DE19625777A1

DE19625777A1 - Verfahren zum Bestimmen eines über die Kröpfung einer gekröpften Welle eingeleiteten Drehmoments

Info

Publication number: DE19625777A1
Application number: DE1996125777
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Schreiber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1997-01-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines über die Kröpfung einer gekröpf ten Welle eingeleiteten Drehmoments.

Es sind verschiedene Verfahren bekannte geworden, um das von einer Welle übertragene Drehmoment oder das an einer Welle angreifende Drehmoment berührungslos und ohne Verwendung von Dehnmeßstreifen zu messen.

Aus der DD-PS 2 67 103 A1 ist ein Verfahren zur kontaktlosen Messung der Torsion an rotierenden Wellen bekannt, bei dem der Torsionswinkel auf einem längenmäßig bekannten Teilabschnitt der Welle bestimmt wird, indem zwei von jeweils in den Begrenzungsebenen des Längenabschnitts der Welle angeordneten Sensoreinrichtungen gelieferte Impulsfolgen miteinander verglichen werden. Bei bekannter Torsionssteifigkeit der Welle läßt sich das Widerstandsmoment gegen Torsion und damit das eingeleitete bzw. übertragene Drehmo ment rechnerisch ermitteln.

In einem aus der DE-OS 42 32 040 A1 bekannten verwandten Verfahren sind ein erster und ein zweiter Magnetkopf voneinander in axialer Richtung der Welle beabstandet und ein dritter Magnetkopf ist von dem ersten Magnetkopf um einen vorbestimmten Winkel θ0 in umfänglicher Richtung der Welle beabstandet. Die Phasendifferenz Δt wischen den Posi tionssignalen, die durch den ersten und den zweiten Magnetkopf wiedergegeben werden wird erfaßt und zur selben Zeit wird die Zeitdifferenz t zwischen den Positionssignalen, die durch den ersten und den dritten Magnetkopf wiedergegeben werden, erfaßt. Der Winkel der Torsion θ der Welle und das darauf wirkende Drehmoment T werden unter Verwendung der Zeitdifferenz t und der Phasendifferenz Δt berechnet.

Dabei werden nach der dort verwendeten Lehre folgende Formeln verwendet:

θ = (Δt/t) _* θ0

und

T = π²Gd⁴ _* θ/64L,

wobei G das Quer- bzw. Stimmodul der Welle darstellt, d den Durchmesser der Welle und L die Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetkopf darstellt.

Bei beiden Verfahren ist nachteilig, daß für eine genaue Vermessung eines übertragenden oder eingeleiteten Drehmomentes ein gewisser Mindestabstand L der Welle zur Torsion zur Verfügung stehen muß, wobei die Genauigkeit der Messung mit steigendem L vergrößert wird. Bei zahlreichen Anwendungsfällen ist jedoch eine speziell zur Vermessung geeignete Torsionsstrecke L nicht vorhanden, beispielsweise bei der Kurbelwelle einer Verbrennungs kraftmaschine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines über Kröpfung einer gekröpften Welle eingeleiteten Drehmoments zu schaffen, das wie die bekannten Verfahren berührungslos arbeitet, jedoch nicht auf einer Torsionsstrecke ange wiesen ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem gattungsgemäßen Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein in einem feststehenden Koordinatensystem außerhalb der Welle angeordneter Sensor das Vorbeistreichen einer auf dem äußeren Flugkreis der Kröp fung angeordneten Marke an einer definierten Winkelposition (Meßposition), gemessen von einem oberen Totpunkt oder einem äquivalenten Bezugspunkt, erfaßt, daß gleichzeitig die Winkelposition eines mit der geometrischen Mittelachse der Welle rotierenden Koordinaten systems (x′, y′) bestimmt wird (Referenzposition), daß der Differenzwinkel zwischen der Meßposition und der Referenzposition gebildet wird, und daß aus der bekannten Biegestei figkeit und dem Kurbelkreisradius der Kröpfung, dem errechneten Differenzwinkel und gegebenenfalls aus einem experimentell für die Kröpfung ermitteltem Proportionalitätsfaktor das in die Welle eingeleitete momentane Moment errechnet wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der ermittelte Differenzwinkel der Durchbiegung der Kröpfung der Welle, oder - im Falle einer Verbrennungskraftmaschine - der Durchbiegung der Kurbelwange der Kurbelwelle entspricht. Die bauteilspezifischen Größen, die bekannt sein müssen, um aus der Durchbiegung der Kröpfung oder der Kur belwange auf die tangential zum Kurbelkreis an der Kröpfung oder der Kurbelwange angrei fende Kraft und damit auf das eingeleitete Drehmoment schließen zu können, sind die Biegesteifigkeit, die ihrerseits abhängt von dem materialspezifischen Elastizitätsmodul E und dem von der Dimensionierung des Bauteils abhängigen Flächenträgheitsmoment I, der Kurbelkreisradius k der Kröpfung und ein gegebenenfalls experimentell für die Kröpfung ermittelte Proportionalitätsfaktor, der einerseits dem realen Bauteil Rechnung trägt, ande rerseits beispielsweise Einflüsse erfassen kann, die sich aus der Torsionssteifigkeit der an die Kröpfung sich anschließenden in der Achse liegenden Wellenbereiche endlicher Aus dehnung ergeben kann.

Die sich aus der Festigkeitslehre ergebenen theoretischen Größen, insbesondere die Biegesteifigkeit, d. h. das Produkt aus Elastizitätsmodul E und Flächenträgheitsmoment I lassen sich auch vollständig, ebenso wie der Kurbelkreisradius bzw. das Quadrat dieser Größe in einem experimentell ermittelten Proportionalitätsfaktor zwischen der Durchbiegung bzw. des Differenzwinkel β_F und dem angreifenden Moment erfassen.

Für die Bestimmung der Referenzposition, d. h. der tatsächlichen Position des mit der geo metrischen Mittelachse der Welle rotierenden Koordinatensystems zu dem Zeitpunkt, an dem die am äußeren Kurbelfliehkreis angeordnete Marke durch den Sensor an der vorbe stimmten Meßposition α erfaßt wird, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl.

Einerseits kann die tatsächliche Referenzposition mit Hilfe einer zusätzlichen, unbelasteten Kröpfung ermittelt werden, die im Extremfall auch zu einem zeigerartigen Stab entarten kann. Nachteilig ist hieran, daß ein zusätzlicher Sensor vorgesehen werden muß.

Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, daß zusätzlich zu den eingangs als erfindungswesentlich geschilderten Maßnahmen die Laufzeit der Marke vom oberen Totpunkt bis zu der Meßposition gemessen wird, und daß die Referenzposition bestimmt wird, indem aus der ermessenen Zeit t bei bekannter Winkelgeschwindigkeit ω(t) der Welle die Winkelposition β_ω des mit der geometrischen Mittelachse der Welle rotierenden Koordi natensystems (x′, y′) (Referenzposition) errechnet wird.

Im günstigsten Fall läßt sich dabei annehmen, daß die Winkelgeschwindigkeit ω(t) der Welle, beispielsweise der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine, konstant ist, so daß sich einfach ergibt:

β_F = ω _* t.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Prinzipskizze beispielhaft näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer in einem feststehenden Koordinatensystem rotierende Welle mit äußeren angreifenden Kraft F, und

Fig. 2 die Darstellung gemäß Fig. 1 in Gegenrichtung der Z-Achse betrachtet.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Welle mit einer Kröpfung, wobei an der Kröpfung eine Kraft F angreift. Die Welle ist in zwei schematisch dargestellten Lagern gelagert und dreht im Gegen-Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Die geometrische Mittelachse der Welle fällt mit der Z-Achse des feststehenden Koordinatensystems zusammen.

Die Kröpfung ist in einer weiteren Stellung gestrichelt gekennzeichnet, um anzudeuten, daß sich die Kröpfung unter dem Einfluß der Kraft F gegenüber dem Teil der Welle, der in der geometrischen Mittelachse liegt, durchbiegt.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des feststehenden Koordinatensystems gemäß Fig. 1 in Gegen richtung der Z-Achse betrachtet. Die Welle rotiert in einem feststehenden Koordinaten system, in Fig. 2 im Uhrzeigersinn. Von einem oberen Totpunkt OT auf der y-Achse aus betrachtet ist ein Winkel α = π/2 als Meßposition festgelegt. Ein im ortsfesten Koordinaten system angeordneter Sensor S, der in der Realität beispielsweise im Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein kann, erzeugt ein Signal sobald eine auf dem äußeren Flugkreis der Kurbelwelle angeordnete Marke M die Meßposition o′ erreicht. Mittels einer nicht dargestellten Zeitmeßvorrichtung wird die Zeit t gemessen, die verstrichen ist während die Marke M auf ihrem kreisförmigen Weg den Winkel α durchlaufen hat, d. h. von der Position OT zur Meßposition a gewandert ist.

Die Zeit t wird verwendet, um den Winkel β, zu bestimmen.

Der Winkel β ergibt sich aus folgender theoretischer Beziehung:

die in der Praxis approximiert werden muß. Nimmt man vereinfachend an, daß die Winkel geschwindigkeit der Kurbelwelle konstant ist, so dreht sich ein mitgedrehtes Koordinaten system x′, y′ mit der Geschwindigkeit ω(t) = const.

Der Winkel β_ω läßt sich dann als der Winkel auffassen, auf dem sich auch die äußere Marke M zum Zeitpunkt t befinden würde, wäre die Welle nicht aufgrund der angreifenden Kraft F um den Durchbiegungswinkel β_F verformt.

Der Verformungswinkel β_F ergibt sich einfach aus folgender Beziehung:

oder vereinfacht zu:

β_F= α - ω _* t.

Dabei ist, um die Integrationskonstanten zu 0 zu machen, vereinfachend davon ausgegan gen worden, daß die Zeitzählung zum Zeitpunkt 0 beginnt, wenn die Marke M den OT durchläuft.

Das Integral in den obigen theoretischen Beziehungen läßt sich approximieren, wenn die Funktion ω(t) für die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors dadurch bekannt ist, daß sie mit einer Auflösung vermessen wird, die um zumindest eine Größenordnung kleiner ist als der Winkel a, d. h. die Meßposition. Bei α = π/2 = 90° ist eine Auflösung in 5°-Schritten denkbar.

Aus dem so ermittelten Winkel β_F läßt sich mit einfachen Mitteln das angreifende Moment errechnen, wobei im wesentlichen folgende Formel gilt:

wobei C eine experimentell zu ermittelnde Proportionalitätskonstante ist, in der alle Ein flüsse erfaßt werden, die durch die reale Ausgestaltung der Kurbelwelle oder der sonstigen Welle entstehen, und die durch theoretische Ansätze nicht abgedeckt sind.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß eine zusätzliche, unbelastete Kröpfung vorgesehen ist, die beispielsweise um 180° versetzt zur belasteten Kröpfung sein kann und im vorlie genden Beispiel als Stab kk (Konterkröpfung) ausgeführt ist. Da der Stab kk unbelastet ist wird er nicht um einen Winkel β_F durchgebogen, so daß sich aus ihm unmittelbar die Stel lung des mit rotierenden Koordinatensystems x′, y′ bestimmen läßt, sofern Sensoren S′ mit genügend feiner Auflösung vorgesehen werden.

Die vorgeschlagene Form der Drehmomentmessung eignet sich insbesondere für die Kurbelwellen von Verbrennungskraftmaschinen. Da bei der Anordnung lediglich eines einzigen Sensors S sich nur das momentan eingeleitete Moment zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. zu einer bestimmten Kurbelwellenstellung erfassen läßt, kann erfindungsgemäß vor gesehen sein, daß sonstige im Verbrennungsmotor auftretende Einflußgrößen, wie bei spielsweise die Kinematik des Schubkurbelgetriebes, bestehend aus Kurbelwange, Pleuel und Kolben, die typischen zeitlichen Verbrennungsabläufe sowie sonstige Zusammenhänge kennfeldmäßig in einem Speicher eines Mikroprozessors abgelegt sind. Auf diese Weise läßt sich aus dem bei einer bestimmten Drehzahl der Kurbelwelle zu einem bestimmten Kurbelwinkel ermittelten momentan eingeleiteten Moment auf das durchschnittliche Moment schließen, daß der einzelne - gegebenenfalls mehrere - Zylinder der Verbrennungskraft maschine bei einem Viertaktmotor über einen Kurbelwinkel von 4n an der Kurbelwelle zur Verfügung stellt. Eine solche Information ermöglicht einen Kennfeld gesteuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise mit dem Ziel einer Senkung von Schadstoff emission und Verbrauch.

Bei Versuchsmotoren können zahlreiche Sensoren S vorgesehen sein, beispielsweise in einem Abstand 5° KW, so daß Untersuchungen über Drehmomentschwankungen, Ver brennungsabläufe o. ä. vereinfacht werden.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen eines über die Kröpfung einer gekröpften Welle eingeleiteten Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem feststehenden Koordinaten system außerhalb der Welle angeordneter Sensor (S) das Vorbeistreichen einer auf dem äußeren Flugkreis der Kröpfung angeordneten Marke (M) an einer definierten Winkel position (α) (Meßposition), gemessen von einem oberen Totpunkt (OT) oder einem äqui valenten Bezugspunkt, erfaßt, daß gleichzeitig die Winkelposition eines mit der geome trischen Mittelachse der Welle rotierenden Koordinatensystems (x′, y′) bestimmt wird (β_ω) (Referenzposition), daß der Differenzwinkel (β_F) zwischen der Meßposition (α) und der Referenzposition (β_ω) gebildet wird, und daß aus der bekannten Biegesteifigkeit (EI) und dem Kurbelkreisradius (k) der Kröpfung, dem errechneten Differenzwinkel (β_F) und gegebenenfalls aus einem experimentell für die Kröpfung ermitteltem Proportionalitäts faktor das in die Welle eingeleitete momentane Moment errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzposition (β_ω) mit Hilfe einer zusätzlichen, unbelasteten Kröpfung ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Laufzeit (t) der Marke (M) vom oberen Totpunkt (OT) bis zur Meßposition (α) gemessen wird, und daß die Referenzposition (β_ω) bestimmt wird, indem aus der gemessenen Zeit (t) bei bekann ter Winkelgeschwindigkeit (ω(t)) der Welle die Winkelposition des mit der geometri schen Mittelachse der Welle rotierenden Koordinatensystems (Referenzposition) errech net wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das momentan über die Kröp fung in die Welle eingeleitete Moment lediglich an einer umfangsmäßigen Stelle der Kur belwelle bestimmt wird, und daß aus den bekannten kinematischen Bedingungen des Schubkurbelgetriebes und kennfeldweise abgespeicherten Verbrennungsverläufen aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellendrehzahl über die Kröpfung der Kurbelwelle in die Kurbelwelle eingeleiteten momentanen Moment auf das an der Kurbelwelle zur Verfü gung stehende, durchschnittliche Motordrehmoment, gemittelt über einen Kurbelwinkel von 720° beim Viertaktmotor, geschlossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des momen tan eingeleiteten Drehmoments mittels eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 in regelmäßig am Kurbelkreis beabstandeten Winkelpositionen durch geführt wird, und daß in einem feststehenden Koordinatensystem, insbesondere im Kur belgehäuse, eine entsprechende Anzahl von Sensoren (S) vorgesehen sind.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine in her kömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bereits installierte Drehzahlmeßvorrichtung zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlmeßvorrichtung Auflösungen erlaubt, die um zumindest eine Größenordnung kleiner sind als der Win kel (α) zwischen Meßposition und oberem Totpunkt (OT), und daß die Winkelposition des mit der geometrischen Mittelachse der Welle rotierenden Koordinatensystems (Referenzposition) rechnerisch ermittelt wird, indem das ∫ (ω(t) dt durch Summationsbil dung angenähert wird, wobei jeweils in einem Summationsintervall die gemessene Geschwindigkeit als Durchschnittsgeschwindigkeit angenommen wird.