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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments in einem Spannungswellengetriebe, insbesondere eines Drehmoments an einem Übertragungsring eines Spannungswellengetriebes. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments in einem Spannungswellengetriebe.
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Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und sind daher insbesondere für Anwendungen geeignet, für die präzise Bewegungen und ein geringer Raumbedarf erforderlich sind. Da sich aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses mit relativ kleinen Motoren hohe Drehmomente erzeugen lassen, können durch Spannungswellengetriebe sehr kompakte Antriebsmechanismen realisiert werden, die beispielsweise in der Robotik zum Einsatz kommen.
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Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten Übertragungsring („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.
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Zur Steuerung eines mit dem Spannungswellengetriebe gekoppelten Antriebs kann das Drehmoment in dem Spannungswellengetriebe, beispielsweise das Drehmoment an dem elastisch verformbaren Übertragungsring, gemessen werden. Hierzu kann beispielsweise ein Drehmomentsensor an dem Übertragungsring des Spannungswellengetriebes angeordnet sein. Der Drehmomentsensor ist - wie auch der Übertragungsring - mechanischen Belastungen ausgesetzt, die Temperaturschwankungen hervorrufen. Diese Temperaturschwankungen verringern die Genauigkeit der Drehmomentmessung.
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DE 10 2018 124 685 A1 beschreibt eine Drehmomentmessvorrichtung für ein Spannungswellengetriebe. Diese umfasst eine Vielzahl von Dehnungssensoren gekoppelt mit einer Flexspline des Spannungswellengetriebes, wobei die Dehnungssensoren dazu ausgebildet sind, dehnende und/oder stauchende Verformungen zu erfassen und als Messsignale bereitzustellen, sowie eine Ausleseschaltung und eine Rechnereinrichtung, die ein neuronales Netzwerk umfasst und dazu ausgebildet ist, aus vorverarbeiteten Messsignalen unter Verwendung von maschinellem Lernen ein auf die Flexspline wirkendes Drehmoment zu berechnen.
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Die
DE 102 17 014 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung einer drehmomentgeregelten Antriebseinheit, wobei mit Hilfe eines mathematischen, eine Anzahl relevanter Betriebsparameter der Antriebseinheit berücksichtigenden Modells ein abtriebsseitiges Drehmoment berechnet wird, ein abtriebsseitig gemessenes Drehmoment mit dem berechneten Drehmoment verglichen wird, und bei Abweichen des Vergleichsergebnisses von einem vorgegebenen absoluten und/oder prozentualen Differenzwertbereich ein Warnsignal abgegeben und/oder die Antriebseinheit abgeschaltet wird.
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Die
DE 10 2020 101 424 B3 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von mindestens drei Dehnungsmessstreifen, die auf einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes aufgebracht sind und zur Messung eines auf das elastische Übertragungselement wirkenden Drehmomentes ausgebildet sind.
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Die
DE 11 2018 000 571 T5 beschreibt ein temperaturkompensiertes Verfahren zum Betreiben eines Roboter-Kraft- / Drehmoment-Sensors, umfassend das Erfassen von initialen Ausgaben von Dehnungsmessern. Das Erfassen von Ausgaben der Dehnungsmesser und der thermischen Sensoren, nachdem der Sensor eine Temperaturänderung erfahren hat; das Berechnen von Koeffizienten für eine Temperaturkompensationsgleichung pro Messer abhängig von den initialen Ausgaben und den Ausgaben nach der Temperaturänderung; das Kompensieren von jeder Dehnungsmesser-Ausgabe mittels der Temperaturkompensationsgleichung und das Kombinieren der temperaturkompensierten Ausgaben von allen Dehnungsmessern, um temperaturkompensierte Kraft- und Drehmoment-Werte zu bestimmen.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Bestimmung eines Drehmoments in einem Spannungswellengetriebe mit hoher Genauigkeit auch in hochdynamischen Betriebssituationen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments in einem Spannungswellengetriebe, insbesondere eines Drehmoments an einem Übertragungsring eines Spannungswellengetriebes,
wobei ein Drehmoment gemessen wird,
wobei ein Temperaturgradient in dem Spannungswellengetriebe bestimmt wird,
wobei in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturgradient eine erwartete Messabweichung des gemessenen Drehmoments ermittelt wird, und
wobei in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment und der erwarteten Messabweichung ein korrigiertes Drehmoment gebildet wird.
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Gemäß der Erfindung wird in dem Spannungswellengetriebe ein Temperaturgradient bestimmt, also ein örtlicher Verlauf der Änderung der Temperatur. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei hochdynamischen Belastungen in dem Spannungswellengetriebe schnelle Temperaturschwankungen auftreten, die sich nur lokal auswirken und damit Temperaturgradienten zwischen unterschiedlichen Komponenten des Spannungswellengetriebes erzeugen. Gemäß der Erfindung werden solche Temperaturgradienten bestimmt und herangezogen, um die erwartete Messabweichung bei der Drehmomentmessung zu ermitteln. Anhand dieser erwarteten Messabweichung kann dann ein korrigiertes Drehmoment gebildet werden. Folglich können hochdynamische Belastungen mit erhöhter Genauigkeit erfasst werden.
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Bevorzugt werden das Bestimmen des Temperaturgradients, das Ermitteln der erwarteten Messabweichung und das Bilden des korrigierten Drehmoments als computerimplementierte Verfahrensschritte durchgeführt. Beispielsweise können diese Verfahrensschritte auf einer dazu geeigneten Prozessoreinheit ausgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Messung des Drehmoments Dehnungen erfasst werden, insbesondere Dehnungen an dem Übertragungsring. Beispielsweise kann die Messung des Drehmoments mittels eines Sensors erfolgen, der mindestens einen, bevorzugt mehrere, Dehnungsmessstreifen oder einen magnetoelastischen Sensor umfasst. Alternativ kann der Sensor eine dehnungsempfindliche Schicht aufweisen, beispielsweise eine dehnungsempfindliche Beschichtung des Übertragungsrings.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass - zum Bestimmen des Temperaturgradienten - an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen des Spannungswellengetriebes eine Temperatur gemessen wird. Durch die Messung an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen kann der Temperaturgradient direkt bestimmt werden. Bevorzugt kann die Messung an drei oder mehr unterschiedlichen Positionen erfolgen. Zur Messung der Temperatur werden bevorzugt mehrere Temperatursensoren verwendet. Die unterschiedlichen Positionen sind insbesondere an zwei unterschiedlichen Elementen des Spannungswellengetriebes angeordnet, die ausgewählt sind aus einem Wellengenerator, einem elastisch verformbaren Übertragungsring und einem starren Außenring. Insofern kann an mindestens zwei dieser Elemente des Spannungswellengetriebes jeweils ein Temperatursensor angeordnet sein. Bevorzugt ist an allen diesen Elementen jeweils ein Temperartursensor angeordnet.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Drehzahl des Spannungswellengetriebes bestimmt wird und die Bestimmung des Temperaturgradienten mittels eines Belastungs-Temperatur-Modells in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment und der bestimmten Drehzahl erfolgt. Eine derartige indirekte Bestimmung des Temperaturgradienten ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Bauraum zum Anordnen eines Temperatursensors nicht vorhanden ist oder wenn der Temperatursensor an einem rotierenden Element des Spannungswellengetriebes vorgesehen werden soll. Das Belastungs-Temperatur-Modell kann durch eine mathematische Funktion beschrieben werden, die als Variablen zumindest das Drehmoment und die Drehzahl aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich eine Basis-Temperatur an einer Position des Spannungswellengetriebes, insbesondere mittels eines Temperatursensors, ermittelt wird und der Temperaturgradient mittels des Belastungs-Temperatur-Modells zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Basis-Temperatur ermittelt wird. Eine derartige Ausgestaltung bietet dem Vorteil, dass eine Bestimmung des Temperaturgradienten auch dann erfolgen kann, wenn nur ein einziger Temperatursensor in dem Spannungswellengetriebe vorgesehen ist. Das Belastungs-Temperatur-Modell kann in diesem Fall durch eine mathematische Funktion beschrieben werden, die als Variablen zumindest das Drehmoment, die Drehzahl und die Basis-Temperatur aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ermittlung der erwarteten Messabweichung mittels eines Fehlermodells in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment und dem ermittelten Temperaturgradienten erfolgt. Optional kann die erwartete Messabweichung zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Basis-Temperatur ermittelt werden. Das Fehler-Modell kann durch eine mathematische Funktion beschrieben werden, die als Variablen zumindest das Drehmoment, den Temperaturgradienten und optional die Basis-Temperatur aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Drehzahl mit einem Drehzahlsensor gemessen wird. Der Drehzahlsensor kann beispielsweise als Drehgeber ausgebildet sein.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Messung des Drehmoments Dehnungen erfasst werden, insbesondere Dehnungen an dem Übertragungsring, und die Drehzahl aus einem zeitlichen Verlauf der erfassten Dehnungen ermittelt wird. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine Messung der Drehzahl entbehrlich ist. So kann auf das Vorsehen eines Drehzahlsensors verzichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Drehzahl ein Vergleich eines aus dem zeitlichen Verlauf der Dehnungen erhaltenen Signals mit mindestens zwei vorgegebenen Schwellenwerten erfolgt. Die vorgegebenen Schwellenwerte können eine Einschalt- und eine Ausschaltschwelle definieren, so dass ein im Wesentlichen periodisches Eingangssignal, wie der zeitliche Verlauf der Dehnungen, eine Impulsfolge mit sich abwechselnden digitalen Werten „ein“ und „aus“ erzeugt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Drehzahl ein Arkussinus oder Arkuscosinus des zeitlichen Verlaufs eines aus dem zeitlichen Verlauf der Dehnungen erhaltenen Signals gebildet wird. Von dem auf diese Weise erhaltenen Ergebnis kann die zeitliche Ableitung gebildet werden, um eine Winkelgeschwindigkeit zu erhalten bzw. die Drehzahl abzuleiten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments in einem Spannungswellengetriebe, insbesondere eines Drehmoments an einem Übertragungsring eines Spannungswellengetriebes,
mit einem Sensor zum Messen eines Drehmoments,
mit einer Prozessoreinheit, die dazu eingerichtet ist,
einen Temperaturgradient in dem Spannungswellengetriebe zu bestimmen,
in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturgradient eine erwartete Messabweichung des gemessenen Drehmoments zu ermitteln, und
in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment und der erwarteten Messabweichung ein korrigiertes Drehmoment zu bilden.
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Bei der Vorrichtung können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
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Bei der Vorrichtung können auch die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen - allein oder in Kombination - Anwendung finden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zur Ermittlung des Belastungs-Temperatur-Modells, der Drehzahl und/oder des Drehmoments optional eine Look-Up-Table oder eine Methode der künstlichen Intelligenz, beispielsweise ein künstliches neuronales Netz oder ein Decision Tree, verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung von Temperaturgradienten in einem Spannungswellengetriebe;
- 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung;
- 3 ein Ablaufdiagramm eine Verfahrensschritts zur Bestimmung des Temperaturgradienten;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung mehrerer zeitlicher Drehmomentverläufe zur Erläuterung der Bestimmung der Drehzahl anhand eines Drehmomentverlaufs.
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In der 1 ist stark schematisiert ein Spannungswellengetriebe 10 dargestellt. Das Spannungswellengetriebe 10 umfasst einen starren Außenring 13 („circular spline“) mit Innenverzahnung, einen elastisch verformbaren Übertragungsring 12 („flexspline“) mit Außenverzahnung und einen Wellengenerator 11. Der Wellengenerator 11 wird durch eine ovale Scheibe gebildet, auf deren Umfang mehrere Wälzkörper angeordnet sind, die auf der Innenseite des Übertragungsrings 12 abrollen. Der flexible Übertragungsring 12 wird durch den Wellengenerator 11 mit dem Außenring 13 in Eingriff gebracht, wobei jeder individuelle Zahn des Übertragungsrings 12 während einer 180°-Drehung des Wellengenerators 11 aus einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Außenrings 13 herausbewegt wird und in die jeweils nachfolgende Lücke wandert. Auf diese Weise rotiert der Übertragungsring 12 relativ zum Außenring 13 in die, der Drehung des Wellengenerators 11 entgegengesetzte Richtung, wobei ein Drehmoment zwischen den beiden Ringen 12, 13 übertragen wird.
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An dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 ist ein Sensor angeordnet, mittels dem das auf den Übertragungsring 12 ausgeübte Drehmoment anhand erfasster Dehnungen gemessen wird. Der Drehmomentsensor umfasst einen oder mehrere Dehnungsmesstreifen, mit dem sich das anliegende Drehmoment über die dadurch verursachte Dehnung des Übertragungsrings 12 messen lässt und/oder eine dehnungsempfindliche Schicht.
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Der Darstellung in 1 ist ferner zu entnehmen, dass die einzelnen Komponenten 11, 12, 13 des Spannungswellengetriebes 10 unterschiedliche Temperaturen T1, T2, T3 aufweisen. Insofern ergeben sich im vorliegenden Beispiel zwei Temperaturgradienten T2-T1, T3-T2. Um die Genauigkeit der Drehmomentmessung an dem Übertragungsring 12 zu steigern ist es erforderlich, Veränderungen der Temperatur an dem Übertragungsring zu erfassen. Aufgrund der dargestellten Temperaturgradienten können Temperatursensoren, die an dem Wellengenerator 11 oder dem Außenring 13 angeordnet, die Temperatur T2 an dem Übertragungsring 12 nur unzureichend abbilden.
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Die Erfindung sieht daher zum Erreichen einer möglichst hohen Genauigkeit auch bei hochdynamischen Temperaturschwankungen vor, dass ein Temperaturgradient in dem Spannungswellengetriebe 10 bestimmt wird und in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturgradient eine erwartete Messabweichung des gemessenen Drehmoments ermittelt wird. Ein erstes Ausführungsbeispiel eine solchen Verfahrens ist in 2 dargestellt. Bei dem Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments in dem Spannungswellengetriebe 10, insbesondere des Drehmoments an dem Übertragungsring 12 des Spannungswellengetriebes 10 wird indirekt ein Drehmoment 207 mittels eines Sensors 205, insbesondere eines Dehnungsmessstreifens oder einer dehnungsempfindlichen Schicht, gemessen. Dabei wird in einem Berechnungsschritt 206 aus der Dehnung das Drehmoment 207 berechnet. Ferner wird ein Temperaturgradient 201 in dem Spannungswellengetriebe 100 bestimmt. In Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturgradient 201 wird eine erwartete Messabweichung 204 des gemessenen Drehmoments 207 ermittelt. In Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment 207 und der erwarteten Messabweichung 204 wird dann ein korrigiertes Drehmoment 208 gebildet.
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Die erwarteten Messabweichung 204 wird mittels eines Fehlermodells 203 ermittelt, dem als Eingangswerte das gemessene Drehmoment 207 und der ermittelte Temperaturgradient 201 zugeführt werden. Optional kann zu Ermittlung der erwarteten Messabweichung 204 zusätzlich eine Basis-Temperatur 202 als Eingangswert herangezogen werden, die beispielsweise mit einem Temperatursensor, z.B. an dem Wellengenerator 11 oder dem Außenring 13, gemessen wird.
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Zum Bestimmen des Temperaturgradienten 201 ist es denkbar, dass an zwei oder drei unterschiedlichen Positionen des Spannungswellengetriebes 10 eine Temperatur gemessen wird. Diese unterschiedlichen Positionen können beispielsweise an zwei oder drei unterschiedlichen Elementen des Spannungswellengetriebes 10 angeordnet sein, wie beispielsweise dem Wellengenerator 11, dem elastisch verformbaren Übertragungsring 12 und dem starren Außenring 13.
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Um auf solche Temperatursensoren verzichten zu können wird der Temperaturgradient bevorzugt wie in 3 gezeigt bestimmt. Dabei wird eine Drehzahl des Spannungswellengetriebes 10 bestimmt, beispielsweise eine Drehzahl des Wellengenerators 11 oder des Außenring 13 und die Bestimmung des Temperaturgradienten 201 erfolgt mittels eines Belastungs-Temperatur-Modells 302 in Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment 207 und der bestimmten Drehzahl 301. Optional kann zusätzlich eine Basis-Temperatur 202 an einer Position des Spannungswellengetriebes 10 ermittelt werden, beispielsweise mittels eines Temperatursensors. In diesem Fall wird der Temperaturgradient 201 mittels des Belastungs-Temperatur-Modells 302 zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Basis-Temperatur 202 ermittelt.
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Die zur Ermittlung des Temperaturgradienten 201 herangezogene Drehzahl 301 kann grundsätzlich mit einem Drehzahlsensor gemessen werden. Hierzu kann beispielsweise ein elektrooptischer oder ein magnetischer Drehzahlsensor zur Anwendung kommen. Der Drehzahlsensor kann die Drehzahl des Wellengenerators 11 oder des Außenrings 13 messen.
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Um auf eine Drehzahlmessung verzichten zu können, kann das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Verfahrens Verwendung finden. Hierbei wird die Drehzahl 301 aus einem zeitlichen Verlauf 401 der dem gemessenen Drehmoment zugrunde liegenden Dehnung 205 ermittelt wird. Die Ermittlung der Drehzahl 301 aus einem solchen Verlauf 401 soll anhand der Darstellung in 5 näher erläutert werden. Die Signale A und B stellen dabei Dehnungssignale zweier Dehnungsmessstreifen dar. Dies Signale A und B sind abhängig von der Winkelposition des Wellengenerators 11 sowie abhängig vom übertragenen Drehmoment. Das Drehmoment kann eliminiert werden, indem die Differenz C= A-B gebildet wird. Das Signal C ist ein sinusähnliches Signal mit der doppelten Drehzahl des Wellengenerators 11. Aus diesem Signal kann durch unterschiedliche Maßnahmen das Drehzahlsignal D gewonnen werden. Beispielsweise kann zur Ermittlung der Drehzahl D ein Vergleich des Signals C mit zwei vorgegebenen Schwellenwerten S1, S2 erfolgen. Alternativ kann zur Ermittlung der Drehzahl D ein Arkussinus oder Arkuscosinus des zeitlichen Verlaufs des aus dem zeitlichen Verlauf der Dehnungen A, B erhaltenen Signals C gebildet und die zeitliche Ableitung des so erhaltenen Signals gebildet werden.
