DE19501494A1 - Drehmomentmessung am Abtrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des von einer Brennkraftmaschine an ein angeflanschtes Getriebe abgegebenen Drehmomentes.

Der Anmelderin hat im Rahmen der vorliegenden Entwicklung ver­ traulich Kenntnis von einer Anordnung zum Messen eines Drehmo­ mentes erlangt, welche mit den folgenden Merkmalen ausgestattet ist:

• - auf eine drehmomentübertragende Welle ist ein die durch die Drehmomentbelastung verursachten elastischen Verformungen erfassender und sie in ein elektrisches Drehmomentsignal wandelnder Schubsensor sowie ein Signalverstärker, jeweils in Mikrobauweise appliziert,
• - es ist eine induktiv arbeitende Signal- und Energieübermitt­ lungseinrichtung in Form einer konzentrisch zur Welle ange­ ordneten Induktionsspule und eines ortsfest gehalterten, in­ duktiv ankoppelbaren Induktors als Signalempfänger und Ener­ giesender vorgesehen, die zugleich elektrische Energie von außen zum Induktor und ein das Drehmoment repräsentierendes Signal von der rotierenden Mitnehmerscheibe auf den Induktor berührungsfrei überträgt,
• - der auf der drehmomentübertragenden Welle applizierte Schub­ sensor ist als kapazitiv arbeitender Kamm-Struktur-Sensor ausgebildet, der bezüglich seines sensitiven Teiles zwei kam­ martig strukturierte, elektrisch zueinander isolierte Konden­ sator-Flächenscharen aufweist, die mit ihren Zinken und Lüc­ ken berührungsfrei ineinandergreifen und so eine Kapazität bilden, wobei die Kondensator-Flächenscharen mit nach außen führenden Anschlüssen versehen sind,
• - die Kondensator-Flächenscharen des Kamm-Struktur-Sensors sind um eine Mittellage herum parallel zum Rücken der Kammstruktur mittels einer Parallelogrammführung mit elastischen Gelenken derart beweglich zueinander geführt, daß die zwischen den beiden Kondensator-Flächenscharen gebildete Kapazität bei re­ lativer Bewegung der Kondensator-Flächenscharen in der einen Richtung zunimmt und in der anderen Richtung abnimmt,
• - der Kamm-Struktur-Sensor ist auf der Welle derart appliziert, daß die Rücken der Kammstruktur der Kondensator-Flächenscha­ ren in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

Die Vorteile dieser Drehmomentmeßeinrichtung liegen darin, daß sie preisgünstig herstellbar sind, eine hinreichende Meßgenauig­ keit ermöglichen und darin bzw. in der Meßstabilität weitgehend immun gegen Temperaturschwankungen und gegen magnetische Stör­ felder sind, daß sie sehr einfach, nämlich durch einen mechani­ sierbaren Montagevorgang appliziert werden können und daß ein nur sehr geringer Kalibrierungsumfang erforderlich ist. All die­ ses sind gute Voraussetzungen für eine Anwendung in Produkten, die seriell in großen Stückzahlen hergestellt werden. Nachteilig ist jedoch der relativ große axiale Platzbedarf der Drehmoment­ meßeinrichtung, wodurch eine Anwendung in den Triebwerken von Kraftfahrzeugen praktisch unmöglich ist, weil hier der Platz in Axialrichtung äußerst eng bemessen ist, es steht im Grunde ge­ nommen überhaupt kein Platz zur Unterbringung eines Drehmoment­ meßgliedes zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe zur Verfü­ gung.

Die DE 32 22 119 C1 zeigt eine axial nachgiebige Mitnehmerschei­ be zwischen dem Abtriebswellenzapfen einer Brennkraftmaschine und dem Eingangsglied eines zugehörigen Getriebes, wobei sich die Mitnehmerscheibe in einer achssenkrechten Ebene erstreckt und durch das übertragene Drehmoment belastet ist. Dort ist auch der enge Bauraum in dem genannten Übergangsbereich erkennbar.

Nach Wissen der Anmelderin war es bisher mit serientauglichen Mitteln nicht möglich das von einer Brennkraftmaschine an das Getriebe abgegebene Drehmoment mit hinreichender Genauigkeit zu messen. Man hat sich - beispielsweise für Steuerung von Schalt­ vorgängen eines automatischen Getriebes - zur Beschaffung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmomentes damit behol­ fen, dieses aus Meßdaten, wie Gaspedalstellung, Drehzahl u. a. aus dem Motorkennfeld rechnerisch zu ermitteln. Der damit ermit­ telbare Drehmomentwert führt jedoch nur zu einem sehr ungenauen Rechenwert, der erheblich von dem tatsächlich abgegebenen Dreh­ moment abweichen kann. Darüberhinaus sind die solcherart ermit­ telten Drehmomentwerte gerade in instationären Betriebszuständen - wo sie an sich von besonderem Interesse wären - mit erhebli­ cher Unsicherheit behaftet.

Ausgehend von dem gewürdigten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie Drehmomente in dem geringen Einbauraum zwischen dem Abtriebswellenzapfen einer Brennkraftmaschine und dem Eingangsglied eines zugehörigen Ge­ triebes gemessen werden können, wobei die Drehmomentmessung über lange Zeiträume hinweg genau arbeiten soll, störungsunempfind­ lich gegenüber den im Fahrzeugbetrieb auftretenden Bedingungen, insbesondere Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen, wech­ selnden Magnetfeldern und Schmutz ist, preisgünstig ist und die nur einen sehr geringen Kalibrierungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Die Erfindung stellt sich danach als eine neue, nämlich axiale Anwendung des oben gewür­ digten Drehmomentmeßsensors auf der Mitnehmerscheibe o. dgl. ei­ nes Triebwerkes für Kraftfahrzeuge dar.

Die Erfindung ist an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 eine Schnitt-Ansicht auf bzw. durch ein aus einer Brenn­ kraftmaschine und angeflanschtem Getriebe gebildetes Triebwerk, die achssenkrecht angeordnete Mitnehmerscheibe zwischen beiden Teilen zeigend und

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Einzeldarstellung des auf der Mitnehmerscheibe applizierten, kapazitiven Schub­ sensors.

Das in Fig. 1 dargestellte Triebwerk für einen Personenkraftwa­ gen umfaßt eine strichpunktiert angedeutete Brennkraftmaschine 1 und ein daran angeflanschtes Getriebe 2, welches beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel als automatisches Schaltgetriebe ausgebildet ist. Der Abtriebswellenzapfen 3 der Brennkraftma­ schine ist mit einem Flansch versehen, der unter Zwischenschal­ tung einer axial nachgiebigen und im Verhältnis dazu vergleichs­ weise drehsteifen Mitnehmerscheibe 5 an das Eingangsglied 4 des Getriebes 2 angekoppelt ist, wobei sich die Mitnehmerscheibe im wesentlichen in einer achssenkrechten Ebene erstreckt. Beim dar­ gestellten Ausführungsbeispiel ist das Eingangsglied des Getrie­ bes das Wandlergehäuse des im Getriebe zunächst angeordneten hy­ drodynamischen Arbeitskreislaufes. Axial ist zwischen der Brenn­ kraftmaschine und dem Getriebe nahezu kein Bauraum mehr vorgese­ hen; im Gegenteil zielen alle Bemühungen der Fahrzeug- und Moto­ renentwicklung darauf hin, ,die Fahrzeugtriebwerke aus verschie­ denen Gründen möglichst klein, d. h. auch axial möglichst kurz zu gestalten.

Um nun trotz des geringen axialen Einbauraumes die von der Brennkraftmaschine an das Getriebe abgegebenen Drehmomente mes­ sen zu können, ist auf die Mitnehmerscheibe 5 ein Schubsensor 6 sowie ein Signalverstärker 7, jeweils in Mikrobauweise, appli­ ziert, wobei der Schubsensor die durch die Drehmomentbelastung verursachten elastischen Umfangsverformungen der Mitnehmer­ scheibe erfaßt und sie in ein elektrisches Drehmomentsignal wan­ delt. Bei diesem Schubsensor mit integriertem Signalverstärker handelt es sich um ein anderweitig entwickeltes, kapazitiv wir­ kendes Meßglied, für welches vorliegend lediglich eine vorteil­ hafte Anwendung und Applikationsart vorgeschlagen wird. Der zur Anwendung gebrachte Schubsensor zeichnet sich im Vergleich zu anderen Sensoren dadurch aus, daß er die nachfolgenden Vorteile alle auf sich vereinigt: Der Sensor arbeitet über lange Zeiträu­ me hinweg genau, ist störungsunempfindlich gegenüber den im Fahrzeugbetrieb auftretenden Bedingungen, insbesondere Feuchtig­ keits- und Temperaturschwankungen, wechselnden Magnetfeldern und Schmutz, ist preisgünstig und erfordert nur einen sehr geringen Kalibrierungsaufwand.

Der auf der Mitnehmerscheibe 5 applizierte Schubsensor 6 ist als kapazitiv arbeitender Kamm-Struktur-Sensor ausgebildet, der be­ züglich seines sensitiven Teiles zwei kammartig strukturierte, elektrisch zueinander isolierte Kondensator-Flächenscharen 10 aufweist, die mit ihren Zinken und Lücken berührungsfrei inein­ andergreifen und so eine Kapazität bilden. Die Kondensator-Flä­ chenscharen 10 sind mit nach außen führenden Anschlüssen 15 ver­ sehen. Die Kondensator-Flächenscharen sind um eine Mittellage herum parallel zu den Rücken 11 und 11′ der Kammstrukturen mit­ tels einer Parallelogrammführung 13 mit elastischen Gelenken 12 derart beweglich zueinander geführt, daß die zwischen den beiden Kondensator-Flächenscharen gebildete Kapazität bei relativer Be­ wegung der Kondensator-Flächenscharen in der einen Richtung zu­ nimmt und in der entgegengesetzten Richtung abnimmt. Der die Pa­ rallelogrammführung 13 bildende Rahmen mit den integrierten ela­ stischen Gelenken 12 ist mittelbar über integrierte Befesti­ gungsköpfe 19 mit der Mitnehmerscheibe 5 in der Weise ver­ schraubt, daß die Zinken bzw. Lücken der Kammstrukturen parallel zur Radialrichtung 18 der Mitnehmerscheibe liegen. Die Rücken 11, 11′ der Kammstruktur der Kondensator-Flächenscharen sind da­ mit zu einem konzentrisch zum Abtriebswellenzapfen gedachten Hüllkreis tangential angeordnet und im übrigen in Umfangsrich­ tung 14 ausgerichtet. Die Rücken 11, 11′ der kammartig struk­ turierten Kondensator-Flächenscharen 10 sind jeweils unter­ schiedlichen Radialpositionen (Radialrichtung 18) auf der Mit­ nehmerscheibe 5 zugeordnet. Die Befestigungsköpfe 19 des Schub­ sensors 6 sind über mittig angeordnete, integrierte Mittelstege 20 und jeweils eine sich beiderseits erstreckende Blattfeder 21 mit Eckpunkten des erwähnten Rahmens der Parallelogrammführung verbunden, wodurch sich eine beschränkt bewegliche, elastische Verbindung des Parallelogrammrahmens mit den unbeweglich an der Mitnehmerscheibe 5 festgeschraubten Befestigungsköpfen 19 er­ gibt. Die beiden Kondensatorflächenscharen sind aufgrund zwi­ schengefügter Isolatoren 17 gegenüber dem metallischen Rahmen und somit zueinander elektrisch isoliert.

Zur funktionsgerechten Applikation des Schubsensors ist eine in­ duktiv arbeitende Signal- und Energieübermittlungseinrichtung vorgesehen. Diese enthält eine konzentrisch zum Abtriebswellen­ zapfen 1 im Bereich des Außenumfangs der Mitnehmerscheibe 5 an­ geordnete Induktionsspule 8 und einen ortsfest gehalterten, in­ duktiv an die Induktionsspule ankoppelbaren Induktor 9, der als Signalempfänger und Energiesender fungiert und zugleich die von außen zugeführte elektrische Energie zur Induktionsspule und ein das Drehmoment repräsentierendes Signal von der Induktionsspule auf den Induktor berührungsfrei überträgt. Die Induktionsspule 8 ist über die beiden Anschlüsse 16 zumindest mittelbar mit den beiden Kondensatorflächen der Kondensatorflächenscharen 10 ver­ bunden. Der Schubsensor ist in dieser Form als passives Element ausgebildet, bei dem die Meßkapazität der Kondensatorflächen­ scharen 10 mit der Induktionsspule 8 einen Schwingkreis bildet. Bei einer Drehmomentbelastung der Mitnehmerscheibe verlagern sich im Rahmen der zwar geringen aber unvermeidbaren Elastizität der Mitnehmerscheibe die Mitnehmerköpfe 19 in Umfangsrichtung 14 zueinander und mit ihnen auch die Rücken 11, 11′ der Kondensa­ torflächenscharen, was zu einer entsprechenden Veränderung der Meßkapazität des Schubsensors führt. Entsprechend der jeweils vorliegenden Kapazität verändert sich auch die Eigenschwingungs­ zahl des Schwingkreises. Durch zugeführte Energie wird der Schwingkreis zu Resonanzschwingungen angeregt, die über den In­ duktor 9 erfaßt und als ein das Drehmoment repräsentierendes Signal nach außen weitergeleitet, weiterverarbeitet und ausge­ wertet werden kann. Der Schubsensor kann statt dessen auch als aktives Element ausgebildet sein, bei dem eine Verstärkung und Vorverarbeitung des Primärsignales, z. B. eine drehmomentpropor­ tionale Linearisierung, in einem kleinen, sensorintegrierten Verstärker 7 erfolgen kann.

Für den vorliegenden Anwendungsfall von Interesse ist, daß das solcherart gewonnene Drehmomentsignal mit einer Genauigkeit von etwa 1% des Maximaldrehmomentes der Brennkraftmaschine dem tat­ sächlich abgegebenen Drehmoment entspricht und daß eine Auflö­ sung von etwa 0,5% gewährleistet werden kann. Die ein Drehmo­ ment repräsentierenden Signale können bei der genannten Genauig­ keit in einem Millisekundenraster neu gemessen und abgefragt werden. Meßtechnisch ist also der kapazitive Schubsensor und seine motorische Anwendung sehr interessant. Auch betriebstech­ nisch und fertigungstechnisch bietet der Sensor günstige Voraus­ setzungen, weil er wenig störempfindlich und meßstabil ist und weil er einen nur sehr geringen Kalibrierungsaufwand erfordert.

Claims (1)

1. Anordnung zum Messen des von einer Brennkraftmaschine (1) an ein angeflanschtes Getriebe (2) abgegebenen Drehmomentes, wobei zwi­ schen dem Abtriebswellenzapfen (3) der Brennkraftmaschine (1) und dem Getriebeeingangsglied (4) eine sich in einer achssenk­ rechten Ebene erstreckende, durch das übertragene Drehmoment be­ lastete Mitnehmerscheibe (5), Schwungradscheibe, Kupplungsgehäu­ sescheibe o. dgl., nachfolgend stellvertretend für alle Ausge­ staltungsformen "Mitnehmerscheibe" (5) genannt, angeordnet ist, mit einer Ausgestaltung der Meßanordnung gemäß den folgenden Merkmalen:

   • - auf die Mitnehmerscheibe (5) ist ein die durch die Drehmo­ mentbelastung verursachten, elastischen Verformungen erfas­ sender und sie in ein elektrisches Drehmomentsignal wandeln­ der Schubsensor (6) in Mikrobauweise appliziert,
   • - es ist eine induktiv arbeitende Signal- und Energieübermitt­ lungseinrichtung in Form einer konzentrisch zum Abtriebswel­ lenzapfen (3) im Bereich des Außenumfangs der Mitnehmerschei­ be (5) angeordneten Induktionsspule (8) und eines ortsfest gehalterten, induktiv ankoppelbaren Induktors (9) als Signal­ empfänger und Energiesender vorgesehen, die zugleich von au­ ßen zugeführte elektrische Energie vom Induktor (9) zur In­ duktionsspule (8) und ein das Drehmoment repräsentierendes Signal von der rotierenden Mitnehmerscheibe (5) bzw. der In­ duktionsspule (8) auf den Induktor (9) berührungsfrei über­ trägt,
   • - der auf der Mitnehmerscheibe (5) applizierte Schubsensor (6) ist als kapazitiv arbeitender Kamm-Struktur-Sensor ausgebil­ det, der bezüglich seines sensitiven Teiles zwei kammartig strukturierte, elektrisch zueinander isolierte Kondensator- Flächenscharen (10) aufweist, die mit ihren Zinken und Lücken berührungsfrei ineinandergreifen und so eine Kapazität bil­ den, wobei die Kondensator-Flächenscharen (10) mit nach außen führenden Anschlüssen (15) versehen sind,
   • - die Kondensator-Flächenscharen (10) des Kamm-Struktur-Sensors sind um eine Mittellage herum parallel zum Rücken (11, 11′) der Kammstruktur mittels einer Parallelogrammführung (13) mit elastischen Gelenken (12) derart beweglich zueinander ge­ führt, daß die zwischen den beiden Kondensator-Flächenscharen (10) gebildete Kapazität bei relativer Bewegung der Kondensa­ tor-Flächenscharen (10) in der einen Richtung zunimmt und in der entgegengesetzten Richtung abnimmt,
   • - der Kamm-Struktur-Sensor ist auf der Mitnehmerscheibe (5) derart appliziert, daß die Rücken (11, 11′) der Kammstruktur der Kondensator-Flächenscharen (10) tangential zu einem kon­ zentrisch zum Abtriebswellenzapfen gelegten Hüllkreis ange­ ordnet und im übrigen in Umfangsrichtung (14) ausgerichtet sind, wobei die Rücken (11, 11′) der kammartig strukturierten Kondensator-Flächenscharen (10) jeweils unterschiedlichen Ra­ dialpositionen (Radialrichtung 18) auf der Mitnehmerscheibe (5) zugeordnet sind.