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Die Erfindung betrifft ein Getriebe, vorzugsweise nach CVT Bauart (Continously Variable Transmission), für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Wellenabschnitt, an dem eine Drehmomentmessvorrichtung angebracht ist, die dazu vorbereitet ist, mittels einer mehrere Sensorfelder aufweisenden Vollbrücke, die auch als Brückenschaltung, H-Schaltung oder H-Brücke bezeichnet werden kann, ein an dem Wellenabschnitt anliegendes Drehmoment zu messen.
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Eine Vollbrücke im Sinne der Erfindung weist hierbei insgesamt vier Zweige und eine Überbrückung auf, wobei in den Zweigen jeweils ein Widerstand nach Art eines Sensorfeldes angeordnet ist. Das Sensorfeld bildet eine elektrische Einheit mit einem veränderlichen Widerstand.
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Bei Getrieben der gattungsgemäßen Art dient eine präzise Drehmomentmessung dazu, einen Getriebeanpressdruck, das heißt etwa den Anpressdruck von Getriebeplatten / Variatoren eines CVT-Getriebes, ausreichend hoch für eine gewünschte Drehmomentübertragung und ausreichend gering für minimale Reibungsverluste und eine minimale Leistungsaufnahme der Hydraulikeinheit gewährleisten zu können.
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Im Stand der Technik sind einige Vorrichtungen offenbart, die ein Drehmoment in einem Getriebe messen, um die Anpressdrücke optimieren zu können. Mechanische Drehmomentfühler, wie sie etwa aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 120 349 A1 bekannt sind, sind in der Lage, diskrete, statische Drehmomente mittels Belastungsmassen an einem Belastungshebel zu detektieren.
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Weiter offenbart die Patentschrift
DE 102 38 077 B4 eine Drehmoment-Normalmesseinrichtung mit einem Maschinenrahmen, in dem eine erste, messseitige Spanneinrichtung und eine zweite, belastungsseitige Spanneinrichtung gelagert sind, zwischen denen ein Prüfling aufnehmbar ist. Trotz akkurater Messergebnisse solcher Vorrichtungen nehmen mechanische Drehmomentfühler in Getrieben, in denen die Bauraumoptimierung ein wesentliches Qualitätskriterium ist, zu viel Platz ein und sind somit nicht geeignet. Weiterhin liegt in Getrieben das zusätzliche Problem zugrunde, dass neben der zu messenden Torsionsbeanspruchung des Wellenabschnitts auch weitere Belastungen, wie Axialspannungen, Biegespannungen und/oder thermische Spannungen auftreten. Diese werden in diesem Kontext als Störgrößen bezeichnet. Diesem Problem können die aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentmessvorrichtungen nur unzureichend Abhilfe verschaffen.
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Als weitere Möglichkeit, einen Anpressdruck in einem Getriebe zu bestimmen, bietet sich eine Auswertung des von dem Motorsteuergerät ausgegebenen Motor-Momenten-Signals (MMI). Diese Möglichkeit genügt zwar den Anforderungen an einen minimalen Bauraum, doch weist sie hinsichtlich ihrer Genauigkeit Nachteile auf. So kommt es in Anwendungen, in denen der Anpressdruck aus dem MMI bestimmt wird, regelmäßig zu einer Überanpressung des Variators. Besonders in niederen Drehmomentbereichen führt dies zu einer geminderten Leistung aufgrund von Reibungsverlusten sowie zu einer erhöhten Geräuschemission.
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Auch Dehnmessstreifen, das heißt dehnungsbasierte Messtechniken, bei denen eine mechanische Verformung über eine Änderung in einem elektrischen Widerstand in elektrische Signale gewandelt wird, sind grundsätzlich als Mechanismus zur Drehmomentdetektion bekannt. Besonders die von der Schaeffler Technologies AG & Co. KG entwickelte Sensotect-Messtechnik liefert als Drehmomentmessvorrichtung zuverlässige Messergebnisse unter hoher Belastung. Nachteilig hieran ist jedoch, dass eine solche Drehmomentmessvorrichtung manuell zu verlöten und/oder zu verkabeln ist. Dieser Vorgang gilt als aufwändig und senkt somit die Effizienz in der Produktion.
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So treten im Stand der Technik verschiedene Probleme auf. Einerseits ist eine hohe Messpräzision mit erheblichem Bauraumbedarf verbunden. Andererseits ist eine Detektion des zu bestimmenden Torsionsmoments von weiteren im Getriebe auftretenden Kräften, Spannungen und Momenten erschwert. Letztlich sind die bekannten Drehmomentmessvorrichtungen allesamt unter erheblichem Aufwand ins Getriebe zu integrieren.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben oder zumindest zu mildern und insbesondere ein Getriebe zu offenbaren, bei dem eine Drehmomentmessvorrichtung in der Lage ist, nur die Dehnungsanteile zu erfassen, die auf eine Torsionsbelastung zurückzuführen sind, und überdies bei minimalem Bauraumbedarf in kürzester Zeit und ohne hohen Verkabelungs- und Verlötungsaufwand auf dem Wellenabschnitt anordenbar / anbringbar sind.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sensorfelder der Drehmomentmessvorrichtung zueinander derart angeordnet sind, dass sie eine doppelte Vollbrücke, das heißt zwei Vollbrücken / Brückenschaltungen / H-Schaltungen / H-Brücke, ausbilden. Denn eine solche doppelte Vollbrücke ist mittels einer entsprechenden Ansteuerung über eine Versorgungsspannung in der Lage, eine Kompensation der Störgrößen, das heißt der Axialspannungen, Biegespannungen und/oder thermische Spannungen, vorzunehmen und zeitgleich über eine Verlötung an der Versorgungsspannung und der Signalspannung unter minimalen Aufwand betriebsbereit zu sein.
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Strukturell ausgedrückt zeichnet sich eine doppelte Vollbrücke dadurch aus, dass sie gemäß dem Prinzip einer einfachen Vollbrücke vier Zweige aufweist, wobei in jedem Zweig nun zwei Widerstände nach Art eines Sensorfeldes angeordnet sind. So verdoppelt sich die Anzahl an veränderlichen Widerständen, woraus die von der Erfindung gewünschte Einflussnahme ermöglicht ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
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So weist die doppelte Vollbrücke bevorzugt zumindest acht und weiter vorzugsweise genau acht Sensorfelder auf. Diese sind zueinander derart angeordnet, dass sie die Störgrößen kompensieren und das Torsionsmoment verstärken.
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Hierbei können die Sensorfelder zueinander in einer Reihenschaltung angeordnet sein, um eine Verbindung zwischen den über eine simple, modulartige und für jedes Sensorfeld identische Leitungsführung zu ermöglichen.
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Alternativ zu der Ausführungsform in Reihe, sind die Sensorfelder zueinander auch in einer Parallelschaltung anordenbar. Somit lässt sich eine in der Länge kompaktere Drehmomentmessvorrichtung realisieren, da jeweils zwei Sensorfelder nebeneinander geformt sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungform ist die Drehmomentmessvorrichtung mit dem Wellenabschnitt über insgesamt genau vier Lötpunkte an vier unterschiedlichen Lötstellen verbunden. Dies senkt den Aufwand in der Montage enorm, da bisher eine deutlich höhere Anzahl an Lötpunkten von Nöten war, um einen Dehnmessstreifen auf einem Wellenabschnitt anzuordnen.
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In jener Ausführungsform der vier Lötpunkte sind bevorzugt zwei Lötpunkte für eine Spannungsversorgung der Drehmomentmessvorrichtung und/oder zwei Lötpunkte für ein Spannungssignal der Drehmomentmessvorrichtung vorgesehen. An der Spannungsversorgung wird hierbei die Drehmomentmessvorrichtung mittels einer Spannung beaufschlagt, während an dem Spannungssignal die eingetretene Belastung mittels einer Verformung der Sensorfelder detektiert ist. Über die Anordnung mittels jeweils zwei Lötpunkten ist eine kompakte Lösung ohne funktionelle Einbußungen realisiert.
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Sobald zwischen den einzelnen Sensorfeldern Verbindungsbahnen, etwa zur Stromübertragung, angeordnet sind und jeweils zwei zueinander korrelierende Verbindungsbahnen, das heißt zwei Verbindungsbahnen, die einander in der doppelten Vollbrücke gegenüber angeordnet sind, eine in ihrer Fläche gleiche Größe aufweisen, lässt sich die Drehmomentmessvorrichtung mittels einer hohen Anzahl an Gleichteilen effizient fertigen.
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In jenem Ausführungsbeispiel der zwei zueinander korrelierenden Verbindungsbahnen ist es überdies von Vorteil, wenn diese symmetrisch zueinander auf dem Wellenabschnitt angeordnet sind. Hierbei ist, um den Einfluss der Verbindungsbahnen auf die Messung möglichst gering zu halten, angestrebt, den Querschnitt bzw. die vorstehend erwähnte Fläche der Verbindungsbahnen und somit ihren ohmschen Widerstand im Verhältnis zu dem des Messgitters hoch zu halten. Dies wird durch eine möglichst große Flächenausnutzung der Drehmomentmessvorrichtung auf der Wellenabschnittsoberfläche erreicht und erhöht die Reinheit des in dem erfindungsgemäßen Getriebe detektierten Signals.
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Bevorzugt erfolgt eine Verbindung zwischen den einzelnen Sensorfeldern der Drehmomentmessvorrichtung über eine bereits für die Messung des Drehmoments auf dem Wellenabschnitt angebrachte elektrisch leitende Schicht. Somit werden Synergieeffekte genutzt, um die Drehmomentmessvorrichtung im Sinne der Lean-Manufacturing auszugestalten.
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Hierbei entfalten sich insbesondere Vorteile, wenn die leitende Schicht laserstrukturiert hergestellt ist und somit präzise und kostengünstig fertigbar ist.
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In anderen Worten kann gesagt werden, dass erfindungsgemäß für eine Kompensation der eingangs erwähnten Störgrößen eine doppelte Vollbrücke, die etwa aus acht Sensorfeldern / Widerständen aufgebaut ist, auf den Wellenabschnitt appliziert wird. Neben jener Kompensation ist die doppelte Vollbrücke in der Lage, die torsionsdrehmomentinduzierten Widerstandsänderungen an der Messbrücke selbst zu verstärken und somit ein genaueres Messergebnis bei geringem Bauraumbedarf zu erhalten.
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Im Rahmen der Erfindung ist es hierbei möglich, die acht Sensorfelder als Reihen-, oder als Parallelschaltung zu verbinden. Die gewählte Schaltungsart hat auf die Störgrößenkompensation keinen Einfluss und ist demnach auf die wechselnden Bauraum- und die Montageverhältnisse flexibel anpassbar.
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Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, die Verschaltung der einzelnen Sensorfelder untereinander möglichst effizient zu gestalten, das heißt, dass für sie keine zusätzlichen Lötstellen anzubringen sind. Aus diesem Grund erfolgt die Verbindung der Sensorfelder über die zur Dehnungsmessung elektrisch leitende Schicht. Hieraus resultiert überdies der Vorteil, dass die Anzahl an Lötstellen, über die die Drehmomentmessvorrichtung auf dem Wellenabschnitt angeordnet wird, minimiert oder zumindest reduziert werden kann.
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Zusammenfassend kann demnach gesagt werden, dass erfindungsgemäß eine doppelte Vollbrücke appliziert wird, die alle Störgrößen kompensiert und die die drehmomentinduzierten Widerstandsänderungen an der Messbrücke verstärkt.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 die Messvorrichtung auf einem Wellenabschnitt eines Getriebes angeordnet;
- 2a eine erfindungsgemäße Drehmomentmessvorrichtung in Reihe geschaltet;
- 2b die Drehmomentmessvorrichtung parallel geschaltet;
- 3a die Messvorrichtung unter Biegebelastung;
- 3b die Messvorrichtung unter Axialbelastung;
- 3c die Messvorrichtung unter thermischer Belastung; und
- 3d die Messvorrichtung unter Torsionsbelastung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die einzelnen Bezugszeichen können untereinander ausgetauscht werden. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Wellenabschnitt 1 einer Getriebewelle eines erfindungsgemäßen Getriebes dargestellt. An / auf dem Wellenabschnitt 1 ist eine Drehmomentmessvorrichtung 2 angebracht, die mittels einer Vollbrücke ein an dem Wellenabschnitt 1 anliegendes Drehmoment misst. Die Vollbrücke ist erfindungsgemäß als doppelte Vollbrücke ausgestaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die doppelte Vollbrücke zudem als Reihenschaltung ausgestaltet. Sie weist in dem Ausführungsbeispiel in 1 acht Sensorfelder 3a,b; 4a, b; 5a, b; 6a,b auf.
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Über ein positives Versorgungskontaktpad 7 wird eine Versorgungsspannung angelegt. Diese liegt an dem ersten Sensorfeld 3a an. Über eine erste Verbindungsbahn ist jenes Signal an das zweite Sensorfeld 3b übertragbar. Dieses steht mit einem positiven Signalkontaktpad 8 in Verbindung. Mit dem positiven Signalpad 8 sind ebenfalls ein drittes und ein viertes Sensorfeld 4a, 4b verbunden, die ihrerseits an einem negativen Versorgungskontaktpad 9 anliegen.
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Ein zweiter Ast der Schaltung wird über ein fünftes und sechstes Sensorfeld 5a, 5b, die ebenfalls von dem positiven Versorgungskontaktpad 7 gespeist werden, gebildet. Ein negatives Signalkontaktpad 10 ist mit jenem Ast in Wirkverbindung. Über ein siebtes und achtes Sensorfeld 6a, 6b ist schließlich die doppelte Vollbrücke hergestellt.
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Um den Einfluss der Verbindungsbahnen zwischen den einzelnen Sensorfeldern auf die Messung möglichst gering zu halten ist eine möglichst große Flächenausnutzung der Bahnen auf dem Wellenabschnitt 1 angestrebt. Weiterhin sind die einzelnen Bahnen zueinander parallel ausgestaltet, wofür im Nachfolgenden weitere Gründe genannt werden.
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In 2a ist die Reihenschaltung aus 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellt. UB steht hierbei für die an der Vollbrücke anliegende Brückenschaltung. Die Spannung ΔU stellt die von der erfindungsgemäßen Drehmomentmessvorrichtung 2 detektierte Spannung, die entsprechend Rückschlüsse auf die Belastung zulässt.
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In 2b ist ein Blockschaltbild einer doppelten Vollbrücke in Parallelschaltung dargestellt. Das Funktionsprinzip bleibt hiervon unverändert. Die Parallelschaltung aus 2b bietet sich vor allem dann an, wenn ein Bauraum eher entlang des Umfangs des Wellenabschnitts als entlang dessen Längsachse verfügbar ist.
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Die 3a bis 3d schließlich verdeutlichen die Störgrößenkompensation, die von der Erfindung realisiert wird. Liegt ein Biegemoment an dem Wellenabschnitt 1 an (3a), das die Anpressdruckbestimmung behindert, werden die Sensorfelder 3a,b und 5a,b belastet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist hierbei jeweils ein Sensorfeld 3a, 5a auf Druck und ein Sensorfeld 3b, 5b auf Zug belastet. Mittels der Anordnung, dass die jeweilig gegenteilige belasteten Sensorfelder im gleichen Zweig angeordnet ist, wirken sich die Widerstandsänderungen nicht auf einen Quotienten ΔU/UB aus, wodurch eine Biegung kompensiert ist.
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Liegt hingegen eine Axialkraft an (3b), so wirkt diese nur in einem bestimmten Bereich, beispielsweise bei 0°. So wird jeweils ein Sensorfeld 3a, 5a in einem Zweig mit einer Druckbelastung beaufschlagt. Durch eine Vorzeichengleichheit der Belastung, die aus der Anordnung resultiert, ändert sich zwar die Brückenspannung, jedoch nicht der Quotient ΔU/UB. Somit ist es auch möglich, die Axialkraft zu kompensieren.
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Tritt eine homogene Erwärmung/Abkühlung einer Messhülse auf (3c), so erfahren sämtliche Sensorfelder 3a bis 6b die gleiche Ausdehnung/Kontraktion, die als Zugbelastung/Druckbelastung gleichermaßen auf sämtliche Sensorfelder wirkt. Somit bleibt auch hier der Quotient ΔU/UB unbeeinflusst und eine Kompensation wird vorgenommen. Weiterhin kommt hinzu, dass die Hauptdehnungsrichtungen bei einer Biegemomenten- und Axialkraftbelastung nicht mit der Ausrichtung des Messgitters, die vorzugsweise bei 45° liegt, übereinstimmen und so einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Widerstandsänderung haben.
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Schließlich ist in 3d eine reine Torsionsbelastung dargestellt. Diese induziert, dass die Hauptdehnungsrichtungen unter 45° zur Wellenachse liegen. Da die Messgitter der Sensorfelder 3a bis 6d nun die gleiche Ausrichtung haben, werden sie maximal gedehnt/gestaucht und erfahren so eine maximale, verstärkte Widerstandsänderung. In der doppelten Vollbrücke gemäß der Erfindung werden nun zwei Sensorfelder, die einander gegenüberliegen (das heißt 3a zu 5a, 4a zu 6a; 3b zu 5b und 4b zu 6b) der entsprechenden Brückenzweige auf Druck bzw. Zug belastet. Dadurch ergibt sich eine maximale Spannungsdifferenz zwischen den jeweils horizontal nebeneinander liegenden Sensorfeldern, was die torsionsinduzierten Dehnungen verstärkt.
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Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße doppelte Vollbrücke einerseits geeignet, Störgrößen zu vermeiden, zum zweiten Torsionsbelastungen zu verstärken, zum dritten ein Minimum an Lötstellen aufzuweisen und über alle dem kosteneffizient und bauraumsparend in das Getriebe integrierbar zu sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenabschnitt
- 2
- Drehmomentmessvorrichtung
- 3a
- erstes Sensorfeld
- 3b
- zweites Sensorfeld
- 4a
- drittes Sensorfeld
- 4b
- viertes Sensorfeld
- 5a
- fünftes Sensorfeld
- 5b
- sechstes Sensorfeld
- 6a
- siebtes Sensorfeld
- 6b
- achtes Sensorfeld
- 7
- positives Versorgungskontaktpad
- 8
- positiven Signalkontaktpad
- 9
- negatives Versorgungskontaktpad
- 10
- negatives Signalkontaktpad
