. Die bevorzugte interne Energieversorgung erzeugt
ihre Ladung durch ein induktives Mittel und ist somit nur betriebsbereit,
um Energie zuzuführen,
wenn sich die Flexplate 18 dreht.
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Wie
zuvor erwähnt
und in 4 gezeigt umfasst die Sensorplatte 42 mindestens
ein dehnbares oder deformierbares Element, dessen Änderung durch
eine Flexplate-Dehnung bewirkt wird, und das vorzugsweise zwei dehnbare
schmale Balken 50a, b umfasst. Die Balken 50a,
b sind ausgestaltet, um durch die Flexplate-Dehnung leicht ausgedehnt
oder zusammengezogen zu werden, und stellen somit eine geeignete
Querschnittsfläche
und ein geeignetes Elastizitätsmodul
bereit. Bei dieser Ausgestaltung ist der Sensor 26 vorzugsweise
am Umfang eingebaut, so dass die Längsachsen der Balken 50a,
b senkrecht zu dem halbierenden Radius sind (siehe 3).
Wie zuvor erwähnt
ist jeder Balken vorzugsweise an beiden Enden an einem piezoelektrischen Impulsgenerator 36 befestigt,
so dass der Sensor 26 ausgestaltet ist, um an einem Ende
jedes Balkens ein Impulssignal zu erzeugen, das Signal zu dem anderen
Ende hin auszubreiten, die verstrichene Zeit der Impulsausbreitung
zu messen und mit der Dehnung in Beziehung stehende Daten auf der
Grundlage der gemessenen verstrichenen Zeit zu erzeugen und an den
Empfänger 28 zu übertragen.
Abweichungen der verstrichenen Zeit von einem vorbestimmten Referenzwert
sind ein Maß der Änderung
der Nennlänge des
Balkens, wenn er dem Dehnungsfeld unterzogen wird. Vorzugsweise
können
die Balken 50a, b ferner aus elastischem Material bestehen.
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Um
das Kaltstart-Fahrverhalten zu verbessern, werden die zuvor genannten
an der Flexplate angebrachten Komponenten des Systems 10 zusätzlich durch
eine externe Energieversorgung 52, die von der Flexplate 18 beabstandet
ist, mit Energie versorgt. Wie in 5 gezeigt
kann die Energieversorgung 52 mit den Komponenten über den
Schleifring 30, Bürsten 54 und
Drahtleitungen 56 verbunden sein. Vorzugsweise kann die
externe Energieversorgung 52 jedoch über ein geeignetes Nahbereichsmittel,
wie beispielsweise HF, Infrarot, oder optisch basierte Technologien
drahtlos mit den Komponenten gekoppelt sein.
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Schließlich und
wie ferner in 5 gezeigt ist ein digitaler
Signalprozessor (DSP-Einheit eines elektronischen Steuergeräts) 58 ausgestaltet,
um mit dem Empfänger 28 zu
kommunizieren. An der DSP-Einheit 58 wird das mit einer
Dehnung in Beziehung stehende Signal analysiert und in Maschinendrehmomentwerte
umgewandelt und dann weiter an relevante Knoten innerhalb des Kommunikationsnetzwerks übertragen.
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Es
sei angemerkt, dass die erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein
Verfahren zum Messen der Verlängerungen
entlang eines Balkens bereitstellt, zu einem sehr genauen (d.h. < 1 Nm) Dehnungsmesssys tem
führt,
den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelwellensensoren
erheblich reduziert und Maschinentemperatureffekte kompensiert.
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II. Oberflächenwellen-Technik
(SAW-Technik) für eine
Maschinendrehmomenterfassung
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet eine Oberflächenwellen-Technologie (SAW-Technologie),
um die Dehnung in der Flexplate 18 zu messen, wie sie in der
Technik bekannt ist. Bei dieser Ausgestaltung umfasst der Sensor 26 einen
Resonator, der aus einer auf einem piezoelektrischen Substrat (d.h.
Kristall oder Basis) 60 abgeschiedenen Mikrostruktur besteht,
und ist an der Flexplate 18 befestigt. Wie in 6 und 6a gezeigt
stellt die abgeschiedene Struktur mindestens eine Reflektoranordnung 62 und mindestens
ein Paar von verschachtelten kammähnlichen Elektroden 64a,
b dar. Zum Beispiel kann die Anordnung 62 aus mehreren
von ungefähr
1000 Metallstreifen mit einem Abstand von 2 mm angeordnet sein.
Die Anordnung 62 und die Elektroden 64a, b bestehen
im Wesentlichen aus geeignetem leitenden Material, wie beispielsweise
Aluminium, und weisen eine geeignete Dicke auf (z.B. 100 Angström). Die Elektroden 64a,
b stellen Fingerbreiten dar, die erwarteten Betriebsfrequenzen,
z.B. 900 MHz (1 μm) – 100 MHz
(8 μm),
entsprechen. Das Substrat 60 ist typischerweise aus Keramik,
Quarz oder einem anderen geeigneten piezoelektrischen Material hergestellt.
Schließlich
umfasst der bevorzugte Sensor 26, wie in 6 gezeigt,
eine Kapsel 66, die ausgestaltet ist, um das Substrat 60,
die Anordnung 62 und die Elektroden 64a, b unterzubringen.
Die Kapsel 66 umfasst vorzugsweise einen entfernbaren äußeren Deckel 68,
um einen Zugriff auf das Innere des Sensors 26 zu ermöglichen.
Der Sensor 26 umfasst ferner zwei Anten nen/Testanschlussstifte 70 zum Übermitteln
des Impulssignals zu und von den Elektroden 64a, b und
zum Testen des Sensors 26.
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Es
wird von Fachleuten verstanden, dass die Aufbringung eines elektrischen
Impulssignals auf eine Elektrode 64a bei dieser Ausgestaltung
bewirkt, dass der Sensor 26 als ein Wandler arbeitet, wobei das
elektrische Eingangssignal in eine akustische Welle umgewandelt
wird. Die Welle wird über
die Anordnung 62, das Substrat 60 und zu der anderen Elektrode 64b übertragen,
an der der Prozess umgekehrt wird und ein elektrisches Ausgangssignal
erzeugt wird. Das Ausgangssignal weist eine charakteristische Resonanzfrequenz
auf, die teilweise von dem Dehnungsfeld, das auf das Substrat 60 wirkt,
sowie von der Geometrie der Anordnung 62 einschließlich des
Abstands zwischen den verschachtelten Elektroden 64a, b
abhängt.
Das heißt,
wenn der Sensor 26 einer Dehnung unterliegt, verändert sich
die Resonanzfrequenz im Verhältnis
zur Dehnung, wodurch ermöglicht
wird, die Dehnung durch Identifizieren der Änderung der Resonanzfrequenz
(oder der natürlichen
Frequenz) relativ zu einem Referenzwert genau zu messen.
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Bei
dieser Ausgestaltung sind ein Abfrageimpulswellengenerator 72 und
der Empfänger 28 von der
sich drehenden Flexplate 18 beabstandet und vorzugsweise
fest an einem stationären
Teil des Fahrzeugs 12 befestigt. Vorzugsweise sind der
Wellengenerator 72 und der Empfänger 28 fest an einer Anbringungsklammer 74 befestigt,
die ausgestaltet ist, um den Wellengenerator 72 und den
Empfänger 28 in
der Nähe
des Sensors 26 an dem Fahrzeug 12 proximal zu
sichern. Die Anbringungsklammer 74 ist daher vorzugsweise
ausgestaltet, um in der Nähe
der Flexplate 18 an dem Fahrzeug 12 befestigt
zu sein, jedoch mit einem ausreichenden Abstand, so dass sie ihre
Drehung nicht beeinflusst. Beispielsweise kann die Klammer 74 bei
Anwendungen einer herkömmlichen
Brennkraftmaschine für
eine Verbindung mit der Maschinenöldichtung 20 geeignet
sein, wie in 7 gezeigt.
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Der
Abfrageimpulswellengenerator 72 ist ausgestaltet, um Impulssignale
periodisch an den Sensor 26 zu übertragen. Das Abfrageimpulssignal (siehe 6b)
stellt vorzugsweise ausreichend Leistung (z.B. 1 mW) bereit, um
ein messbares Rücksignal
von dem Sensor 26 zu erzeugen, und wird daher vorzugsweise
für sowohl
eine Signal- als auch eine Leistungsübertragung verwendet. Das Rücksignal wird
dann für
eine weitere Verarbeitung in dem zugehörigen elektronischen Gerät 76 zum
Ermitteln der Dehnung drahtlos an den Empfänger 28 übertragen. Wie
in 7 gezeigt stellt der Empfänger 28 vorzugsweise
eine kreisförmige
Ausgestaltung dar, wie beispielsweise einen Ring aus Kupfer, und
ist gegenüberliegend
dem Sensor 26 relativ zu der Anbringungsklammer 74 angeordnet.
Es sei angemerkt, dass die kreisförmige Ausgestaltung des Empfängers ermöglicht,
dass während
der Drehung der Flexplate ein minimaler Abstand zwischen dem Empfänger 28 und
dem Sensor 26 eingehalten wird.
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Insbesondere
ist der Empfänger 28,
wie in 7 und 8 gezeigt, ferner mit einem
Prozessor 76 verbunden, der ausgestaltet ist, um die natürlichen
Frequenzen von dem Rücksignal
zu jedem Abtastzeitpunkt zu analysieren und zu extrahieren und das
Ergebnissignal mit einem Referenzwert zu vergleichen. Der bevorzugte
Prozessor 76 umfasst eine Leseeinheit 78, einen
Analog-Digital-Wandler/einen digitalen Signalprozessor (A2D-DSP) 80 und
einen Spannungsregler 82. Wie in 8 gezeigt
kann die Leseeinheit 78 ein HF-ASIC sein, der ausgestaltet
ist, um ein analoges HF-Rücksignal
von 433 MHz zu empfangen, das Signal zu regeln, die natürlichen Frequenzen
zu extrahieren und das Ergebnis an den A2D-DSP 80 zu übertragen.
Der A2D-DSP 80 ist ausgestaltet, um das Ergebnissignal
in ein digitales Format umzuwandeln, erweiterte Algorithmen zu verwenden, um
das Dehnungsfeld abzufragen und die Maschinendrehmomentdaten mit
einer Abtastrate von vorzugsweise 1 kHz oder größer an das fahrzeuginterne
Kommunikationsnetzwerk zu übertragen. Die
Daten können
unter Verwendung von RS232-, CAN-Bus- oder Flexray-Kommunikationsprotokollen an
die Maschinen-/Übertragungssteuermodule übertragen
werden. Der Regler 82 regelt die Betriebsspannung an beiden
Komponenten.
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Bei
dieser Ausgestaltung arbeitet der Prozessor 76, um die
Sensorausgangsauslesungen digital in einen Strom von digitalen Werten
(z.B. in Zählwerte)
umzuwandeln. Durch Korrelationen, die zwischen dem digitalisierten
Signalausgang und dem Istdrehmoment hergestellt werden, das an einem Maschinendynamometer
gemessen wird, welches mit einem genauen Labordrehmomentsensor ausgestattet
ist, wird eine Beziehung zwischen dem digitalisierten Sensorausgang
und dem echten Maschinendrehmoment entwickelt. Beispielsweise erzeugen
ein Satz von Abtastwert-Sensorauslesungen
(X), der bei 1000 Umdrehungen pro Minute und 35 Grad Celsius erfasst
wurde, und sich ergebende Maschinendrehmomentwerte (TRQ den in 9 gezeigten Liniengraph,
wobei TRQ = aX + b,wobei bei dieser spezifischen
experimentellen Realisierung a = –0,2 und b = 79.
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Bei
verschiedenen Temperaturen erfasste Abtastwerte zeigen die allgemeine
Temperaturabhängigkeit
der Auslesungen (X). Beispielsweise führten, wie in 10 gezeigt,
bei 85 Grad Celsius erfasste Abtastwertauslesungen zu einem relativ
flacheren Liniengraph im Vergleich zu dem 35-Grad-Beispiel. Somit
umfasst das bevorzugte System 10 bei dieser Ausgestaltung
ferner einen Temperatursensor (nicht gezeigt), und der A2D-DSP ist
ferner ausgestaltet, um den Drehmomentwert entsprechend der von
dem Temperatursensor erfassten Temperaturauslesung zu kompensieren.
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Zusätzlich zu
den anderen Vorteilen eines an einer Flexplate angebrachten Sensors
sei angemerkt, dass die zweite bevorzugte Ausführungsform relativ niedrige
geschätzte
Produktionskosten, einen unabhängigen
an einer Flexplate angebrachten Sensor, der keine separate Energieversorgung
benötigt, die
Genauigkeit einer direkten Maschinendrehmomentmessung und die Packungsvereinfachung
einer drahtlosen Signalübertragung
bereitstellt.
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Die
oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
sollen lediglich als Erläuterung
verwendet werden und sollten nicht in einem beschränkenden
Sinne beim Interpretieren des Schutzumfangs des allgemeinen erfinderischen
Konzepts verwendet werden, d.h. eines an einer Flexplate angebrachten
Maschinendrehmomentsensors. Offensichtliche Abwandlungen der beispielhaften
Ausführungsformen
und Betriebsverfahren könnten,
wie sie hierin ausgeführt
sind, durch Fachleute leicht ausgeführt werden, ohne von dem Gedanken
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Erfinder legt hiermit
seine Absicht dar, auf der Lehre von Äquivalenten zu beruhen, um
den vernünftigen
angemessenen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu ermitteln
und zu bewerten, wie er jedes System oder Verfahren betrifft, das
nicht materiell von dem Schutzumfang abweicht, aber außerhalb
des wortsinngemäßen Schutzumfangs
der Erfindung liegt, wie er in den folgenden Ansprüchen ausgeführt ist.
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Es
wird ein Maschinendrehmoment-Sensorsystem 10 bereitgestellt,
das zur Verwendung bei einem durch eine Maschine angetriebenen Fahrzeug 12 mit
einer Flexplate 18 geeignet ist und mindestens einen Sensor 26 umfasst,
der fest an der Oberfläche der
Flexplate 18 befestigt ist und dazu dient, Deformationen
entlang der Oberfläche
der Flexplate 18 zu detektieren, die durch das erzeugte
Maschinendrehmoment verursacht werden, und ferner einen Empfänger 28 umfasst,
der mit dem Sensor 26 kommunikativ gekoppelt ist, von der
sich drehenden Flexplate 18 beabstandet ist und dazu dient,
Sensorauslesungen in entsprechende Maschinendrehmomentwerte umzuwandeln.