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Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor der z.B. in Steuer- und Regeleinrichtungen für Antriebe einsetzbar ist.
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Dieser Drehmomentsensor nach der Erfindung umfasst einen Freilauf mit einem ersten Drehelement, durch das ein zu bestimmendes Drehmoment auf ein zweites, zu dem ersten Drehelement koaxiales Drehelement in einer Drehrichtung übertragbar ist, und Einrichtungen zur Ermittlung einer Verdrehung des ersten Drehelements gegen das zweite Drehelement in der genannten Drehrichtung sowie zur Bestimmung des Drehmoments anhand der ermittelten Verdrehung.
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Erfindungsgemäß erfolgt anhand des Ausmaßes der Verdrehung der beiden Drehelemente gegeneinander in der genannten Richtung ein Rückschluss auf das diese Verdrehung bewirkende Drehmoment. Vorteilhaft kann der Freilauf eine Doppelfunktion als die Drehbewegung übertragendes Maschinenelement und den Messeffekt erzeugender Sensorbestandteil erfüllen. Zur Nutzung als Drehmomentsensor bedarf der Freilauf nur geringfügiger Modifikationen.
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Während es möglich wäre, den Verdrehungsgrad der Drehelemente zueinander direkt zu detektieren, sind die genannten Einrichtungen zur Ermittlung der gegenseitigen Verdrehung in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dazu vorgesehen, die Drehwinkel der beiden Drehelemente unabhängig voneinander zu bestimmen.
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Zweckmäßig können die Einrichtungen zur Ermittlung der Verdrehung der Drehelemente ferner Ableitungen der erfassten Drehwinkel nach der Zeit bilden und damit die Drehgeschwindigkeit n des ersten Drehelements und die Drehgeschwindigkeit n’ des zweiten Drehelements bestimmen.
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Die Einrichtung zur Ermittlung der Verdrehung der Drehelemente vergleicht z.B. laufend n und n’. Erreicht die Drehgeschwindigkeit n des ersten Drehelements die Drehgeschwindigkeit n’ des zweiten Drehelements, so zeigt dies den Beginn der Übertragung eines Drehmoments an. Die Einrichtung zur Ermittlung der Verdrehung der Drehelemente bestimmt die seit diesem Zeitpunkt zurückgelegten Drehwinkel und auch weiterhin die Drehgeschwindigkeiten n, n’. Die Drehgeschwindigkeit n überschreitet vorübergehend die Drehgeschwindigkeit n’ und nähert sich bei konstantem Drehmoment dann wieder an n’ an. Wenn gilt n = n’ so überträgt der Freilauf das zu messende Drehmoment. Aus der Differenz der bezogen auf den o.g. Zeitpunkt ermittelten Drehwinkel der Drehelemente ergibt sich der Winkel α der gegenseitigen Verdrehung. Anhand eines gespeicherten Zusammenhangs zwischen dem Winkel α und dem Drehmoment ermittelt der Drehmomentsensor dann das zu bestimmende Drehmoment.
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Die Einrichtungen zur Ermittlung der gegenseitigen Verdrehung der Drehelemente umfassen vorzugsweise wenigstens einen zu einem der Drehelemente koaxialen Messring mit einer umlaufenden Markierung und einem die Markierung abtastenden Detektor.
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Bei der Markierung kann es sich um eine optisch abtastbare Strichteilung handeln. Vorzugsweise ist die Markierung jedoch durch eine in Umfangsrichtung veränderliche Magnetisierung des Messrings gebildet. Entsprechend erfasst der Detektor diese Magnetisierung.
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Zweckmäßig ist der Messring umlaufend entsprechend einer periodischen Funktion magnetisiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Magnetisierung auf einen Außenring des Messrings beschränkt, wobei der Detektor diesem Außenring radial gegenüberliegt.
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Vorzugsweise umfasst der Detektor zwei in Umfangsrichtung des Messrings beabstandete Messwertaufnehmer, deren Entfernung so bemessen ist, dass sich aus den Messwerten Stellungen des Detektors innerhalb einer Periode der periodischen Funktion ermitteln lassen, während die Bestimmung größerer Drehwinkel durch Zählung von Perioden erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung können zwei, in entgegengesetzten Drehrichtungen wirksame Freiläufe vorgesehen sein. Somit sind Drehmomentmessungen in beiden Drehrichtungen, d.h. die Messung positiver und negativer Drehmomente, möglich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Einrichtungen zur Registrierung von Schlupf zwischen dem ersten und zweiten Drehelement vorgesehen. Ein solcher Schlupf würde den eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Winkel α der Verdrehung der Drehelemente gegeneinander und dem diese Verdrehung bewirkenden Drehmoment M aufheben und den Messwert des Drehmoments verfälschen.
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Möglichkeiten zur Schlupfkontrolle ergeben sich dann, wenn das zu bestimmende Drehmoment einen bestimmten zeitlichen Verlauf aufweist, insbesondere eine Periodizität. Letzteres ist z.B. der Fall, wenn das Drehmoment über eine Fahrradtretkurbel in den Freilauf eingeleitet wird. Ein maximales Drehmoment tritt jedes Mal dann auf, wenn die Tretkraft senkrecht auf der betreffenden Tretkurbelstange steht.
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Vorzugsweise sind Einrichtungen zur Erfassung der Periodendauer T vorhanden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Einrichtungen zur Erfassung von Zeitpunkten, zu denen die Verdrehung zwischen den Drehelementen einen Extremwert erreicht, vorgesehen sein.
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Die genannten Einrichtungen zur Registrierung von Schlupf zwischen den Drehelementen können dann Zeitabstände zwischen den aufeinanderfolgenden Extremwerten der Verdrehung zwischen den Drehelementen mit der Periodendauer T vergleichen. Entsprechen die Zeitabstände der Periodendauer T, so kann Schlupf zwischen den Drehelementen ausgeschlossen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Einrichtungen zur Erfassung der Verdrehung zwischen den Drehelementen während einer bestimmten Phase T’ des zeitlichen Verlaufs des zu bestimmenden Drehmoments vorgesehen. Zweckmäßig tritt während der bestimmten Phase ein Maximum der Verdrehung α zwischen den Drehelementen auf.
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Die genannten Einrichtungen zur Erfassung der Verdrehung während der bestimmten Phase können zur Erfassung der Verdrehung Δα von dem Zeitpunkt an, zu dem das Maximum auftritt bis zum Ende der bestimmten Phase T’ vorgesehen sein. Nahe dem Maximum ist mit einer Minimierung des Schlupfs zu rechnen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Drehmomentsensors nach der Erfindung,
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2 einen die Abtastung eines Messrings des Drehmomentsensors von 1 durch einen Detektor erläuternde Darstellung,
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3 eine die Magnetisierung eines Messrings des Drehmomentsensors von 1 erläuternde Darstellung,
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4 ein Diagramm, dass die gegenseitige Verdrehung α von Drehelementen des Drehmomentsensors im Zeitablauf darstellt und
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5 einen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Drehmoment und einer Änderung Δα des Winkels α der gegenseitige Verdrehung.
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Ein Drehmomentsensor umfasst einen als Freilauflager ausgebildeten Freilauf 1 mit einem ersten Drehelement 2 und einem zweiten, zu dem ersten Drehelement 2 koaxialen Drehelement 3. Das Drehelement 2 könnte z.B. mit einer koaxialen Antriebswelle verbunden sein, das Drehelement 3 z.B. in Antriebsverbindung mit einem Rad eines Fahrrades stehen (Antriebswelle und Rad nicht gezeigt).
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Zwischen den hohlzylindrischen Drehelementen 2, 3 befinden sich Kugellager 4 und 5. Das Bezugszeichen 6 verweist auf Einrichtungen zur Mitnahme des zweiten Drehelements 3 durch das erste Drehelement 2 derart, dass durch das erste Drehelement 2 in einer Drehrichtung auf das zweite Drehelement 3 ein Drehmoment übertragen werden kann. In der entgegengesetzten Drehrichtung ist eine solche Übertragung nicht möglich. Das Drehelement 3 kann sich in dieser Richtung auf dem Drehelement 2 frei drehen.
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Wie 1 ferner erkennen lässt, ist das Drehelement 2 mit einem Messring 7 verbunden, das Drehelement 3 mit einem Messring 8. Die zu den Drehelementen 2, 3 koaxial und axial versetzt angeordneten Messringe 7, 8 weisen gemäß 3 eine Außenlage 9 auf, die umlaufend entsprechend einem bei 10 angedeuteten funktionalen Verlauf magnetisiert ist.
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Gegenüber der jeweiligen Ringaußenfläche der Messringe 7, 8 ortsfest angeordnete, jeweils mit einer Auswerteinrichtung 15 verbundene Detektoren 11, 12 tasten die sich in Umfangsrichtung periodisch ändernde Magnetisierung der Messringe 7, 8 ab. Wie 2 zeigt, weisen die Detektoren jeweils zwei, je ein Signal liefernde Messaufnehmer 13, 14 auf, die in Umfangsrichtung der Messringe 7, 8 derart im Abstand angeordnet sind, dass sich aus dem Verhältnis der Messsignale der Messaufnehmer 13, 14 die genaue Position des Messrings jeweils innerhalb einer Periode der Magnetisierung bestimmen lässt.
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Im Freilaufbetrieb, in dem kein Drehmoment übertragen wird, ist die Drehgeschwindigkeit n’ des Drehelements 3 größer als die Drehgeschwindigkeit n des Drehelements 2, das ggf. still steht. Beim Anlegen eines Drehmoments an das erste Drehelemente 2 sorgt eine Drehbeschleunigung des Drehelements 2 für eine Angleichung der Drehgeschwindigkeit n an die Drehgeschwindigkeit n’ und schließlich für deren Überschreitung.
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Die Detektoren 11, 12 ermitteln unabhängig voneinander laufend die Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeiten der Messringe 7, 8, die mit den Drehwinkeln bzw. Drehgeschwindigkeiten n, n’ der Drehelemente 2, 3 übereinstimmen. Von dem Zeitpunkt an, zu dem die Drehgeschwindigkeit n des Drehelements 2 die Drehgeschwindigkeit n’ des Drehelements 3 gerade überschreitet, wird die gegenseitige Verdrehung, also die Differenz zwischen den gemessenen Drehwinkeln des Drehelements 2 und des Drehelements 3 bestimmt. Je größer der Winkel α der gegenseitigen Verdrehung ist, um so größer ist das übertragene Drehmoment. Anhand eines gespeicherten Zusammenhangs zwischen der Verdrehung α und dem Drehmoment M ermittelt die Auswerteinrichtung 15 das übertragene Drehmoment M.
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Der Drehwinkel lässt sich einerseits durch Zählung der durchlaufenen Perioden der Magnetisierung bestimmen. Eine genaue Bestimmung von Zwischenstellungen innerhalb der Perioden kann durch Auswertung der beiden Messsignale der Messaufnehmer 13 und 14 durch die Auswerteinrichtung 15 erfolgen. Aufgrund des Verlaufs der periodischen Funktion ergibt sich innerhalb der Perioden ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der beiden Messsignale und der Stellung des Messrings.
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Die Messringe 7, 8 könnten auch jeweils mehrspurig, z.B. entsprechend einer Sinusund einer Cosinusfunktion magnetisiert und den Messaufnehmern 13, 14 je eine Spur zugewiesen sein. Aus den Messsignalen der Messaufnehmer 13, 14 ließen sich dann sowohl genaue Positionen als auch Drehrichtungen ermitteln.
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Bei der Bestimmung des Drehmoments in der vorangehend beschriebenen Art und Weise wurde vorausgesetzt, dass sich die Drehelemente 2, 3 in den Fällen n > n’ schlupffrei gegeneinander um den Winkel α verdrehen, wobei ein dem angreifenden Drehmoment entsprechendes Gegendrehmoment M(α) erzeugt wird, das stetig mit dem Winkel α anwächst und ungefähr dem Winkel α proportional ist.
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Von einer schlupffreien gegenseitigen Verdrehung ist jedoch nicht immer auszugehen. Vor allem nach längerer Betriebsdauer des Freilaufs 1 kann es trotz erfüllter Bedingung n > n’ zu einer merklichen Verzögerung der Klemmung des Freilaufs kommen. Darüber hinaus lassen sich gegenseitige Schlupfbewegungen der Drehelemente 2, 3 auch nach Eintritt der Klemmung und weiterhin erfüllter Bedingung n > n’ nicht ausschließen, d.h. Schlupfbewegungen können auch noch während der Drehmomentübertragung durch den Freilauf 1 auftreten.
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Solche Schlupfbewegungen zwischen den Drehelementen 2, 3 haben zur Folge, dass zwischen dem am Freilauf 1 anliegenden Drehmoment M und dem Winkel α der gegenseitigen Verdrehung der Drehelemente 2, 3 kein eindeutiger, die eindeutige Bestimmung von M zulassender Zusammenhang besteht. Ziel muss es daher sein, den Einfluss von Schlupfbewegungen auf die Bestimmung des Drehmoments M zu eliminieren. Möglichkeiten hierzu werden nachfolgend anhand von 4 erläutert.
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4 zeigt den Verlauf des Winkels α der Verdrehung der Drehelemente 2, 3, wenn das zu messende Drehmoment M z.B. über eine Tretkurbel, insbesondere die Tretkurbel eines Fahrrades, in das Drehelement 2 eingeleitet wird. Immer dann, wenn die ausgeübte Tretkraft senkrecht zur Kurbelstange steht, erreicht das Drehmoment M ein Maximum. Wegen der Proportionalität zwischen M und α ergibt sich ein solches Maximum auch für den Winkel α. Bei gleichmäßiger Betätigung der Tretkurbel und ohne Schlupf liegt der in 4 gezeigte periodische Zeitverlauf α(t) mit der Periodendauer T vor.
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Die Periodendauer T, d.h. der Zeitraum z.B. zwischen zwei Maxima des Winkels α der gegenseitigen Verdrehung der Drehelemente 2, 3, lässt sich messen. Alternativ kann die Periodendauer T durch Messung der Winkel- bzw. Drehgeschwindigkeit n des Drehelements 2 über die Beziehung n = 2π/T bestimmt werden.
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Solange bei gleichmäßiger Betätigung der Tretkurbel jeweils nach der Periodendauer T ein Maximum des Winkels α und noch dazu der gleiche Winkelwert erreicht wird, kann Schlupf zwischen den Drehelementen 2, 3 ausgeschlossen werden. Eine ständige Kontrollen, ob Schlupf vorliegt oder nicht, lässt sich durchführen, indem jeweils der Zeitpunkt t’, bei dem ein Maximum des Winkels α auftritt, und die Winkelgeschwindigkeit n erfasst werden und dann festgestellt wird, ob zum Zeitpunkt t’ + T erneut ein Maximum auftritt. Ist das der Fall, so hat es keinen Schlupf gegeben, und der ermittelte Wert α des Winkels der Verdrehung zwischen den Drehelementen 2, 3 kann zur Bestimmung des Drehmoments M herangezogen werden.
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Liegt jedoch Schlupf vor, so kommt es bei der Bestimmung von M darauf an, eine Verdrehung der Drehelemente 2, 3 gegeneinander während einer Phase des Zeitverlaufs α(t) zu bestimmen, in welcher der Schlupf möglichst gering ist. Gemäß 4 kommt hierzu z.B. eine auf einen Maximalwert αmax folgende Phase der Dauer T’ in Betracht, wobei die Dauer T’ in einem willkürlich festgelegten Verhältnis zur Periodendauer T steht. Während dieser Phase T’ verringert sich die gegenseitige Verdrehung der Drehelemente 2, 3 um den Winkel Δα, wobei Δα in einem bestimmten Verhältnis zu αmax steht. Zwischen dem αmax entsprechenden maximalen Drehmoment Mmax und dem Winkel Δα besteht ein funktionaler Zusammenhang, der sich zur Bestimmung von Mmax aus gemessenen Werten von Δα nutzen lässt. Nährungsweise besteht zwischen Mmax und Δα Proportionalität, wie aus 5 hervorgeht.
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Zur Messung von Mmax wird also der Zeitpunkt t’ bestimmt, zu dem ein Maximum αmax auftritt, und anschließend die Änderung Δα ermittelt, die sich nach diesem Zeitpunkt bis zum Ende der Phase T’ ergibt. Die Periodendauer T und damit die Dauer der Phase T’ lässt sich aus der Winkelgeschwindigkeit n des Drehelements 2 ermitteln (T = 2π/n), wobei die Messung der Winkelgeschwindigkeit n z.B. gleichzeitig mit der Bestimmung des Zeitpunktes T’ erfolgen kann.
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Als Phase T’ könnte z.B. auch der zeitliche Abstand zwischen einem der beiden, αmax nahen Wendepunkte der Funktion α(t) und αmax oder der zeitliche Abstand zwischen den genannten beiden Wendepunkten herangezogen werden.
