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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wellgetriebe (Harmonic-Drive), mit dem eine von dessen Wellengenerator erzeugte axiale Kraft messbar ist, wodurch ein Ausgangsdrehmoment ohne eine Drehmomentzelle gemessen werden kann.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Wellgetriebe können bestimmte Eigenschaften einer Bewegungstranslation im Vergleich zu herkömmlichen Getriebesystemen (wie schrägverzahnte Stirnräder oder Planetengetriebe) verbessern. Im Allgemeinen besteht ein Wellgetriebe (auch als ”Spannungswellengetriebe – strain wave gearing” bezeichnet) aus drei Grundkomponenten: einem Wellengenerator, einem Flex-Spline und einem Circular-Spline. In einem Wellgetriebe weist der Wellengenerator in der Regel eine elliptische Form auf und ist innerhalb des Flex-Spline angebracht, und der Flex-Spline, in dem der Wellengenerator montiert ist, ist an einer inneren Umfangsfläche des Circular-Spline angebracht. Die innere Umfangsfläche des Circular-Spline und eine äußere Umfangsfläche des Flex-Spline sind im Allgemeinen gezahnt, um ein Rutschen zu verhindern.
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Bei diesen Arten von Systemen ist es wichtig, dass das Ausgangsdrehmoment gemessen wird. Derzeit wird dies über die Drehmomentzelle erledigt. Da jedoch das Ausgangsdrehmoment erhöht wird, nimmt die Steifigkeit der Drehmomentzelle ebenfalls zu. Als solches sollte als ein Ergebnis ein Volumen/Gewicht der Drehmomentzelle erhöht werden. Darüber hinaus ist ein zusätzliches Element zum Begrenzen der Drehmomentzelle auf einen Freiheitsgrad erforderlich und dies erhöht ebenfalls das Volumen/Gewicht. Somit wird, da die Trägheit der Ausgangsstufe erhöht wird, das Ansprechverhalten eines Systems durch die gegenwärtigen Messtechniken verschlechtert.
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Das Vorstehende ist lediglich zum besseren Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung vorgesehen und soll nicht heißen, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Umfangs des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der obigen Probleme, die im Stand der Technik auftreten, gemacht worden und die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, um ein Wellgetriebe (Harmonic-Drive) bereitzustellen, mit dem eine von dessen Wellengenerator erzeugte axiale Kraft messbar ist, wodurch ein Ausgangsdrehmoment ohne eine Drehmomentzelle gemessen werden kann.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Drehmomentabgabe eines Wellgetriebes bereitgestellt, das umfasst: eine Eingangswelle, die verbunden ist mit einem ersten Element, das eines von einem Wellengenerator, einem Flex-Spline und einem Circular-Spline ist; ein Antriebsgehäuse, das mit der Eingangswelle über ein Lager verbunden ist; eine Lastzelle, die in einem aus dem Antriebsgehäuse, der Eingangswelle oder dem Wellengenerator angebracht ist und die axiale Kraft misst, die auftritt und von dem Wellengenerator an die Eingangswelle oder das Antriebsgehäuse über die Eingangswelle übertragen wird; und einen Prozessor, der eingerichtet ist, um ein Ausgangsdrehmoment, das von einem zweiten Element abgegeben wird, das eines der beiden Elemente mit Ausnahme des ersten Elements ist, aus der durch die Lastzelle gemessenen axiale Last umgekehrt zu berechnen.
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Als solches kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Eingangswelle an einem Rotor eines Antriebsmotors befestigt sein. Zusätzlich kann das Antriebsgehäuse derart gebildet sein, um eine Seite der Eingangswelle zu umgeben, und kann eingerichtet sein, so dass ein hinteres Ende davon mit einem hinteren Ende der Eingangswelle über ein Lager verbunden ist und ein vorderes Ende davon an dem Circular-Spline befestigt ist.
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Ferner kann in Bezug auf die Verarbeitung der Prozessor eingerichtet sein, um das Ausgangsdrehmoment aus der untenstehenden Gleichung umgekehrt zu berechnen: F = 2 × T/D × 0.07 × tan(α)
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Wobei F eine axiale Last ist, T das Ausgangsdrehmoment ist, D ein Korrekturkoeffizient ist und a eine Konstante gemäß einem Untersetzungsverhältnis ist.
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Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das erste Element der Wellengenerator sein und das zweite Element kann der Flex-Spline sein.
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In vorteilhafter Weise kann gemäß dem Wellgetriebe mit der oben beschriebenen Struktur das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmoduls ohne die Drehmomentzelle berechnet werden. Aufgrund der Entfernung der Drehmomentzelle kann das Volumen/Gewicht verringert werden. Ferner wird der Freiheitsgrad der Gestaltung erhöht. Ferner kann die Anzahl von Teilen im Zusammenhang mit dem Antriebsmodul verringert werden und das Ansprechverhalten des Systems kann durch Vermindern der Trägheit der Ausgangsstufe verbessert werden. Darüber hinaus kann, da sich der Betrag der axialen Last gemäß einem Reduktions-/Beschleunigungszustand ändert, eine Laständerung der Ausgangsstufe gemessen werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen:
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1 die Hauptteile eines Wellgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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2 eine Gesamtkonfiguration des Wellgetriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoff-angetriebene Fahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
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Zusätzlich versteht es sich, dass die unten beschriebenen Verfahren durch zumindest eine Steuerung ausgeführt werden. Der Ausdruck Steuerung bezieht sich auf eine Hardware-Vorrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst, die eingerichtet ist, um einen oder mehrere Schritte auszuführen, die als ihre algorithmische Struktur interpretiert werden sollten. Der Speicher ist eingerichtet, um algorithmische Schritte zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten algorithmischen Schritte auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netz-gekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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Wie oben erläutert, ist die vorliegende Erfindung gerichtet auf ein einfaches Messen eines Ausgangsdrehmoments an einem Antriebsmodul, das mit einem Wellgetriebe im Zusammenhang steht. Wie oben erläutert, muss in herkömmlichen Systemen zum Messen einer Drehmomentabgabe, da das Ausgangsdrehmoment erhöht wird, die Steifigkeit der Drehmomentzelle ebenso erhöht werden. Als solches wird als ein Ergebnis ein Volumen/Gewicht der Drehmomentzelle erhöht. Darüber hinaus ist im Allgemeinen ein zusätzliches Element zum Begrenzen der Drehmomentzelle auf einen Freiheitsgrad erforderlich und erhöht das Volumen/Gewicht. Somit wird, da die Trägheit der Ausgangsstufe erhöht wird, das Ansprechverhalten eines Systems verschlechtert. Als solches wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen des Ausgangsdrehmoments des Wellgetriebes ohne die Drehmomentzelle bereitgestellt.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt die Hauptteile eines Wellgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt und 2 zeigt eine Gesamtkonfiguration des Wellgetriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Drehmomentabgabe eines Wellgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Eingangswelle, die verbunden ist mit einem ersten Element, das eines von drei Elementen ist, d. h., ein Wellengenerator, ein Flex-Spline und ein Circular-Spline; ein Antriebsgehäuse, das mit der Eingangswelle über ein Lager verbunden ist; eine Lastzelle, die in einem aus dem Antriebsgehäuse, der Eingangswelle oder dem Wellengenerator angebracht ist und die axiale Kraft misst, die auftritt und von dem Wellengenerator an die Eingangswelle oder das Antriebsgehäuse über die Eingangswelle übertragen wird; und einen Prozessor, der eingerichtet ist, um ein Ausgangsdrehmoment, das von einem zweiten Element abgegeben wird, das eines der beiden Elemente mit Ausnahme des ersten Elements ist, aus der durch die Lastzelle gemessenen axiale Last umgekehrt zu berechnen.
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In der folgenden Ausführungsform wird das erste Element als Wellengenerator beschrieben und das zweite Element wird als Flex-Spline beschrieben. Jedoch ist es offensichtlich, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die folgende Ausführungsform allein beschränkt ist.
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In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Eingangswelle 620 mit einem Wellengenerator 100 verbunden und ein Antriebsgehäuse 660 ist mit der Eingangswelle 620 über ein Lager 640 verbunden. Eine Lastzelle 680 ist in dem Antriebsgehäuse 660 angebracht und misst eine axiale Last, die auf das Antriebsgehäuse 660 in einer axialen Richtung aufgebracht wird. Zusätzlich ist ein Prozessor 690 eingerichtet, um ein Ausgangsdrehmoment, das von einem Flex-Spline 300 abgegeben wird, aus der durch die Lastzelle 680 gemessenen axialen Last umgekehrt zu berechnen. [ANMERKUNG: Da ein Prozessor im Anspruchswortlaut vorhanden ist, verlangt das USPTO, dass er in den Zeichnungen dargestellt wird. Wir haben eine kommentierte Zeichnung vorgesehen, die den Prozessor unten umfasst.]
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In diesem Fall, wenn eine externe signifikante Last auf die Ausgangsseite aufgebracht wird, d. h., den Flex-Spline, wirkt das Wellgetriebe umgekehrt als ein Drehzahlerhöher, so dass der Wellengenerator als Ausgangsseite arbeiten kann.
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Indessen ist das Wellgetriebe in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus dem Circular-Spline 500, dem Flex-Spline 300 und dem Wellengenerator 100 aufgebaut, wie dies in 1 dargestellt ist, wie in dem Fall in einem typischen Wellgetriebe. Ein Eingang gemäß einem Betreiben eines Motors wird an den Wellengenerator 100 übertragen und ein Ausgang wird durch den Flex-Spline 300 übertragen. Der Circular-Spline 500 wird in einer vorgesehenen Position fixiert.
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2 zeigt das gesamte Wellgetriebe im Detail. Das Wellgetriebe gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: die Eingangswelle 620, die mit dem Wellengenerator 100 verbunden ist; das Antriebsgehäuse 660, das mit der Eingangswelle 620 über das Lager 640 verbunden ist; die Lastzelle 680, die in dem Antriebsgehäuse 660 angebracht ist und die auf das Antriebsgehäuse 660 aufgebrachte axiale Last in einer axialen Richtung misst; und den Prozessor 690, der das Ausgangsdrehmoment, das von dem Flex-Spline 300 abgegeben wird, aus der durch die Lastzelle 680 gemessenen axialen Last umgekehrt berechnet. Zusätzlich kann ein Zwischenabschnitt 610 der Eingangswelle 620 an einem Rotor 600 des Antriebsmotors befestigt sein.
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Das Antriebsgehäuse 660 kann derart gebildet sein, um eine Seite der Eingangswelle zu umgeben, und ist eingerichtet, so dass ein hinteres Ende davon mit einem hinteren Ende der Eingangswelle 620 über ein Lager 640 verbunden ist und ein vorderes Ende davon an dem Circular-Spline 500 befestigt sein kann.
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Ferner kann in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Prozessor das Ausgangsdrehmoment aus der untenstehenden Gleichung umgekehrt berechnen. F = 2 × T/D × 0.07 × tan(α) wobei F eine axiale Last ist, T das Ausgangsdrehmoment ist, D ein Korrekturkoeffizient ist und a eine Konstante gemäß einem Untersetzungsverhältnis ist.
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In bestehenden Wellgetriebesystemen beschränkt das Antriebsmodul alle Freiheitsgrade mit Ausnahme des Freiheitsgrades in einer Richtung der Ausgangswelle und die Drehmomentzelle ist auf der Abtriebswelle angebracht. Als solches sollte das Ausgangsdrehmoment des Wellgetriebes tatsächlich verifiziert werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch ein Verfahren zum Messen der auf den Wellengenerator aufgebrachten axialen Last und Messen des Ausgangsdrehmoments. In dem Wellgetriebe wird eine axiale Last in einer Richtung der Abtriebswelle durch Drehung/Umlauf des Wellengenerators aufgebracht und eine Richtung & Größe der von dem Wellengenerator erzeugten axialen Last werden gemäß einer Beschleunigungs-/Reduktionsrichtung des Wellengenerators verändert.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, ist der Wellengenerator derart ausgeführt, so dass ein einzelnes Lager dessen axiale Kraft aufnimmt. Die Lastzelle ist an dem Gehäuse angebracht, in dem ein einzelnes Lager angeordnet ist. Wenn der Eingang Null (0) ist, wird die Belastung/Beanspruchung des Gehäuses auf einen Nullpunkt eingestellt. Hierbei, wenn die Eingangswelle gedreht wird, nimmt der mit der Eingangswelle verbundene Wellengenerator die axiale Last auf und die axiale Last wird an das Gehäuse über die Eingangswelle und das Lager übertragen und als solches wird die Belastung/Beanspruchung des Gehäuses gemessen.
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Da die axiale Last eine proportionale Beziehung zu dem Ausgangsdrehmoment wie in der Gleichung unten aufweist, kann das Ausgangsdrehmoment mit der Belastung/Beanspruchung des Gehäuses, die durch die Lastzelle gemessen wird, umgekehrt berechnet werden. F = 2 × T/D × 0.07 × tan(α) wobei F eine axiale Last ist, T das Ausgangsdrehmoment ist, D ein Korrekturkoeffizient ist, der ein experimenteller Wert ist, der gemäß dem Wellgetriebe bestimmt wird, und a eine Konstante gemäß einem Untersetzungsverhältnis ist.
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Ferner, da sich der Betrag der axialen Last gemäß einem Reduktions-/Beschleunigungszustand ändert, kann eine Laständerung der Ausgangsstufe gemessen werden.
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Dadurch kann das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmoduls ohne die Drehmomentzelle gemessen werden. Aufgrund der Entfernung der Drehmomentzelle kann das Volumen/Gewicht verringert werden. Ferner wird der Freiheitsgrad der Gestaltung erhöht.
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Darüber hinaus kann die Anzahl von Teilen des Antriebsmoduls verringert werden und das Ansprechverhalten des Systems wird durch Verringern der Trägheit der Ausgangsstufe verbessert.
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Obwohl das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
