DE102016219355A1

DE102016219355A1 - Erfassung eines relativen Verdrehwinkels

Info

Publication number: DE102016219355A1
Application number: DE102016219355.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Lindenmaier; Tobias Seeberger
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Zwei Wellen sind jeweils bezüglich eines Fixelements drehbar gelagert. An der ersten Welle ist eine erste Kurvenscheibe und an der zweiten Welle eine zweite Kurvenscheibe jeweils drehfest angebracht. Am Fixelement sind im Bereich der ersten Kurvenscheibe ein erster Abstandssensor und im Bereich der zweiten Kurvenscheibe ein zweiter Abstandssensor angebracht. Die Außenkonturen der Kurvenscheiben sind jeweils derart geformt, dass ein Abstand zwischen der Außenkontur und einem zugeordneten Abstandssensor auf einen absoluten Drehwinkel der zugeordneten Welle in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich hinweist. Ein Verfahren zum Bestimmen eines relativen Verdrehwinkels zwischen den Wellen umfasst Schritte des Abtastens eines ersten Abstandssignals des ersten Abstandssensors; des Abtastens eines zweiten Abstandssignals eines zweiten Abstandssensors; und des Bestimmens des relativen Verdrehwinkels auf der Basis der bestimmten Abstandssignale.

Description

Die Erfindung betrifft die Bestimmung eines relativen Verdrehwinkels. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erfassung eines Verdrehwinkels zwischen zwei sich drehenden Wellen.
Ein hydrodynamischer Drehmomentwandler ist zur Übertragung eines Drehmoments mittels eines Fluids eingerichtet. Der Drehmomentwandler umfasst ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind. Das Pumpenrad, das Turbinenrad und ein Leitrad sind in einem Arbeitsraum aufgenommen, der zumindest teilweise mit dem Fluid gefüllt ist. Dabei umfasst zumindest eines der Schaufelräderverstellbare Schaufeln, die einen Strom des Fluids zwischen dem Turbinenrad und dem Pumpenrad beeinflussen. Zur Verstellung der Schaufeln ist ein Mechanismus vorgesehen, der eine Hohlwelle umfasst, die konzentrisch drehbar um eine Welle gelagert ist, die mit dem Pumpenrad verbunden ist. Ein Verdrehwinkel der Hohlwelle bezüglich der Welle ist kennzeichnend für eine Stellung der Schaufeln am Leitrad. Die Verstellung der Hohlwelle bezüglich der Welle erfolgt üblicherweise mittels eines hydraulischen Aktuators.
WO 2015/071042 A1 zeigt und beschreibt detailliert einen derartigen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit verstellbaren Pumpenschaufeln.
Zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Welle sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden. Zum Einsatz an einem hydrodynamischen Drehmomentwandler sind jedoch nur wenige Vorrichtungen geeignet, da Umgebungsbedingungen im Messbereich häufig problematisch für einen Sensor sind. Beispielsweise können im Messbereich erhöhte Temperaturen auftreten, der Sensor kann einem Fluid, insbesondere Öl oder Wasser, ausgesetzt sein, der Drehmomentwandler kann im Betrieb vibrieren und im Messbereich kann ein metallischer Abrieb vorliegen. Ferner sind an den Sensor hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu stellen. Beispielsweise kann ein geforderter MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) sehr hoch liegen. Ist der Drehmomentwandler dazu eingerichtet, in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt zu werden, beispielsweise bei der Öl- oder Gasförderung, so muss auch der Sensor einschlägige Sicherheitsvorschriften wie beispielsweise die ATEX-Richtlinien der Europäischen Union erfüllen. Ein solcher Drehmomentwandler überträgt häufig Leistungen im Bereich von ca. 2 bis 10 MW, sodass er Wellen mit Durchmessern im Bereich von ca. 200 mm oder mehr aufweisen kann. Der Sensor ist bevorzugt derart beschaffen, dass seine Wartung keine vollständige Trennung des Drehmomentwandlers erfordert. Beispielsweise ist es häufig nicht akzeptabel, zur Wartung des Sensors einen Läufer, der beispielsweise das Pumpenrad und einen Wellenstumpf umfassen kann, aus seiner Lagerung zu entfernen. Ein Hohlwellengeber ist daher nach Möglichkeit zu vermeiden.
WO 2011/0606465 A1 betrifft eine Messeinrichtung für die absolute Drehwinkelerfassung einer Welle. Dabei werden an der Welle Bereiche codiert, die mittels einer Spulenstruktur erfasst werden können. Eine Kombination erfasster Bereiche weist auf den Drehwinkel der Welle hin.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Bestimmung eines relativen Verdrehwinkels zwischen zwei Wellen zu bestimmen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines relativen Verdrehwinkels zwischen einer ersten und einer zweiten Welle, wobei die Wellen jeweils bezüglich eines Fixelements drehbar gelagert sind, umfasst Schritte des Abtastens eines ersten Signals eines ersten Abstandssensors, der am Fixelement angebracht ist, wobei das erste Signal auf einen radialen Abstand zwischen dem Fixelement und einer Außenkontur einer ersten Kurvenscheibe hinweist, die drehfest an der ersten Welle angebracht ist; des Abtastens eines zweiten Signals eines zweiten Abstandssensors, der am Fixelement angebracht ist, wobei das zweite Signal auf einen radialen Abstand zwischen dem Fixelement und einer Außenkontur einer zweiten Kurvenscheibe hinweist, die drehfest an der zweiten Welle angebracht ist, wobei hier die Außenkonturen der Kurvenscheiben jeweils derart geformt sind, dass ein radialer Abstand zwischen einem Abstandssensor und der Außenkontur der ihm zugeordneten Kurvenscheibe auf einen absoluten Drehwinkel der zugeordneten Welle in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich hinweist; und des Bestimmens des relativen Verdrehwinkels auf der Basis der bestimmten Signale.
Das Verfahren kann insbesondere zur Bestimmung eines Verdrehwinkels zwischen zwei Wellen eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers eingesetzt werden. Dort kann der Verdrehwinkel auf einen Steuerparameter des Drehmomentwandlers hinweisen. Das Abtasten der beiden Abstandssignale kann auf einfache und sichere Weise erfolgen. Die Abstandssensoren können insbesondere übliche Bauelemente umfassen, deren Einsatz beispielsweise im Bereich von hydrodynamischen Drehmomentwandlern erprobt ist. Das Verfahren kann zur Bestimmung des Verdrehwinkels sowohl bei stillstehenden als auch bei drehenden Wellen eingesetzt werden. Die Verarbeitung kann einfach durchgeführt werden, sodass keine besonders leistungsfähige Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung erforderlich ist.
In einer ersten Variante wird der relative Verdrehwinkel auf der Basis einer Differenz der Abstände bestimmt, auf die die beiden Signale hinweisen. Diese Variante bietet sich insbesondere bei stillstehenden oder sich nur langsam drehenden Wellen an. Laufen die beiden Wellen konzentrisch, indem eine der Wellen als Hohlwelle ausgeführt ist, in der die andere Welle aufgenommen ist, so kann ein gemeinsamer Radialfehler beider Wellen bei der Differenzbildung ausgelöscht werden. Ein solcher Radialfehler kann insbesondere entstehen, wenn die Wellen mittels Gleitlagern gelagert sind. Diese Bestimmungsart wird hier auch abstandsbasiert genannt.
In einer anderen Variante, die hier zeitbasiert genannt wird, sind die Außenkonturen der Kurvenscheiben auf einem Umlauf um die Drehachse jeweils durch die gleiche Anzahl jeweils kongruenter Abschnitte gebildet. Das Verfahren umfasst dabei Schritte des Bestimmens einer Zeit, die zwischen einem Übergang zwischen benachbarten Abschnitten der ersten Kurvenscheibe am ersten Abstandssensor und einem Übergang zwischen benachbarten Abschnitten der zweiten Kurvenscheibe am zweiten Abstandssensor vergeht; und des Bestimmens des relativen Verdrehwinkels auf der Basis der bestimmten Zeit und einer Drehzahl einer der Wellen. Diese Variante bietet sich insbesondere für höhere Drehzahlen an. Die Auflösung der Bestimmung des Verdrehwinkels kann dadurch gesteigert werden. Pro Umdrehung der Wellen können maximal so viele Bestimmungen durchgeführt werden, wie kongruente Abschnitte an jeder der Kurvenscheiben vorgesehen sind.
Eine Drehrichtung der Wellen kann in dieser Variante auf der Basis der bestimmten Zeit bestimmt werden. Dazu kann insbesondere betrachtet werden, ob der Übergang zwischen benachbarten Abschnitten der ersten Kurvenscheibe dem Übergang zwischen benachbarten Abschnitten an der zweiten Kurvenscheibe vorauseilt oder folgt.
Zur Bestimmung der in dieser Variante erforderlichen Drehzahl einer der Wellen kann ein Drehzahlsignal verwendet werden, das auf beliebige Weise bereitgestellt ist, beispielsweise auf der Basis eines dedizierten Drehzahl- oder Drehwinkelsensors. Die Drehzahl der Welle kann jedoch auch auf der Basis einer Zeit, die zwischen Übergängen zwischen benachbarten Abschnitten an der zugeordneten Kurvenscheibe am zugeordneten Abstandssensor vergeht, bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird die Zeit bestimmt, die vergeht, bis so viele Übergänge zwischen benachbarten Abschnitten an der Kurvenscheibe am Abstandssensor passiert sind, wie kongruente Abschnitte an der Kurvenscheibe vorgesehen sind. Die Welle dreht sich innerhalb dieser Zeit genau einmal. Durch Bilden eines Kehrwerts kann die Drehzahl unmittelbar bestimmt werden. Die Drehzahl kann auch zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise durch eine externe Verarbeitungseinrichtung oder eine externe Anzeigevorrichtung, bereitgestellt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann die oben beschriebene abstandsbasierte Bestimmung durchgeführt werden, falls die Drehzahl einer der Wellen unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, und die oben beschriebene zeitbasierte Bestimmung, falls die Drehzahl höher ist. Die Vorteile der unterschiedlichen Bestimmungsarten können dadurch drehzahlbasiert verbessert ausgenutzt werden. Der Schwellenwert kann beispielsweise im Bereich von ca. 5 bis 20 U/min, weiter bevorzugt bei ca. 10 U/min liegen.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines relativen Verdrehwinkels zwischen einer ersten und einer zweiten Welle, wobei die Wellen jeweils bezüglich eines Fixelements drehbar gelagert sind, umfasst eine erste Kurvenscheibe zur drehfesten Anbringung an der ersten Welle; eine zweite Kurvenscheibe zur drehfesten Anbringung an der zweiten Welle; einen ersten Abstandssensor zur Anbringung am Fixelement im axialen Bereich der ersten Kurvenscheibe; einen zweiten Abstandssensor zur Anbringung am Fixelement im axialen Bereich der zweiten Kurvenscheibe, wobei die Abstandssensoren jeweils zur Bereitstellung eines Abstandssignals eingerichtet sind; und eine Verarbeitungseinrichtung. Dabei sind Außenkonturen der Kurvenscheiben jeweils derart geformt, dass ein radialer Abstand zwischen der Kurvenscheibe und einem zugeordneten Abstandssensor auf einen absoluten Drehwinkel der zugeordneten Welle in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich hinweist. Die Verarbeitungseinrichtung ist die dazu eingerichtet, den relativen Verdrehwinkel auf der Basis der Abstandssignale zu bestimmen.
Insbesondere kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren wenigstens teilweise durchzuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller oder ein FPGA umfassen. Merkmale bezüglich des Verfahrens und der Vorrichtung können in entsprechender Weise mit dem Gegenstand der jeweils anderen Kategorie kombiniert werden.
Es wird davon ausgegangen, dass der relative Verdrehwinkel kleiner als der vorbestimmte Drehwinkelbereich ist. Die Kurvenscheiben sind bevorzugt derart geformt, dass in diesem Drehwinkelbereich der Abstand zwischen ihren Außenkonturen und der Drehachse streng monoton steigt bzw. fällt. Die genaue Kurvenform kann dabei frei gewählt werden. Es ist bevorzugt, dass der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Radius der Kurvenscheibe innerhalb des vorbestimmten Drehwinkelbereichs in Abhängigkeit eines maximalen Messbereichs des zugeordneten Abstandssensors gewählt ist. Ist der Messbereich des Abstandssensors beispielsweise auf 10 mm beschränkt, so sollte die Differenz zwischen den Radien diesen Wert nicht übersteigen. Andererseits sollte dieser Bereich möglichst vollständig ausgeschöpft werden, um eine maximale Abtastgenauigkeit zu erzielen.
Die Außenkontur einer der Kurvenscheiben im vorbestimmten Drehwinkelbereich kann insbesondere einer Spirale folgen. Dabei ist insbesondere bevorzugt, dass die Außenkontur einer archimedischen Spirale (auch arithmetische Spirale genannt) folgt. Auf diese Weise besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Radius der Kurvenscheibe bzw. dem Abstand zum Abstandssensor und dem absoluten Drehwinkel der Kurvenscheibe bzw. der Welle, an der sie angebracht ist. Eine Umrechnung des Abstands in einen Drehwinkel kann auf der Basis eines einfachen linearen Faktors erfolgen, der durch die Art der verwendeten archimedischen Spirale vorbestimmt ist. Obwohl es für die vorliegende Erfindung nicht unbedingt erforderlich ist, sind die beiden Wellen bevorzugt um eine gemeinsame Drehachse konzentrisch zueinander gelagert. Dabei kann eine der Wellen eine Hohlwelle umfassen, in der die andere Welle aufgenommen ist. In einer anderen Ausführungsform können die beiden Wellen entlang der Drehachse axial versetzt sein. In noch einer weiteren Ausführungsform können die Wellen um unterschiedliche Drehachsen jeweils drehbar gelagert sein.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass eine Außenkontur einer der Kurvenscheiben auf einem Umlauf um die Drehachse durch eine vorbestimmte Anzahl zueinander kongruenter Abschnitte gebildet ist. Anders ausgedrückt ist bevorzugt, dass auf einer vollen Umdrehung der Kurvenscheibe eine vorbestimmte Anzahl Abschnitte am Abstandssensor vorbeistreicht, wobei die Abschnitte jeweils deckungsgleiche Verläufe von Radien aufweisen. Der Winkelbereich jedes Abschnitts ist dabei wenigstens so groß wie der vorbestimmte Drehwinkelbereich, in dem der bestimmte Verdrehwinkel bestimmt werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere die zeitbasierte Bestimmung des Verdrehwinkels zusätzlich zur abstandsbasierten Bestimmung ermöglicht werden. Die mit dieser Bestimmung verbundenen Vorteile können so auf einfache Weise genutzt werden.
Vorzugsweise wird ein Abstandsensor eingesetzt, der direkt den Abstand der Kurvenscheibe zur Sensorfläche misst.
Es ist weiterhin denkbar, dass wenigstens einer der Abstandssensoren einen Schwingungsaufnehmer umfasst. Insbesondere kann ein Schwingungsaufnehmer verwendet werden, dessen Verwendung in einem explosionsgeschützten Bereich erprobt ist. Derartige Sensoren sind bis zu den hohen ATEX-Klassen 1G und 1D und mit unterschiedlichen Messbereichen verfügbar. Der Schwingungsaufnehmer kann eine Beschleunigung der Welle bestimmen und auf der Basis der Beschleunigung kann der Abstand bestimmt werden. Die Vorrichtung kann dadurch auf einfache und kostengünstige Weise geltende Richtlinien zum Betrieb von Vorrichtungen in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere die ATEX-Richtlinien der Europäischen Union, erfüllen. Dadurch kann ein beispielsweise optischer Sensor vermieden werden, der etwa durch Öl oder ein anderes Fluid im Abtastbereich der zugeordneten Kurvenscheiben gestört werden kann. Ebenfalls kann ein magnetischer Sensor vermieden werden, der durch mechanischen Abrieb im Messbereich gestört werden kann. Die Vorrichtung kann dadurch robust und wartungsarm ausgebildet sein.
Ein System umfasst eine erste und eine zweite Welle, die jeweils bezüglich eines Fixelements drehbar gelagert sind, und die oben beschriebene Vorrichtung, dabei ist die erste Kurvenscheibe an der ersten Welle und die zweite Kurvenscheibe an der zweiten Welle jeweils drehfest angebracht. Außerdem sind die Abstandssensoren am Fixelement, jeweils im Bereich der ihr zugeordneten Kurvenscheibe, angebracht.
Das System kann insbesondere einen hydrodynamischen Drehmomentwandler umfassen. Die Wellen können vom Drehmomentwandler umfasst oder gebildet sein und eine Stellung von Schaufeln, insbesondere Umlenkschaufeln des Drehmomentwandlers kann durch den relativen Verdrehwinkel reflektiert werden. Eine Einrichtung zur Verstellung der Umlenkschaufeln kann in Abhängigkeit des bestimmten relativen Verdrehwinkels verbessert gesteuert werden. Insbesondere kann anhand des Verdrehwinkels überwacht werden, ob eine vorbestimmte Steuerung der Stellung der Umlenkschaufeln tatsächlich durchgeführt wurde. Insbesondere ist der Drehmomentwandler mit wenigstens einem Pumpenrad mit zumindest einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von verstellbaren Schaufeln ausgebildet.
Denkbar ist jedoch auch der Einsatz bei Drehmomentwandlern mit verstellbaren Schaufeln, insbesondere Verdrehschaufeln am Turbinenrad.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Drehmomentwandler von einem Überlagerungsgetriebe umfasst, das ferner ein mit dem Drehmomentwandler verbundenes Umlaufgetriebe umfasst. Das Überlagerungsgetriebe kann dazu eingerichtet sein, eine Umsetzung von Drehmoment zwischen einer Antriebsseite und einer Abtriebsseite hydrodynamisch zu steuern. Dazu können die Umlenkschaufeln passend verstellt werden. So kann die Übertragungscharakteristik des Überlagerungsgetriebes von dem bestimmten relativen Verdrehwinkel abhängig sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein System mit einem steuerbaren hydrodynamischen Drehmomentwandler;
2 Drehwinkel an Wellen des Systems von 1;
3 ein Detail einer Kurvenscheibe für eine Welle des Systems von 1;
4 eine beispielhafte Kurvenscheibe für eine Welle des Systems von 1;
5 Zusammenhänge zwischen Abstandssignalen und Verdrehwinkeln am System von 1;
6 zeitliche Zusammenhänge zwischen Abstandssignalen und Verdrehwinkeln am System von 1; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Verdrehwinkels zwischen Wellen des Systems von 1
darstellt.
1 zeigt ein System 100, das ein steuerbares hydrodynamisches Überlagerungsgetriebe 105 umfasst, das beispielsweise unter der Bezeichnung Vorecon bekannt ist. Das Überlagerungsgetriebe 105 umfasst einen steuerbaren hydrodynamischen Drehmomentwandler 110 und ein Umlaufgetriebe 115, die bezüglich einer gemeinsamen Drehachse 120 axial versetzt angeordnet sind. Der Drehmomentwandler 110 umfasst eine erste Welle 125, die als Eingangsseite für eine Drehmomentübertragung dient und mit einem Pumpenrad 130 verbunden ist, eine Ausgangsseite 135, die mit einem Turbinenrad 140 verbunden ist, und ein Leitrad 145. Mittels eines Fluids 150 sind die Drehbewegungen des Pumpenrads 130 und des Turbinenrads 140 hydrodynamisch miteinander gekoppelt. Im Betrieb des Drehmomentwandlers 110 strömt Fluid 150 durch Schaufeln des Leitrads 145. Bei dieser Ausführung des Drehmomentwandlers 110 kann ein Anstellwinkel der Schaufeln eines Schaufelrades, vorzugsweise des Pumpenrades mittels einer Verstelleinrichtung 155 verstellt werden. Die Verstelleinrichtung 155 umfasst bevorzugt einen hydraulischen Aktor im Bereich des Pumpenrades 130 und ein hydraulisches Ventil, das mittels einer zweiten Welle 165 gesteuert werden kann, die bevorzugt als Hohlwelle um die Drehachse 120 ausgeführt ist und die erste Welle 125 in ihren Innenbereich aufnimmt. Ein relativer Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle 125 und der zweiten Welle 165 steuert so einen Anstellwinkel von Schaufeln des Pumpenrades 130, sodass die Übertragung von Drehmoment zwischen der ersten Welle 125 und der Ausgangsseite 135 beeinflusst wird.
Der Drehmomentwandler 110 kann eigenständig zur Übertragung von Drehmoment zwischen der Eingangsseite 125 und der Ausgangsseite 135 verwendet werden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Ausgangsseite 135 das Umlaufgetriebe 115 nachgestellt, das im Dreiwellenbetrieb verwendet wird. Dazu umfasst das Umlaufgetriebe 115 bevorzugt ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, das drehfest mit der Ausgangswelle 170 verbunden ist, und einem oder mehreren Planetenrädern, die mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad kämmen und bezüglich eines Planetenradträgers gelagert sind, der drehfest mit der Eingangsseite 125 des Drehmomentwandlers 110 verbunden ist.
Das Überlagerungsgetriebe 105 oder der Drehmomentwandler 110 kann insbesondere zum Einsatz in einer explosionsgeschützten Umgebung vorgesehen sein. Beide Elemente 105, 110 können insbesondere bei der Förderung oder Verarbeitung von Öl oder Gas eingesetzt werden, beispielsweise um ein Drehmoment zwischen einer Antriebseinrichtung und einer Fördereinrichtung zu übertragen. Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentwandler 110 bzw. das Überlagerungsgetriebe 105 zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen ausgestattet ist.
Zur Bestimmung des Verdrehwinkels zwischen der ersten Welle 125 und der zweiten Welle 165 ist eine Vorrichtung 175 vorgesehen, die eine Verarbeitungseinrichtung 180, einen ersten Abstandssensor 182, einen zweiten Abstandssensor 184, eine erste Kurvenscheibe 186 und eine zweite Kurvenscheibe 188 umfasst. Die erste Kurvenscheibe 186 ist drehfest mit der ersten Welle 125 und die zweite Kurvenscheibe 188 drehfest mit der zweiten Welle 165 verbunden. Die Abstandssensoren 182, 184 sind datentechnisch mit der Verarbeitungseinrichtung 180 verbunden und jeweils fest bezüglich eines Fixelements 190 am System 100 angebracht, wobei das Fixelement 190 beispielsweise ein Gehäuse oder eine Lagerung umfassen kann. Die Abstandssensoren 182, 184 drehen sich daher nicht mit den Wellen 125, 165 mit. Die erste Welle 125 und die zweite Welle 165 können jeweils um die Drehachse 120 bezüglich des Fixelements 190 gedreht werden. Der erste Abstandssensor 182 ist dazu eingerichtet, ein Signal bereitzustellen, das abhängig von einem radialen Abstand einer Außenkontur der ersten Kurvenscheibe 186 ist. In entsprechender Weise ist der zweite Abstandssensor 184 dazu eingerichtet, ein Abstandssignal bereitzustellen, das von einem radialen Abstand zur Außenkontur der zweiten Kurvenscheibe 188 abhängig ist. Die Verarbeitungseinrichtung 180 ist dazu eingerichtet, einen relativen Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle 125 und der zweiten Welle 165 in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich zu bestimmen und den bestimmten Winkel bevorzugt an einer Schnittstelle 192 nach außen bereitzustellen. Die Schnittstelle 192 kann insbesondere einen Feldbus wie den Profibus oder Modbus umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann eine analoge Schnittstelle 192 unterstützt werden, die beispielsweise einen Strom im Bereich von 4 bis 20 mA bereitstellen kann, der auf den bestimmten Verdrehwinkel hinweist.
Die Kurvenscheiben 186, 188 weisen Außenkonturen auf, deren radialer Abstand von der Drehachse 120 bzw. dem jeweils zugeordneten Abstandssensor 182, 184 jeweils von einer Drehstellung um die Drehachse 120 abhängig ist. Je kleiner der Radius bzw. der radiale Abstand ist, desto größer ist der Abstand zum Abstandssensor 182, 184, dessen Abstand zur Drehachse 120 ja konstant ist.
2 zeigt Drehwinkel an den Wellen 125 und 165 des Systems 100 von 1. Die beiden Wellen 125, 165 sind konzentrisch zueinander gelagert, wobei die erste Welle 125 bevorzugt radial innen liegt und die zweite Welle 165 als Hohlwelle ausgebildet ist, in deren Ausnehmung die erste Welle 125 liegt. In rein beispielhafter Weise drehen sich beide Wellen 125 und 165 im Uhrzeigersinn mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit ω. Zu einem gegebenen Zeitpunkt weist die erste Welle 125 einen absoluten Drehwinkel 205 und die zweite Welle 165 einen absoluten Drehwinkel 210 auf. Der Unterschied zwischen den Drehwinkeln 205 und 210 wird Verdrehwinkel 215 genannt. Eine Änderungsgeschwindigkeit des Verdrehwinkels 215 ist üblicherweise unabhängig von einer Winkelgeschwindigkeit einer der Wellen 125, 165. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass der Verdrehwinkel 215 während seiner Bestimmung konstant bleibt.
3 zeigt beispielhaft einen Abschnitt der ersten Kurvenscheibe 186 des Systems 100 von 1. Die erste Kurvenscheibe 186 ist drehfest mit der ersten Welle 125 verbunden und somit drehbar um die Drehachse 120. Die erste Kurvenscheibe 186 weist eine radiale Außenkontur 305 auf, deren Radius, also deren Abstand von der Drehachse 120 innerhalb eines vorbestimmten Drehwinkelbereichs 310 abhängig ist. Der Verdrehwinkel 215 der Wellen 125 und 165 ist maximal so groß wie der vorbestimmte Drehwinkelbereich 310. Ein radialer Abstand 315 zwischen der Außenkontur 305 und dem zugeordneten ersten Abstandssensor 182 ist, nachdem der Abstandssensor 182 in einem festen radialen Abstand 315 zur Drehachse 120, aber nicht drehbar mit der ersten Welle 125 angebracht ist, ebenfalls vom ersten Drehwinkel 205 abhängig. Dazu ist die Außenkontur 305 im Drehwinkelbereich 310 so geformt, dass der radiale Abstand 315 über die Drehung der ersten Kurvenscheibe 186 innerhalb des Drehwinkelbereichs 310 streng monoton steigt oder streng monoton fällt. Insbesondere ist bevorzugt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem ersten absoluten Drehwinkel 205 und dem Abstand 315 besteht. Dazu folgt die Außenkontur 305 im Drehwinkelbereich 310 bevorzugt einer archimedischen Spirale. Der Unterschied 320 zwischen einem minimalen und einem maximalen radialen Abstand 315 innerhalb des Drehwinkelbereichs 310 kann in Abhängigkeit eines Messbereichs des ersten Abstandssensors 182 bestimmt werden. Der Unterschied 320 sollte den Messbereich möglichst weitgehend ausfüllen, ihn jedoch nicht überschreiten.
Die zweite Kurvenscheibe 188 ist bevorzugt entsprechend der ersten Kurvenscheibe 186 aufgebaut. Die Außenkontur 305 der zweiten Kurvenscheibe 188 kann unabhängig von der Außenkontur 305 der ersten Kurvenscheibe 186 gewählt werden, die Drehwinkelbereiche 310 müssen jedoch auf beiden Kurvenscheiben 186, 188 gleich gewählt sein.
4 zeigt eine axiale Ansicht einer vollständigen, beispielhaften Kurvenscheibe 186 des Systems 100 von 1. Es ist bevorzugt, dass die Außenkontur 305 eine vorbestimmte Anzahl Abschnitte 405 umfasst, die sich jeweils in Umfangsrichtung um die Drehachse 120 erstrecken. Jeder Abschnitt 405 deckt wenigstens den Drehwinkelbereich 310 ab und die Abschnitte 405 sind bevorzugt zueinander kongruent. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Abschnitte 405 zueinander kongruent sind bezüglich einer Drehung um die Drehachse 120. Der durch einen Abschnitt 405 eingenommene Winkelbereich bezüglich der Drehachse 120 ist gleich für alle Abschnitte 405. Dabei erstrecken sich die Außenkonturen 305 der Abschnitte 405 insgesamt auf einem Vollkreis um die Drehachse 120. Je nach Drehstellung der Kurvenscheibe 186 bezüglich des ersten Abstandssensors 182 liegt der jeweils wirksame Radius zwischen einem minimalen Radius 410 und einem maximalen Radius 415.
5 zeigt Zusammenhänge zwischen Abstandssignalen der Abstandssensoren 182, 184 und Drehwinkeln 205, 210 am System 100 von 1. Die erste Kurvenscheibe 186 und die zweite Kurvenscheibe 188 sind konzentrisch zur Drehachse 120 dargestellt, wobei die erste Kurvenscheibe 186 exemplarisch verkleinert dargestellt ist. In 5A, 5B und 5C sind jeweils in einem linken Bereich die erste Kurvenscheibe 186 mit dem zugeordneten ersten Abstandssensor 182 und die zweite Kurvenscheibe 188 mit dem zugeordneten zweiten Abstandssensor 184 dargestellt, während im rechten Bereich ein erstes Abstandssignal 505 des ersten Abstandssensors 182, ein zweites Abstandssignal 510 des zweiten Abstandssensors 184 und der Verdrehwinkel 215 zwischen den Wellen 125, 165 bzw. den Kurvenscheiben 186, 188 dargestellt ist. 5A betrifft einen Verdrehwinkel 215 von 0°, 5B ein Vorauseilen der ersten Kurvenscheibe 186 und 5C ein Vorauseilen der zweiten Kurvenscheibe 188. Die Drehrichtung der Kurvenscheiben 186, 188 erfolgt hier exemplarisch entgegen dem Uhrzeigersinn.
Der Verdrehwinkel 215 kann einfach bestimmt werden, indem zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Differenz der Abstandssignale 505 und 510 gebildet und in einen Winkel umgerechnet wird. Dazu wird eine Konstante m verwendet, die die archimedischen Spiralen beider Kurvenscheiben 186, 188 definiert, wie oben genauer beschrieben ist.
Der Differenzwinkel 215 kann wie folgt ermittelt werden: φ_A = y_A·m_A φ_B = y_B·m_B φ_A ≥ φ_B ⇒ Δφ = (φ_A – φ_B) φ_B > φ_A ⇒ Δφ = φ_S + (φ_A – φ_B) mit dem Umrechnungsfaktor m:
Dabei bedeuten:

Δφ:: Verdrehwinkel 215
φ_A:: absoluter erster Drehwinkel 205 der ersten Welle 125
φ_B:: absoluter zweiter Drehwinkel 205 der zweiten Welle 165
y: _A: radialer Abstand 315 am ersten Abstandssensor 182
y_B:: radialer Abstand 315 am zweiten Abstandssensor 184
φ_S:: Drehwinkelbereich 310
h_A:: Höhenunterschied 320 an der ersten Kurvenscheibe 186
h_B:: Höhenunterschied 320 an der zweiten Kurvenscheibe 186

Diese Bestimmung wird auch abstandsbasierte Bestimmung genannt. Alternativ dazu ist auch eine zeitbasierte Bestimmung möglich. 6 zeigt zeitliche Zusammenhänge zwischen absoluten Drehwinkeln 205 und 210 von Abstandssignalen 505 und 510 am System 100 von 1. Immer dann, wenn an einem Abstandssensor 182, 184 ein Übergang zwischen benachbarten Abschnitten 405 vorbeiläuft, weist das korrespondierende Abstandssignal 505, 510 einen Sprung zwischen seinem Maximalwert und seinem Minimalwert auf. Ein erster zeitlicher Abstand 605 zwischen einem solchen Sprung im ersten Abstandssignal 505 und einem korrespondierenden Sprung im zweiten Abstandssignal 510 weist auf den Verdrehwinkel 215 hin. Ein zweiter zeitlicher Abstand 610 zwischen aufeinanderfolgenden Sprüngen des gleichen Abstandssignals 505 oder 510 weist auf eine Drehzahl der korrespondierenden Welle 125, 165 hin. Der erste zeitliche Abstand 605 kann pro Umdrehung der zugeordneten Welle 125, 165 so oft bestimmt werden, wie kongruente Abschnitte 405 an der korrespondierenden Kurvenscheibe 186, 188 vorgesehen sind.
Es gilt: ω =2·π·f = 2π / t1·n und somit Δφ = 360° / n· t1 / dt
Dabei bedeuten:

Δφ:: Verdrehwinkel 215
t1:: erster zeitlicher Abstand 605
n:: Anzahl Abschnitte an der zugeordneten Kurvenscheibe 186, 188

Die Drehrichtung der Wellen 125, 165 kann daran bestimmt werden, welches der Signale 505, 510 dem anderen vorauseilt.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Bestimmen des Verdrehwinkels 215 zwischen den Wellen 125 und 165 am System 100 von 1. In einem ersten Schritt 705 wird das erste Abstandssignal 505 mittels des ersten Abstandssensors 182 und in einem Schritt 710 das zweite Abstandssignal 510 mittels des zweiten Abstandssensors 184 abgetastet. In einem optionalen Schritt 715 wird eine Drehzahl einer der Wellen 125, 165 bestimmt. Die Drehzahl kann auf der Basis eines der Abstandssignale 505, 510 bestimmt werden. Alternativ kann die Drehzahl auf andere Weise bezogen aus einem Drehzahlsignal abgeleitet werden.
In einem optionalen Schritt 720 wird überprüft, ob die bestimmte Drehzahl einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Ist dies der Fall, so kann in einem Schritt 725 eine Differenz der abgetasteten Abstandssignale 505, 510 bestimmt werden. Daraus kann in einem Schritt 730 der Verdrehwinkel 215 bestimmt werden. Alternativ dazu kann auch jeweils auf der Basis eines Abstandssignals 505, 510 ein absoluter Drehwinkel 205, 210 bestimmt werden, wobei der Verdrehwinkel 215 aus einer Differenz der Drehwinkel 205, 210 bestimmt wird. Weitere Bestimmungen, beispielsweise einer Drehrichtung einer der Wellen 125, 165 oder eines Vorzeichens des Verdrehwinkels 215 können ebenfalls im Schritt 730 erfolgen.
Wurde im Schritt 720 bestimmt, dass die bestimmte Drehzahl den vorbestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet, so kann in einem Schritt 735 der erste zeitliche Abstand 605 zwischen Übergängen jeweils benachbarter Abschnitte 405 an den unterschiedlichen Kurvenscheiben 186 und 188 bestimmt werden. Anschließend kann in einem Schritt 740 der Verdrehwinkel 215 auf der Basis des ersten zeitlichen Abstands 605 bestimmt werden. Zusätzliche Bestimmungen können ebenfalls durchgeführt werden.
Das Verfahren 700 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Verarbeitungseinrichtung 180 des Systems 100 von 1 eingerichtet. Variationen und Modifikationen des Verfahrens 700 sind möglich. Beispielsweise kann das Verfahren 700 periodisch oder ereignisgesteuert durchgeführt werden, oder es kann stets eine abstandsbasierte Bestimmung mittels der Schritte 705, 710, 725 und 730 oder stets eine zeitbasierte Bestimmung mittels der Schritte 705, 710, 735 und 740 durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: System
105: hydrodynamisches Überlagerungsgetriebe
110: hydrodynamischer Drehmomentwandler
115: Umlaufgetriebe
120: Drehachse
125: erste Welle (Eingangsseite)
130: Pumpenrad
135: Ausgangsseite
140: Turbinenrad
145: Leitrad
150: Fluid
155: Verstelleinrichtung
165: zweite Welle
170: Ausgangswelle
175: Vorrichtung
180: Verarbeitungseinrichtung
182: erster Abstandssensor
184: zweiter Abstandssensor
186: erste Kurvenscheibe
188: zweite Kurvenscheibe
190: Fixelement
192: Schnittstelle
205: absoluter erster Drehwinkel der ersten Welle
210: absoluter zweiter Drehwinkel der zweiten Welle
215: Verdrehwinkel
305: Außenkontur
310: Drehwinkelbereich
315: radialer Abstand
320: Unterschied
405: Abschnitt
410: minimaler Radius
415: maximaler Radius
505: erstes Abstandssignal
510: zweites Abstandssignal
605: erster zeitlicher Abstand
610: zweiter zeitlicher Abstand
700: Verfahren
705: Abtasten erstes Abstandssignal
710: Abtasten zweites Abstandssignal
715: Bestimmen Drehzahl
720: Drehzahl unter vorbestimmtem Schwellenwert?
725: Bestimmen Differenz der Abstände
730: Bestimmen Verdrehwinkel
735: Bestimmen zeitlicher Abstand der Übergänge an unterschiedlichen Kurvenscheiben
740: Bestimmen Verdrehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/071042 A1 [0003]
WO 2011/0606465 A1 [0005]

Claims

Verfahren (700) zum Bestimmen eines relativen Verdrehwinkels (215) zwischen einer ersten (125) und einer zweiten Welle (165), wobei die Wellen (125, 165) jeweils bezüglich eines Fixelements (190) drehbar gelagert sind, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst: – Abtasten (705) eines ersten Abstandssignals (505) eines ersten Abstandssensors (182), der am Fixelement (190) angebracht ist, wobei das erste Abstandssignal (505) auf einen radialen Abstand zwischen dem Fixelement (190) und einer Außenkontur (305) einer ersten Kurvenscheibe (186) hinweist, die drehfest an der ersten Welle (125) angebracht ist; – Abtasten (710) eines zweiten Abstandssignals (510) eines zweiten Abstandssensors (184), der am Fixelement (190) angebracht ist, wobei das zweite Abstandssignal (510) auf einen radialen Abstand zwischen dem Fixelement (190) und einer Außenkontur (305) einer zweiten Kurvenscheibe (188) hinweist, die drehfest an der zweiten Welle (165) angebracht ist – wobei die Außenkonturen (305) der Kurvenscheiben (186, 188) jeweils derart geformt sind, dass ein radialer Abstand zwischen einem Abstandssensor (182, 184) und der Außenkontur (305) der ihm zugeordneten Kurvenscheibe (186, 188) auf einen absoluten Drehwinkel (205, 210) der zugeordneten Welle (125, 165) in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich (310) hinweist; und – Bestimmen des relativen Verdrehwinkels (215) auf der Basis der bestimmten Abstandssignale (505, 510).
Verfahren (700) nach Anspruch 1, wobei der relative Verdrehwinkel (215) auf der Basis einer Differenz der Abstände bestimmt (725, 730) wird, auf die die beiden Abstandssignale (505, 510) hinweisen.
Verfahren (700) nach Anspruch 1, wobei die Außenkonturen (305) der Kurvenscheiben (186, 188) auf einem Umlauf um die Drehachse (120) jeweils durch die gleiche Anzahl jeweils kongruenter Abschnitte (405) gebildet ist, und das Verfahren (700) folgende weitere Schritte umfasst: – Bestimmen (735) einer Zeit, die zwischen einem Übergang zwischen benachbarten Abschnitten (405) der ersten Kurvenscheibe (186) am ersten Abstandssensor (182) und einem Übergang zwischen benachbarten Abschnitten (405) der zweiten Kurvenscheibe (188) am zweiten Abstandssensor (184) vergeht; und – Bestimmen (740) des relativen Verdrehwinkels (215) auf der Basis der bestimmten Zeit und einer Drehzahl einer der Wellen (125, 165).
Verfahren (700) nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Bestimmen (730) einer Drehrichtung der Wellen (125, 165) auf der Basis der bestimmten Zeit.
Verfahren (700) nach Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend ein Bestimmen (715) der Drehzahl einer der Wellen (125, 165) auf der Basis einer Zeit, die zwischen Übergängen zwischen benachbarten Abschnitten (405) an der zugeordneten Kurvenscheibe (186, 188) am zugeordneten Abstandssensor (182, 184) vergeht.
Verfahren (700) nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der relative Verdrehwinkel (215) nach Anspruch 2 abstandsbasiert bestimmt (725, 730) wird, falls die Drehzahl einer der Wellen (125, 165) unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, und andernfalls nach einem der Ansprüche 3 bis 5 zeitbasiert (735, 740) bestimmt wird.
Vorrichtung (175) zur Bestimmung eines relativen Verdrehwinkels (215) zwischen einer ersten (125) und einer zweiten Welle (165), wobei die Wellen (125, 165) jeweils bezüglich eines Fixelements (190) drehbar gelagert sind, wobei die Vorrichtung (175) folgendes umfasst: – eine erste Kurvenscheibe (186) zur drehfesten Anbringung an der ersten Welle (125); – eine zweite Kurvenscheibe (188) zur drehfesten Anbringung an der zweiten Welle (165); – einen ersten Abstandssensor (182) zur Anbringung am Fixelement (190) im axialen Bereich der ersten Kurvenscheibe (186); – einen zweiten Abstandssensor (184) zur Anbringung am Fixelement (190) im axialen Bereich der zweiten Kurvenscheibe (188), – wobei die Abstandssensoren (182, 184) jeweils zur Bereitstellung eines Abstandssignals (505, 510) eingerichtet sind; – wobei Außenkonturen (305) der Kurvenscheiben (186, 188) jeweils derart geformt sind, dass ein radialer Abstand zwischen der Kurvenscheibe (186, 188) und einem zugeordneten Abstandssensor (182, 184) auf einen absoluten Drehwinkel (205, 210) der zugeordneten Welle (125, 165) in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich (310) hinweist; – eine Verarbeitungseinrichtung (180), die dazu eingerichtet ist, den relativen Verdrehwinkel (215) auf der Basis der Abstandssignale (505, 510) zu bestimmen.
Vorrichtung (175) nach Anspruch 7, wobei die Außenkontur (305) einer der Kurvenscheiben (186, 188) im vorbestimmten Drehwinkelbereich (310) einer archimedischen Spirale folgt.
Vorrichtung (175) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wellen (125, 165) um eine gemeinsame Drehachse (120) konzentrisch zueinander gelagert sind.
Vorrichtung (175) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Außenkontur (305) einer der Kurvenscheiben (186, 188) auf einem Umlauf um die Drehachse (120) durch eine vorbestimmte Anzahl zueinander kongruenter Abschnitte (405) gebildet ist.
Vorrichtung (175) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einer der Abstandssensoren (182, 184) einen Schwingungssensor umfasst.
System (100), umfassend eine erste (125) und eine zweite Welle (165), die jeweils bezüglich eines Fixelements (190) drehbar gelagert sind, und eine Vorrichtung (175) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die erste Kurvenscheibe (186) an der ersten Welle (125), die zweite Kurvenscheibe (188) an der zweiten Welle (165) und die Abstandssensoren (182, 184) am Fixelement (190), jeweils im axialen Bereich der zugeordneten Kurvenscheibe (186, 188), angebracht sind.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wellen (125, 165) von einem steuerbaren hydrodynamischen Drehmomentwandler (110) umfasst sind und eine Stellung eines Pumpenrads (130) durch den relativen Verdrehwinkel (215) reflektiert werden.
System (100) nach Anspruch 13, wobei der Drehmomentwandler (110) von einem Überlagerungsgetriebe (105) umfasst ist, das ferner ein mit dem Drehmomentwandler (110) verbundenes Umlaufgetriebe (115) umfasst.
System (100) nach Anspruch 14, bei welchem das Umlaufgetriebe (115) ein Planetenradgetriebe mit zumindest einem Sonnenrad, einem Hohlrad, einem Planetenträger umfasst, wobei der Planetenträger mit der Eingangsseite (125) und das Sonnenrad mit der Ausgangsseite (135) des Drehmomentwandlers (110) verbunden ist und das Hohlrad mit einer Ausgangswelle, insbesondere einer mit der Ausgangswelle koppelbaren Arbeitsmaschine verbindbar ist.