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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung zur Bestimmung eines Drehmoments und einer Drehzahl eines drehbaren Bauteils, insbesondere einer Welle.
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Es ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, Drehmomente einer Drehwelle mittels an sich bekannter magnetischer Methoden, beispielsweise mittels magnetostriktiver Drehmomentsensoren zu messen. Derartige magnetostriktive Drehmomentsensoren beruhen auf den magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien, wobei beispielsweise eine Zugspannung in dem Material ein Ansteigen eines in dem Material induzierten magnetischen Feldes bewirkt. Demgegenüber führen Druckspannungen zu einer Verminderung des induzierten magnetischen Feldes. Überwiegend wird eine wechselstromgespeiste Sensorspule verwendet, um das magnetische Feld in eine ferromagnetische, drehmomentübertragende Welle zu induzieren. Eine sekundäre Aufnahmespule oder ein anderes Mittel überwacht dann die Änderungen in dem induzierten magnetischen Feld, wenn sich die Spannungen in der Welle mit dem Drehmoment ändern. Das in der Sekundärspule induzierte Spannungssignal ist ein Indikator für das Drehmoment.
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So beschreibt beispielsweise die
DE 34 17 893 A1 eine Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von Maschinenteilen, wie beispielsweise Wellen, mit einem magnetostriktiven Drehmomentsensor, wobei auf der Welle eine Schicht aus amorphem, magnetostriktivem Material angeordnet ist. Unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verändert diese Schicht ihre magnetische Permeabilität, so dass wiederum die Induktivität eines in der Nähe dieser Schicht angeordneten Sensors, welcher mindestens eine Spule umfasst, verändert wird. Die Beschichtung kann auf die Welle aufgesputtert oder elektrolytisch aufgebracht oder in Folienform ausgebildet und auf die Welle geklebt oder mit derselben verschweißt sein.
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Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, derartige Drehmomentsensoren funktional zu erweitern.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte, insbesondere eine auch eine Drehzahl ermittelnde, kompakt bauende und kostengünstig herstellbare Drehmomentmessanordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung zur Bestimmung eines Drehmoments und einer Drehzahl eines drehbaren Bauteils, insbesondere einer Welle, umfassend einen magnetostriktiven Sensor, welcher mit einer an dem drehbaren Bauteil ausgebildeten ersten ringförmigen Magnetspur und zweiten ringförmigen Magnetspur zur Bestimmung eines auf das Bauteil einwirkenden Drehmoments zusammenwirkt, und einen induktiven Sensor, welcher mit einem drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbundenen Sensortarget zur Bestimmung der Drehzahl des Bauteils zusammenwirkt, wobei der magnetostriktive Sensor ein das auf das drehbare Bauteil einwirkende Drehmoment repräsentierende Sensorsignal und der induktive Sensor ein die Drehzahl des Bauteils repräsentierendes Sensorsignal bereitstellt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine besonders kompakt bauende und kostengünstige kombinierte Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung zur Bestimmung eines Drehmoments und einer Drehzahl eines drehbaren Bauteils realisierbar ist.
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Ferner weist die Messanordnung auch eine hohe Medienbeständigkeit, beispielsweise gegen Öl, auf, da auf die Verwendung von kunststoffgebundenen Ferritmagnete für eine Drehzahlermittlung durch die Verwendung eines induktiven Messprinzips verzichtet werden kann. Ferner werden bei der Drehzahlermittlung somit keine Magnete eingesetzt, die die magnetostriktive Drehmomentmessung stören könnten, wodurch eine hohe Signalqualität und Messgenauigkeit sowohl bei der Drehmoment- als auch bei der Drehzahlmessung erzielbar sind.
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Das drehbare Bauteil ist - wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt - magnetisiert und weist wenigstens zwei, bevorzugt gegenläufige Magnetspuren auf. Im unbelasteten Zustand des drehbaren Bauteils ist das Magnetfeld der Magnetspuren dann in sich geschlossen und es tritt kein Magnetfeld aus dem Bauteil aus. Wird das Bauteil mit einem Drehmoment belastet, entsteht ein axiales Magnetfeld über den Magnetspuren, dass mit dem magnetostriktiven Sensor gemessen wird. Das gemessene Magnetfeld ist direkt proportional zum Drehmoment. Zudem wird ein Sensortraget für einen induktiven Sensor verwendet, mit dessen Hilfe die Drehgeschwindigkeit des Bauteils erfassbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der magnetostriktive Sensor und der induktive Sensor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist es ferner bevorzugt, dass der magnetostriktive Sensor und der induktive Sensor in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind, was ebenfalls zu einer vereinfachten Montierbarkeit und Konfiguration der Messanordnung beiträgt.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Magnetspur und die zweite Magnetspur axial von dem Sensortarget beabstandet sind. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Magnetspur und/oder die zweite Magnetspur axial von dem Sensortarget zumindest abschnittsweise überdeckt sind/ist, wodurch eine axial besonders kompakt bauende Ausführung der Messanordnung realisierbar wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Sensortarget als Zylinderhülse ausgeformt ist, welche über den Umfang verteilt eine Mehrzahl an Fenstern aufweist, wodurch eine einfache Herstellung und Montage des Sensortargets erreicht werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Fenster im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind, was zu einer guten Signalqualität bei minimalem Gewicht des Sensortargets beiträgt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Fenster im Wesentlich identisch ausgeformt sind. Auch kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Fenster äquidistant über den Umfang der Zylinderhülse verteilt sind. Hierdurch kann eine Art Nadelkäfig in Form einer Hülse als Sensortraget bereitgestellt werden, wobei sich dann bei einer Drehung des Nadelkäfigs ein logisches Level von 0 und 1 ergibt, dass mit Hilfe des induktiven Sensors abgetastet werden kann. Der induktive Sensor sendet hierzu bevorzugt über eine Sendespule ein elektromagnetisches Feld aus und misst die Reflektion des Feldes durch das Sensortarget über mindestens eine Empfängerspule.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann es auch vorgesehen sein, dass die Fenster geometrisch so ausgebildet sind, dass über den induktiven Sensor die Drehrichtung des drehbaren Bauteils bestimmbar ist, beispielsweise indem die in Umfangsrichtung die Fenster begrenzenden Stege des Sensortargets in Umfangsrichtung eine sägezahnartige Kontur aufweisen.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Zylinderhülse aus einem metallischen Material, bevorzugt einem nicht ferromagnetischen metallischen Material, insbesondere aus Aluminium, geformt ist. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass das Sensortarget die magnetostriktive Drehmomentmessung nicht negativ beeinflusst.
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Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Messanordnung mit einer Steuereinheit verbunden sein. Eine Steuereinheit, wie sie von der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient der insbesondere elektronischen Steuerung und/oder Reglung einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Messanordnungen und/oder der elektronischen Steuerung und/oder Reglung einer oder mehrerer mit der Steuereinheit verbundener technischer Systeme, wie beispielsweise einer elektrischen Maschine.
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Eine Steuereinheit weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinheit ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher eines Kraftfahrzeugs.
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Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
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Die Steuereinheit kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinheit übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinheit einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
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Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über, beispielsweise im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich bevorzugt auf kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, insbesondere auf die Drehmoment- und Drehzahlmessung an Rotorwellen elektrischer Maschinen, Getriebewellen, Hinterachs- und Vorderachsdifferentialwellen, E-Achsen, Wankstabilisatoren, Steer-By-Wire Systemen, Break-By-Wire Systemen und dergleichen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Messanordnung in einer schematischen Darstellung.
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Die 1 zeigt eine Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung 1 zur Bestimmung eines Drehmoments und einer Drehzahl eines drehbaren Bauteils, insbesondere einer Welle 2.
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Die Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung 1 besitzt einen magnetostriktiven Sensor 3, welcher mit einer an dem drehbaren Bauteil ausgebildeten ersten ringförmigen Magnetspur 4 und einer zweiten ringförmigen Magnetspur 5 zur Bestimmung eines auf die Welle 2 einwirkenden Drehmoments zusammenwirkt. Die Magnetspuren 4,5 weisen eine gegenläufige magnetische Orientierung auf, was durch die Pfeile angedeutet ist.
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Die Drehmoment- und Drehzahlmessanordnung 1 weist ferner einen induktiven Sensor 6 auf, welcher mit einem drehfest mit der Welle 2 verbundenen Sensortarget 7 zur Bestimmung der Drehzahl der Welle 2 zusammenwirkt, so dass der magnetostriktive Sensor 3 ein das auf das drehbare Bauteil einwirkende Drehmoment repräsentierende Sensorsignal 10 und der induktive Sensor 6 ein die Drehzahl des Bauteils repräsentierendes Sensorsignal 11 bereitstellt. Diese Sensorsignale 10,11 können an eine übergeordnete Steuereinheit weitergeleitet werden.
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Der magnetostriktive Sensor 3 und der induktive Sensor 6 sind auf einer gemeinsamen Platine 8 angeordnet, wodurch sich eine hohe Systemintegration realisieren lässt.
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Der 1 ist auch gut entnehmbar, dass die erste Magnetspur 4 und die zweite Magnetspur 5 axial von dem Sensortarget 7 beabstandet sind. Um eine axial besonders kompakt bauende Ausführungsform zu schaffen wäre es jedoch auch denkbar, dass die erste Magnetspur 4 und/oder die zweite Magnetspur 5 axial von dem Sensortarget 7 zumindest abschnittsweise überdeckt sind/ist.
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Das Sensortarget 7 ist in der gezeigten Ausführungsform als Zylinderhülse 8 ausgeformt, welche über den Umfang verteilt eine Mehrzahl an im Wesentlichen rechteckförmigen, identisch ausgebildeten Fenstern 9 aufweist, die äquidistant über den Umfang der Zylinderhülse 8 verteilt sind. Beispielsweise könnte eine derartige Zylinderhülse 8 bevorzugt auch ein kommerziell erhältlicher Taschenkäfig eines Rollenwälzlagers sein, wodurch das Sensortarget besonders kostengünstig bereitgestellt werden kann. Die Zylinderhülse 8 ist aus einem metallischen Material, insbesondere aus Aluminium, geformt.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahlmessanordnung
- 2
- Welle
- 3
- Sensor
- 4
- Magnetspur
- 5
- Magnetspur
- 6
- Sensor
- 7
- Sensortarget
- 8
- Platine
- 9
- Fenster
- 10
- Sensorsignal
- 11
- Sensorsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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