DE1623817A1

DE1623817A1 - Vorrichtung zum Messen von Winkeldifferenzen

Info

Publication number: DE1623817A1
Application number: DE19671623817
Authority: DE
Inventors: Kihlberg Gunnar Axel; Bystroem Karl Erik Olof
Original assignee: Jungner Instrument AB
Current assignee: Jungner Instrument AB
Priority date: 1966-03-16
Filing date: 1967-03-16
Publication date: 1972-02-10
Also published as: US3505865A; SE321811B; GB1182361A

Description

SvenskaAckumulatöx Aktiebolaget Jungner in Stockholm

(Schweden) _v

Vorrichtung zum Messen von Winkeldifferenzen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Winkeldifferenzen,; bestehend aus zwei induktiven Gebern/ von denen jeder mit einem ^ Zahnrad oder ähnliehen Einrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit der Winke!position des entsprechenden Zahnrades zusammenarbeitetj ferner aus einer mit den beiden Gebern verbundenen Vergleichseinheit zur Bestimmung des Unterschiedes zwischen den beiden Ausgängssignalen mit Bezug auf eine vorher festgelegte Größe.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht^ daß jeder deilbeiden Geber Einrichtungen zum Erzeugen je eines Spannungsvektors aufweisen, dessen Winkel von der Winkelposition des damit zusammenwirkenden Zahnrades abhängt, und zwar unabhängig davon, ob das besagte Zahnrad feststeht oder sich in drehender Bewegung befindet, und ferner daß die Vergleichseinheit zum -Messen- der Winkeidifferenz zwischen

den von den beiden Gebern erzeugten Spannungsvektoren ausgebildet ist.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß jeder Geber aufweist;

a) Einrichtungen zum Erzeugen von zwei Wechselspannungen von der Arts

U₁ =. k· U sin CO t · cos (q . ß) und

a ■

U₂ » k· U sin W t · sin (q · ß), wobei q die Anzahl der Zähne des mit dem Geber zusammenarbeitenden Zähnrades und ß seine Winkelposition ist, und

b) Einrichtungen zum Kombinieren dieser Spannungen in einen kombinierten Spannungsvektor.

Ein speziell interessantes Anwendungsgebiet einer Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich dadurch^ daß zum Messen eines Drehmomentes auf einer Welle, die zwei Zahnräder auf einer Welle in einem festgelegten axialen Abstand zueinander feefestigt sind«

Mit Bezug auf das oben erwähnte Anwendungsgebiet ist es vorteilhaft,. daß die Vergleichseinheit so ausgelegt ist, daß das erzeugte elektrische Äusgangssigaal zur Winkeldifferenz zwischen den von den zwei Gebern erzeugten Spannungsvektoren und damit dem Drehmoment auf der Welle proportional ist„Aufgrund dieser Vorrichtung ist es

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deshalb möglich, direkt die Drehmomentsgröße auf der Welle zu messen. .:

Eine Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung, _: kann ferner so ausgelegt sein, daß direkt die auf der Welle übertragene Leistung gensessen werden kann», Dies wird dadurch erreicht, daß der Vergleichseinheit eine der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle proportionale Spannung zugeleitet ist, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt Wird, das zur Wellendrehungszahl und dem Wellendrehmoment,¹ ti. h. zu der auf der Welle übertragenen Leistung proportional ist.

Die Erfindung mit weiteren Äusführungsformen soll in dem Folgenden genauer beschrieben werden^ wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in welchen: \ . " ,

Fig. 1 ein ppinzipschaltbild einer Ausführungshornim Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Messen des Dreh-. momeht.es. auf einer Welle ist;

Fig. 2 eine seitliche Ansicht des Eisenkernreines induktiven Geberelementpaares und die in dessen Nähe liegenden Teile des Zahnrades ist;

Fig. 3 und 4 Prinzipschältbilder sind, die zwei verschiedene Äusführungsf ormeh der Geber für die in Fig. 1

- -' ■...■■■:■ BAD

109807/0394 . ₄.

dargestellte Vorrichtungj

Fig. 5 ein .Prinzipschaltbild einer Einrichtung zum Messen von Winkeldifferenzen ist, wobei besagte Einrichtung ein Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist,und

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Welle, auf welcher zwei Zahnräder 2 und 3 befestigt sind und welche in axialer Richtung in einem Abstand L voneinander entfernt sind» In der Nähe jedes Zahnrades ist je ein Paar induktiver Geberelemente 4,5 und 6,7 angebracht. Jedes dieser Paare kann entweder aus zwei Geberelementen, die in einer einzigen Einheit zusammengefaßt sind, oder aus zwei voneinander getrennten Geberelementen bestehen. Die Geberelemente bestehen aus Eisenkernen mit Zähnen, die den Zahnrädern gegenüberstehen, ferner primär- und Sekundärwicklungen, die auf besagten Kernen angebracht sind. Die primären Wicklungsanschlüsse der Geberelemente sind mit einer gemeinsamen Klemmleiste a verbunden, die wiederum mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist. Die Sekundärwicklungen der Geberelemente 4 und 5 sind mit den Eingangsklemmen des Phasenschieberelements 8, die Sekundärwicklungen der Gebereiemente 6 und 7 mit den Eingangsklemmen des Phasenschieberelements 9 verbunden.

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Die Ausgänge der zwei Phase nschiebere leine ate 8 und 9 sind mit den entsprechenden Eingangsklemmen des Winkelabweiehmeßelements 10 verbunden, welches die benötigte Versorgungsspannung über eine Klemmleiste b erhält, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist,

meß/ Ferner ist der Ausgang des Winkelabweicheelements 10

mit der Ausgangsklemraleiste c verbunden.

Die Funktionsweise dieser Vorrichtung soll nun genauer beschrieben werden. Es soll zu Beginn angenommen werden, daß die Welle feststeht und einem Drehmoment M ausgesetzt ist. Dieses Drehmoment gibt der Welle 1 eine leichte Verdrehung, was zu einer Winkelverschiebung zwischen den beiden Zahnrädern 2 und 3 führt. In Fig. 1 ist der entsprechende Winkel mit ψ bezeichnet. Die relative Winke !verschiebung der Zahnräder gegeneinander wird von den induktiven Geberelementen 4,5,6 und 7 abgetastet. Die Geberelemente sind so ausgelegt, daß, wenn die Primärwicklungen mit einer Wechselspannung der folgenden Form beschickt werden

U = U sin 6Ot,

in den Sekundärwicklungen besagter Geberelemente Wechselspannungen auftreten, deren Amplituden sinusförmig von der Winkelposition des betreffenden Zahnrades abhängen. Genauer gesagt, die Geberelemente sind so konstruiert, daß die Amplitude der induzierten Spannung in der Sekundärwicklung während der Winkelverschiebung des Zahn-

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rades um eine Zahnbreite von einem maximalen auf einen minimalen Wert absinkt und wieder auf den maximalen Wert zunimmt.

Die Geberelemente innerhalb jedes Paares, 4,5 und 6,7 sind so ausgelegt, daß ihre Ausgangsspannungen U₁ und U₂ den folgenden Gleichungen genügen:

IL = k · U * sin COt · cos (q · ß) und

U₂ = k · U · sin ü) t · sin (q · β) ,

wobei q die Zahl der Zahn© des entsprechenden Zahnrads und ß die Winke!position des besagten Zahnrades ist.

Innerhalb der Phasenschieberelemente 8 und 9, die mit den entsprechenden Geberelementen 4,5 und 6,7 verbunden sind, werden die Spannungen IL und U„ überlagert. Der daraus resultierende Spannungssektor U_f ist deshalb von der folgenden Forms

u_f = Jc₁ . u . sis ω% - e^J(q · ^{ß + θ}>»

wobei Θ eine Konstante ist, die von dem Phasenschieberelement abhängt.

Da aufgrund des auf die Welle 1 wirkenden Drehmoments die beiden Zahnräder 1 und 2 relativ zueinander um einen Winkel *f verdreht sind, sind die von den Phasenschieberelementen 8 und 9 eizeugten Spannungsvektoren U und U-

Ά D

von der folgenden Form:

BAD ORIGINAL 109887/039* - 7 -

• U * sin tut · e^^q*^ßo * ^θ* und

wobei 0 die Winkelkoordinate des Zahnrads 2 ist

Die Winkelverschiebung'zwischen den zwei Vektoren wird von dem Meßeleinent IO ermittelt, das, wenn es mit einer Gleichspannung U_ versorgt wird, eine Ausgangsspannußg der folgenden Größe abgibt·

aus ⁼ s * ""ϊΓΤ/p

Es kann in sehr einfacher Weise gezeigt werden, daß diese Spannung proportional zu dem auf dem der Welle 1 wirkenden Drehmoment M ist» Aufgrund eines bskaaaten Gesetzes besteht die Beziehung;

wobei G der Scheermodul der Welle 1 und I das Winke1-

moment bzw» das Trägheitsmoment der Welle 1 ist. Daraus folgt, daß

^üaus ⁼ -S . M = k₀ .' M.

2'T - G. · I *

Sobald die Welle 1 in Rotation versetzt ist, treten in dem elektrischen System zusätzliche Spannungsänderungen auf, die inter alia einen Frequenzwechsel der den Pha senschieberelementen zugeführten Spannungen erwirken. Aufgrund der Tatsache, daß diese Spannungs- und .

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Frequenzwechsel innerhalb der beiden Geberelemente 4,5 und 6,7 bzw« den Phasenschieberelementen 8 und 9 identisch sind und entsprechend dem Zahnablauf der Zahnräder 2 und 3 erfolgen, ist das Meßergebnis unbeeinflußt von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle

Durch Zuführung einer der Umdrehungszahl proportionalen Spannung an das Meßelement 10 entsteht ferner die Möglichkeit ρ daß besagtes Meßelement 10 eine Ausgangsspannung aufweist, die direkt proportional zur Umdrehungszahl der Welle, multipliziert mit dem darauf übertragenen Drehmoment ist. Dies entspricht der auf der Welle übertragenen Leistung.

Hinsichtlich der Geberelemente 4,5,6,7, die mit den Zahnrädern 2 und 3 zusammenwirken, ist schon festgestellt worden, daß jedes Paar dieser Elemente aus zwei vollkommen getrennten Elementen oder aus einer integrierten Einheit bestehen kann. Wenn die Geberelemente aus zwei verschiedenen Einheiten bestehen, ergibt sich daraus der Vorteil, daß hinsichtlich der Symmetrie, der Amplitudenähnlichkeit und der Orthogonalität jedes Paar von Geberelementen in sehr einfacher Weise einreguliert werden kann. Jedoch können die gewünschten charakteristischen Merkmale auch bei integrierten Geberpaaren erreicht werden, solange die für diesen Zweck

109887/0394 " ^mu' original

notwendige Herstellungsgenauigkeit gewährleistet ist.

Fig, 2 zeigt eine Darstellung des Eisenkerns eines Geberelementpaares, in diesem Fall besteht der Eisenkern 11 aus einem laminierten Blechmetall, welches einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und auf seiner dem Zahnrad 2 gegenüberliegenden Seite mit Zähnen 12 versehen ist. Ferner sind daran Schlitze 13 vorgesehen, die zur Aufnahme der Wicklungen der Geberelemente dienen. Die Zahl der Zähne am

beiden/
Kern 11 der Geber sollte gegenüber der Anzahl der Zähne des entsprechenden Segments des Zahnr^ades 2 verschieden sein. Gemäß der Ausführung von Fig. 2 entsprechen 8 Zähne am Kern eines Gebers 7 Zähnen auf dem Zahnrad 2. Die Zähne müssen so ausgeführt sein, daß sie einen sinoidalen Spannungsverlauf in der Sekundärwicklung der Geberelemente 4^5,6,7 in Abhängigkeit einer Winke!veränderung der Zahnräder 2,3 hervorrufen, wobei eine Amplitudenschwingung einer Winkelveränderung

3ßO°
des Zahnrades von --.» entspricht, wobei q der Anzahl

<i
der Zähne auf dem Zahnrad 2,3 entspricht.

Die Wicklungen der Geber, wie sie in Fig. 3dargestellt sind, bestehen aus einer Primärwicklung 14, die für beide Geberelemente 4?5,6-7 gemeinsam ist und die an eine Viechse lspannungsque He gelegt ist, ferner aus

10988770394 " ^%° "

- IO -

zwei Sekundärwicklungen 15 und 16, in welchem zwei Spannungen induziert werden, die räumlich 90° auseinanderliegen, seitlich jedoch in Phase zueinander sind. Diese Spannungen werden an ein Phasenschieberelement 8,9 geleitet, welches aus einem Widerstand und einem Kondensator 18 besteht und in welchem besagte Spannungen zu einem Kombinationsspannungsvektor überlagert werden, der eine Richtung bzw. einen Winkel aufweist, der durch die räumliche Lage des mit den zwei Geberelementen zusammenwirkenden Zahnrades bestimmt ist.

Einen solchen Spannungsvektor kann man auch mit einem Geber erhalten, bei dem das Phasenschieberelement eingangsseitig mit den Geberwicklungen verbunden ist. Fig. 4 zeigt einen Geber dieser Art. In diesem Fall ^x besitzt der Geber zwei elektrisch orthogonal zueinanderliegende Primärwicklungen 19 und 20 und eine einzige Sekundärwicklung 21, die für beide Geberelemente gemeinsam ist. Die Spannung, die an die Primärwicklungen gelegt ist, fließt ±n diesem Fall auch durch das Phasenschieberelement, welches eingangsseitig an die Primärwicklungen 19 und 2O gelegt ist und welches zwei Widerstände 22, 23 und zwei Kondensatoren 24, 25 aufweist, wodurch die Spannungen an den Primärwicklungen eine Phasenverschiebung von 90° gegeneinander erhalten.

Das Winkelabweichmeßelement, das mit der Bezugsziffer

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BAD ORiGJNAL

in Fig.« 1 ■ bezeichnet ist umd dessen Auf gate @© ist_? die Winke !unterschiede zwischen den beide» Spannungsirals»" toren zu messen, die an den entsprechenden 2,3 von den beiden Gebern 4-5-8,6-7-9 erzeugt kann auf mehrere verschiedene Arten konstruiert s©in„ Fig» 5 zeigt s_Q B₈ eic solches-MeSs lementj, das seta einfacher Konstruktion ist_e Dieses Element besteht aus zwei Transistoren 26 und 27, an welche über eia©a Widerstand 28 ein® Gleichspannung gelegt ist_e_Di@ Steuerspannungen, die den Ausgangsspaasiungen der teidän Geber der oben beschriebenen Vorrichtung entsprechen, werden an die Basiselektroden der Transistoren 2@ und 27 geführt. Wenn die Basiselektrode des Transistors 26-mit einer Spannung IL und die Basiselektrode des Transistors 27 mit einer Spannung - U«, beschickt werden _t wobei

U- a U- · cos CD t und

U₂ = U₂ -cos {Cot + ψ)

entspricht, dann entsteht ein© Ausgangsspannung 1 an dem Maßelement 10, die dem arithmetischen Mittel des folgenden Wertes entspricht:

Y=U-V

aus s —-.■

wobei Us der Größe der zugeführten Gleichspannung entspricht. Die Ausgangsspannung des Meßelements 10 ist deshalb direkt proportional zur Differenz des Phasenwinkels der beiden Spannungen U₁ und U₂,

fernerhin ganz unabhängig von der Größe dieser beiden

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Spannungen.

In gewissen Fällen mag es als wünschenswert erscheinen,

UM.W

eine Vorricht 4zix haben, die laststeif (load-stiff) ist. Fig. 6 zeigt z_e B. eine Ausführungsform, die diese Bedingung erfüllt. In diesem Fall ist zwischen jedem Paar von Geberelementen 4,5 und 6,7 und den entsprechenden Phasenschieber lementen 8 und 9 ein<£ Funktionsmelder 29 und 30 zwischengeschaltet. Die Ausgänge der zwei Phasenschieberelemente 8 und 9 sind mit den Eingängen eines Verstärkers 31 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit einem Servomotor 32 verbunden ist. Die Welle dieses Servomotors ist sowohl mit einem induktiven Potentiometer 33 (z. B. einem Synchroservomechanismus oder Drehmelder) als auch mit der Rotorwelle des Funktionsdrehmelders verbunden. Aus diesem Grunde ist der Rotor des Funktonsdrehmelders 30 unter der Wirkung des Servomotors 32 drehbar, während der Rotor des Funktionsdrehmelders 29 unbeweglich ist. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß der Servomotor den Rotor des Funktionsdrehmelders 30 in Richtung auf eine Position dreht, in welcher die Eingangsspannung am Verstärker 31, d. h. die£)ifferenz der Ausgangsspannungen der beiden Phasenschieberelemente 8 und 9, auf 0 absinkt. Das induktive Potentiometer 33 kann deshalb so ausgelegt sein, daß es eine Ausgangsspannung proportional zur Winkeldifferenz zwischen den beiden Zahnrädern 2 und ist und deshalb proportional zu dem auf der Welle 1 angreifenden Drehmoment. Ferner ist es durch geeignete

t——. —.3, - —-Λ O-—

109887/0394 BAD original"

Dimensionierung des Potentiometers 33 möglich, eine hohe Ausgangsleistung zu erhalten.

In der Ausführungsform von Fig. 4 kann der Funktionsdrehmelder weggelassen werden. In Fig» 6 wurde er jedoch mit aufgeführt, um die Wirkungsweise der Vorrichtung besser verständlich zu machen. In Fällen, in welchen die Widergabe der Winkeldifferenz in Form eines elektrischen Signals nicht notwendig ist, ist es fernerhin möglich, die Anzeige der Winkeldifferenz auf andere Weise, wie z. B. mittels einer Anzeigenadel, zu erhalten, die auf der Welle des Funktionsdrehmelders 30 mechanisch befestigt sein kann. Schließlich soll verstanden sein, daß die vorliegende Erfindung auch Vorrichtungen einschließt, in welchen die Winke!position jedes Zahnrades 2,3 mit mehr als einem Geber 4-5-8,6-7-9 abgetastet wird. So ist es z. B, möglich, zwei Geber auf gegenüberliegenden Seiten eines Zahnrades 2,3 anzubringen, um eine Kompensation für Symmetriefehler des betreffenden Zahnrades zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

1, Vorrichtung zum Messen von Winkeldifferenzen, bestehend aus.zwei induktiven Gebern, von denen jeder mit einem Zahnrad oder ähnlichen Einrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit der Winkelposition des entsprechenden Zahnrades zusammenarbeitet, ferner aus .einer mit den beiden Gebern verbundenen Vergleichs— einheit zur Bestimmung des Unterschiedes zwischen den beiden Ausgangssignalen mit Bezug auf eine vorher festgelegte Größe, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der beiden Geber (4-5-8-, 6-7-9) Einrichtungen zum Erzeugen je eines Spannungsvektors aufweisen, dessen Winkel von der Winkelposition des damit zusammenwirkenden Zahnrades (2,3) abhängt, und zwar unabhängig davon, ob das besagte Zahnrad (2,3) feststeht oder sich in drehender Bewegung befindet, und ferner daß die Vergleichseinheit (10) zum Messen der Winke1-differenz zwischen den von den beiden Gebern (4-5-8-, 6-7-9) erzeugten Spannungsvektoren ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Geber (4-5-8, 6-7-9) aufweist?

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a) Einrichtungen (4-5, 6-7) zum Erzeugen von zwei Wechselspannungen von der Art?

U- = k · U sin lOt * cos (q · ß) und U₂ = k · U sin (Ot « sin (q * β) ,

wobei q die Anzahl der Zähne des mit dem Geber (4-5-8, 6-7°9) zusammenarfoeitemden Zahnrades (2,3) und ß seine Winke!position ist₈ und

b) Einrichtungen (8 „9) zmh Kombinieren dieser Spannungen in einen kombinierten Spannungsvektor«

S₀ Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zum Messen eines'Drehmomentes auf einer Welle, die zwei ..Zahnräder (2₉3) auf einer Welle (1) in einem festgelegten axialen Abstand zueinander befestigt sind«,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichseinheit (1O) so ausgelegt ist, daß das erzeugte elektrische Äusgangssignäl zur Winkeldifferenz zwischen den von den zwei Gebern (4-5-8, 6-7-9) erzeugten Spannungsvektoren und damit dem Drehmoment auf der Welle (1) proportional ist. "

5« Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Vergleichseinheit (10) eine der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle (3L) proportionale Spannung zugeleitet ist, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt

BAD OFdQJNAL

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wird, das zur Wellendrehüngszahl und dem Wellendrehmoment, d. h. zu der auf der Welle (1) übertragenen Leistung proportional ist.

6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichseinheit (10) einen von einem Verstärker (31) gesteuerten Servomotor (32) aufweist, dessen Welle mechanisch mit der Rotorwelle eines FunktionsdrehmeIders gekuppelt ist, der in einem der beiden Geber (4-5-8_f6-7=9) eingebaut ist«

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