DE10334710A1 - Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments einer Welle - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erfassung des von einem Motor abgegebenen Drehmoments wird zunächst als Referenzsignal ein Messsignal eines Drehmomentsensors (4, 5) in Abhängigkeit von einem durch einen Winkelsensor (3) gemessenen Wellenwinkel einer vom Motor angetriebenen Welle (1) erfasst und gespeichert, ohne dass ein Drehmoment auf die Welle (1) wirkt. Dieses Referenzsignal wird winkelabhängig von einem Messsignal des Drehmomentsensors (4, 5) abgezogen, das bei einem auf die Welle (1) wirkenden Drehmoment in Abhängigkeit des Wellenwinkels gemessen wurde. Aus dem resultierenden Signal wird das Drehmoment ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments mit einem Drehmomentsensor und eine Drehmomentsensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens.
• Die Ausgangsgröße eines Motors ist sein Drehmoment. Drehmomente von Fahrzeugmotoren werden derzeit nur bei Motoren im Test im Zusammenhang mit Motorprüfständen gemessen. Die Verwendung von Drehmomentsensoren im normalen Betrieb der Fahrzeuge ist bislang nicht bekannt.
• An Prüfständen werden Drehmomente mit Hilfe von Drehmomentsensoren bestimmt. Diese Sensoren basieren in der Regel auf Torsionswellen, die extern in den Antriebsstrang eingebaut werden. Diese Sensoren beanspruchen zusätzlichen Bauraum und können, da sie nach der Schwungmasse eingebaut sind, nur ein Summendrehmoment aufnehmen. Es ist ihnen nicht möglich, das Drehmoment der einzelnen Zylinder des Motors aufzulösen und zu bestimmen. Der Einbau von Torsionswellen im Bereich der Kurbelwelle ist aus Platz- und Kostengründen nicht möglich. Da es derzeit nicht bekannt ist, Drehmomentsensoren für den ständigen Betrieb eines Fahrzeugs zu verwenden, ist eine Rückführung des Drehmoments und damit eine Regelung des Motors aufgrund des Drehmoments nicht möglich. Derzeit wird nur das vom Motor abgegebene Drehmoment entsprechend dem Fahrerwunsch berechnet; der Motor dadurch gesteuert aber nicht geregelt.
• Aus der DE 100 38 767 C1 ist ein magnetostriktiver Drehmomentmessfühler zur Messung der Torsion von belasteten Wellen bekannt. Der magnetostriktive Drehmomentmessfühler weist eine solenoidförmige Spulenanordnung auf, die auf die zu messende Welle aufschiebbar ist und aus mindestens einer ersten und einer zweiten Messspule besteht. Die Spulenanordnung weist außerdem ein ringförmiges magnetisches Joch auf, das die Spulenanordnung an ihrem äußeren Umfang umfasst, zur Ausbildung von zwei magnetischen Kreisen zwischen jeder der beiden Messspulen und der zu messenden Welle. Weiterhin sind Flussführungsmittel vorgesehen, die zur Aufteilung des magnetischen Flusses der magnetischen Kreise in einen Anteil in Richtung der Druckspannungskomponente und einen Anteil in Richtung der Zugspannungskomponente dienen, so dass die Flussführungsmittel integraler Bestandteil des Drehmomentmessfühlers sind und die erste Messspule die Druckspannungskomponente in der Welle erfasst und die zweite Messspule die Zugspannungskomponente in der Welle erfasst. Die Flussführungsmittel bestehen aus ferritischen oder anderen den magnetischen Fluss leitenden Materialien.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem das auf eine Welle wirkende Drehmoment ohne große bauliche Veränderungen eines Motors bestimmt werden kann und eine entsprechende Drehmomentsensoranordnung bereitzustellen.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem zunächst ein von einem Wellenwinkel der Welle abhängiges Referenzsignal ohne auf die Welle wirkendes Drehmoment, d.h. bei unbelasteter Welle, erfasst und abgespeichert wird und das Referenzsignal mit einem bei auf die Welle wirkendem Drehmoment, d.h. bei belasteter Welle, winkelabhängig gemessenen Messsignal des Drehmomentsensors winkelgenau in Beziehung gesetzt wird, insbesondere von diesem subtrahiert wird.
• Dieses Verfahren ermöglicht die ständige Erfassung eines Drehmoments, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors im Betrieb. Das Signal, das durch die Subtraktion des Referenzsignals vom Messsignal erhalten wird, gibt das reale Drehmoment wieder. Dieses kann durch eine geeignete Regeleinrichtung dem Motor wieder zugeführt werden, so dass der Motor geregelt werden kann. Der Motor kann dabei jederzeit so geregelt werden, dass er im optimalen Betriebspunkt arbeitet. Unbekannte Einflussgrößen wie Fertigungsstreuung, Kraftstoffqualität, Alter, Temperatur, etc. können ausgeregelt werden. Sauberkeit, Effizienz, Kraftstoffersparnis, Rundlauf, Überwachung, Lebensdauer, Dynamik und Kraftentfaltung können durch das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich gesteigert werden, da eine Rückführung des Drehmoments als wesentliche Ausgangsgröße des Motors ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da es ohne bauliche Veränderung der Welle eingesetzt werden kann. An der Welle sind keine zusätzlichen Markierungen oder Flussführungsmittel notwendig, da das Referenzsignal winkelabhängig ohne Drehmoment erfasst wird. Das Referenzsignal gibt den Verlauf des Messsignals ohne Drehmoment über den Wellenwinkel an. Die Messung mit einem Drehmoment erfolgt in Verbindung mit der Messung des Wellenwinkels, so dass das Referenzsignal winkelabhängig vom Messsignal abgezogen werden kann.
• Vorteilhafterweise wird das Referenzsignal abgespeichert. Insbesondere wird das Referenzsignal in Abhängigkeit des Wel lenwinkels abgespeichert. Bei der Verwendung des Verfahrens in einem Motor wird vorzugsweise der Kurbelwellenwinkel abgespeichert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch in Verbindung mit anderen Wellen, wie der Getriebewelle, dem Schwungrad, einer Kardanwelle oder einer Radantriebswelle einsetzbar.
• Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Drehmoment nach dem magnetoelastischen Prinzip ermittelt wird. Dazu ist vorzugsweise die Welle aus ferromagnetischen Materialien gefertigt, deren Permeabilität von der mechanischen Spannung abhängig ist. Bei einem an der Welle wirkenden Drehmoment steht die Welle unter einer mechanischen Spannung, so dass sich der magnetische Fluss verändert. Diese Veränderung kann durch den Drehmomentsensor berührungslos erfasst werden. Als Kurbelwellen in Kraftfahrzeugmotoren werden üblicherweise Wellen aus ferromagnetischem Material verwendet. Um auf eine Präparation der Welle verzichten zu können, muss der fertigungs- und materialbedingte Einfluss der Welle auf den Drehmomentsensor kompensiert werden. Aus diesem Grund wird das Referenzsignal aufgenommen und abgespeichert, das den Verlauf des Messsignals über den Kurbelwellenwinkel angibt, ohne dass ein Drehmoment vorhanden ist. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass das Referenzsignal aufgenommen wird, wenn die Kupplung des Kraftfahrzeugs getreten ist. Die Aufnahme des Referenzsignals erfolgt in Verbindung mit dem Kurbelwellenwinkelsensor und einer entsprechenden Signalverarbeitungseinheit.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn das Drehmoment von einem zweiten Drehmomentsensor winkelversetzt erfasst wird. Sind an der Welle Unstetigkeiten, wie z.B. Bohrungen zur Schmierung, vorgesehen, so kann dies die Aufnahme durch den Drehmomentsensor stören. Passiert eine solche Unstetigkeit den Drehmo mentsensor, kann das Drehmoment nicht richtig erfasst werden. Um auch für diese Zei-tpunkte ein verlässliches Drehmomentsignal zu erhalten, ist der zweite Drehmomentsensor winkelversetzt angeordnet, so dass immer ein verlässlicher Messsignalwert zur Verfügung steht.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird winkelabhängig das Messsignal eines der Sensoren einer Regelung des Drehmoments zugrunde gelegt. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass immer ein ungestörtes Messsignal zur Verfügung steht, mit dem der Motor geregelt werden kann. Es kommt immer derjenige Drehmomentsensor zum Einsatz, der gerade ungestört ist.
• Die Erfindung betrifft außerdem eine Drehmomentsensoranordnung zur Erfassung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments, umfassend mindestens einen Drehmomentsensor, wobei der Drehmomentsensor im Lager der Welle, insbesondere im abgangsseitigen Lager einer Kurbelwelle, angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird der Drehmomentsensor Platz sparend angeordnet. Für den Drehmomentsensor muss kein weiterer Bauraum vorgesehen werden. Die Dimension des Motors kann unverändert bleiben. Die Unterbringung des Drehmomentsensors im Lager der Welle besitzt weiterhin den Vorteil, dass der Drehmomentsensor leicht zu wechseln ist und dass kein Wellenschlag auftreten kann. Außerdem kann der Drehmomentsensor sehr nahe an der Welle, nur durch einen sehr kleinen Spalt von der Welle getrennt, positioniert werden. Da bei der Anordnung im Lager in der Regel kein Wellenschlag auftritt, bleibt der Luftspalt zwischen dem Drehmomentsensor und der Welle weitestgehend unverändert, so dass eine genaue Messung sichergestellt ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass durch diese Anordnung des Drehmomentsensors das Drehmoment für die einzelnen Zylinder eines Motors aufgelöst und bestimmt werden kann. Dadurch wird eine zylinderindividuelle Regelung des Drehmoments ermöglicht.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Drehmomentsensor in der Lagerschale des Lagers eingebaut. Durch diese Maßnahme kann der Drehmomentsensor besonders nahe an der Welle angeordnet werden.
• Vorteilhafterweise ist ein zweiter Drehmomentsensor winkelversetzt zum ersten Drehmomentsensor im Lager angeordnet. Insbesondere, wenn der Drehmomentsensor zur Messung des Drehmoments einer Kurbelwelle eines Motors verwendet wird, ist diese Anordnung vorteilhaft. Innerhalb des Lagers weist die Welle eine Bohrung zur Schmierung auf. Diese Bohrung verfälscht das Messsignal. Der zweite, winkelversetzt angeordnete Drehmomentsensor kann immer dann die Messung des Drehmoments übernehmen, wenn der erste Drehmomentsensor durch die Bohrung gestört wird. Winkelabhängig kann zwischen den beiden Drehmomentsensoren hin- und hergeschaltet werden, wobei immer derjenige zum Einsatz kommet, der gerade ungestört ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Wellenwinkelsensor und eine Signalverarbeitungseinheit zur Erfassung eines winkelabhängigen Referenzsignals und eines winkelabhängigen gemessenen Messsignals des mindestens einen Drehmomentsensors vorgesehen. Diese Maßnahme ermöglicht es, das Referenzsignal, das ohne Drehmoment aufgenommen wird, in Abhängigkeit vom Wellenwinkel aufzunehmen. Durch das Referenzsignal kann der fertigungs- und materialbedingte Einfluss der Welle auf den Drehmomentsensor kompensiert werden. Das Referenzsignal entspricht dabei einem winkelabhängigen Wert, der ohne Drehmoment ausgegeben wird. Im Betrieb wird dieses Signal winkelabhängig vom Messwert des Drehmomentsensors subtra hiert, und man erhält den wahren Messwert. Das Referenzsignal stellt daher eine Art Offset dar.
• Wenn der Drehmomentsensor eine Erregerspule und mindestens zwei Sensorspulen umfasst, kann das Drehmoment besonders einfach nach dem magnetoelastischen Prinzip erfasst werden.
• Vorzugsweise ist der Strom der Erregerspule geregelt. Durch diese Maßnahme können Variationen im Abstand zwischen der Erregerspule und der Welle kompensiert werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehmomentsensor eine Leiterplatte mit geätzten Erreger- und Sensorspulen umfasst. Dies erlaubt es, den Drehmomentsensor in Mikrosystemtechnik auszuführen bzw. herzustellen. Dadurch kann der Drehmomentsensor in einer besonders geringen Einbaugröße hergestellt werden.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn der Drehmomentsensor eine ferromagnetische Rückwand aufweist. Durch eine ferromagnetische Rückwand kann die Einkopplung in die Welle verstärkt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung können bei den verschiedensten Anwendungen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, Verwendung finden. Beispielsweise seien genannt die Motordiagnose, die Motorsteuerung und Motorregelung, die Steuerung von Automatikgetrieben, die Leistungsmessung, Fahrdynamik-Regelsysteme, Stabilisierungssysteme, die Messung des Lenkmoments, die Messung der Beladung und die Radantriebssteuerung.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 ein stark schematisierte Blockdarstellung zur Erläuterung der Erfindung; und
• 2 einen stark schematisierten Querschnitt durch das Lager einer Welle.
• Die 1 zeigt eine als Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors ausgebildete Welle 1, die in einem Lager 2 drehbeweglich angeordnet ist. Über einen als Kurbelwellenwinkelsensor ausgebildeten Winkelsensor 3 kann der Wellenwinkel der Welle 1 erfasst werden. Im Lager 2 sind ein erster und ein zweiter Drehmomentsensor 4, 5, die nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeiten, angeordnet. Die Drehmomentsensoren 4, 5 erzeugen und erfassen einen magnetischen Fluss durch die Welle 1. Wenn ein Drehmoment auf die Welle 1 wirkt, ändert sich der magnetische Fluss und damit die an die Signalverarbeitungseinheit 6 abgegebenen Messsignale. Um das bzw. die Messsignale interpretieren zu können, wird zunächst ein Messsignal eines oder beider Drehmomentsensoren 4, 5 zeitgleich mit dem Signal des Winkelsensors in der Signalverarbeitungseinheit 6 erfasst und abhängig vom Wellenwinkel im Speicher 7 als Referenzsignal abgelegt. Wenn ein Drehmoment auf die Welle 1 wirkt, werden die Messsignale durch die Signalverarbeitungseinheit 6 in Abhängigkeit vom von dem Winkelsensor 3 gemessenen Wellenwinkel erfasst und wird vom jeweiligen Messsignal das gespeicherte Referenzsignal winkelabhängig subtrahiert. Aus dem resultierenden Signal wird in einer Drehmomentbestimmungseinheit 8 das auf die Welle 1 wirkende Drehmoment ermittelt. Durch Anlegen eines Wechselstroms an eine Erregerspule wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in die zu messende Welle 1 eingekoppelt wird. An den Sensorspulen wird dann das durch das Material geführte magnetische Feld wieder ausgekoppelt und eine elektrische Spannung in diesen Spulen induziert. Diese Spannung wird gemessen. Durch die Torsion der Welle 1 wird der magnetische Fluss innerhalb der Welle 1 beeinflusst, so dass eine Spannungsänderung an den Spulen messbar ist, welche als Maß für das Drehmoment dient. Dabei wird zur Ermittlung des Drehmoments jeweils das Messsignal desjenigen Drehmomentsensors 4, 5 verwendet, der ein ungestörtes Messsignal liefert. Das ermittelte Drehmoment wird einer Regeleinheit 9 zugeführt, in der aus dem gemessenen Drehmoment M_g und dem vorgegebenen Drehmoment M₀ eine Regelgröße M ermittelt wird, mit der der die Welle 1 antreibende Motor geregelt wird.
• In der 2 ist schematisch ein Querschnitt durch das Lager 2 der Welle 3 gezeigt. Der obere Teil des Lagers 2 wird durch das Zylindergehäuse 15 gebildet. An das Zylindergehäuse 15 ist von unten das untere als Lagerschale ausgebildete Lagerteil 16 über Schrauben 17, 18 angeschraubt. Die Welle 1 dreht sich in Pfeilrichtung 19. Entlang ihres Umfangs sind der erste und zweite Drehmomentsensor 4, 5 winkelversetzt bezogen auf die Rotationsachse der Welle 1 angeordnet. Die Welle 1 weist eine Bohrung 20 zur Schmierung auf. Diese Bohrung 20 verfälscht das Messsignal der Drehmomentsensoren 4, 5, die über Signalleitungen 21, 22 mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden sind. Die Drehmomentsensoren 4, 5 sind so angeordnet, dass immer wenigstens einer ein ungestörte Messsignal liefert.
• Bei einem Verfahren zur Erfassung des von einem Motor abgegebenen Drehmoments wird zunächst als Referenzsignal ein Messsignal eines Drehmomentsensors (4, 5) in Abhängigkeit von einem durch einen Winkelsensor (3) gemessenen Wellenwinkel einer vom Motor angetriebenen Welle (1) erfasst und gespeichert, ohne dass ein Drehmoment auf die Welle (1) wirkt. Dieses Referenzsignal wird winkelabhängig von einem Messsignal des Drehmomentsensors (4, 5) abgezogen, das bei einem auf die Welle (1) wirkenden Drehmoment in Abhängigkeit des Wellenwinkels gemessen wurde. Aus dem resultierenden Signal wird das Drehmoment ermittelt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung des auf eine Welle (1) wirkenden Drehmoments mit einem Drehmomentsensor (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein vom Wellenwinkel der Welle (1) abhängiges Referenzsignal ohne auf die Welle (1) wirkendes Drehmoment erfasst und abgespeichert wird und anschließend das Referenzsignal mit einem bei auf die Welle (1) wirkendem Drehmoment winkelabhängig gemessenen Messsignal des Drehmomentsensors (4, 5) winkelgenau in Beziehung gesetzt wird, insbesondere von diesem subtrahiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment nach dem magnetoelastischen Prinzip ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment von einem zweiten Drehmomentsensor (4, 5) winkelversetzt erfasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass winkelabhängig das Messsignal einer der Drehmoment sensoren (4, 5) einer Regelung des Drehmoments zugrunde gelegt wird.
5. Drehmomentsensoranordnung zur Erfassung eines auf eine Welle (1) wirkenden Drehmoments umfassend mindestens einen Drehmomentsensor (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (4, 5) im Lager (2) der Welle (1), insbesondere im abgangsseitigen Lager einer Kurbelwelle, angeordnet ist.
6. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (4, 5) in der Lagerschale des Lagers (2) eingebaut ist.
7. Drehmomentsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Drehmomentsensor (4, 5) winkelversetzt zum ersten Drehmomentsensor (4, 5) im Lager (2) angeordnet ist.
8. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenwinkelsensor (3) und eine Signalverarbeitungseinheit (6) zur Erfassung eines winkelabhängigen Referenzsignals und eines winkelabhängigen gemessenen Messsignals des mindestens einen Drehmomentsensors (4, 5), vorgesehen sind.
9. Drehmomentsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (4, 5) eine Erregerspule und mindestens zwei Sensorspulen umfasst.
10. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Erregerspule geregelt ist.
11. Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (4, 5) in Mikrosystemtechnik ausgeführt ist und eine Leiterplatte mit geätzten Erreger- und Sensorspulen umfasst.
12. Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (4, 5) eine ferromagnetische Rückwand aufweist.