DE19745823A1

DE19745823A1 - Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehwinkel

Info

Publication number: DE19745823A1
Application number: DE19745823A
Authority: DE
Inventors: Ernst Georg Dipl Ing Frisch; Walter Dipl Ing Braumandl
Original assignee: SENSOR INSTR GmbH
Current assignee: SENSOR INSTR GmbH
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1999-04-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehwinkel an einer drehbaren Welle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Insbesondere bei mit Hilfskraft unterstützten Lenkungen in Kraftfahrzeugen, aber auch auf vielen anderen Gebieten der Technik stellt sich das Problem, das an einer drehbaren Welle wirksame Drehmoment zu bestimmen und gleichzeitig die Drehstellung der Welle zu be stimmen. Bei Hilfskraftlenkungen hängt die erforderliche Hilfskraft von dem über das Lenkrad auf die drehbare Welle aufgebrachten Drehmoment ab. Zusätzlich soll die Hilfs kraft in vielen Fällen entsprechend dem Lenkeinschlag, d. h. der Drehstellung der drehba ren Welle, modifiziert werden, wofür deren Drehwinkel bekannt sein muß.

Aus dem Buch "Fahrwerktechnik: Lenkanlagen und Hilfskraftlenkungen" von Prof. Dipl.- Ing. J. Reimpell; Vogel Verlag, 1997, Seiten 228 und 229, ist eine für elektrische Hilfs kraftlenkungen eingesetzte Einrichtung zum Messen des Drehmoments und der Drehstel lung bekannt. Das Drehmoment wird dadurch gemessen, daß gegen den Torsionswider stand eines Drehstabs eine mit einem Ende des Drehstabs verstiftete Sensorwelle relativ zu einem drehfest mit dem anderen Ende des Drehstabs verbundenen Lenkritzel verdreht wird. Auf der Sensorwelle sitzt ein Führungsstift, der spielfrei in eine schräge Nut einer Gleitbuchse eingreift und diese bei seiner Verdrehung in axialer Richtung je nach Dreh richtung auf- oder abwärts bewegt. Diese Auf- oder Abwärtsbewegung wird in ein Span nungssignal umgesetzt, indem ein Stromtransformator um die Gleitbuchse herum so ange ordnet ist, daß eine Primärwicklung an der Innenseite der Gleitbuchse und zwei diese um gebende Sekundärwicklungen den Axialhub der Gleitbuchse überdecken. Die Drehstellung der Welle bzw. der Lenkwinkel wird dadurch erfaßt, daß ein Lenkwinkelsensor die Dreh richtung und die Drehgeschwindigkeit der Welle in ein Spannungssignal umsetzt, durch dessen Integration die Drehstellung ermittelt wird.

Eine Eigenart der beschriebenen Einrichtung liegt darin, daß zur Messung des Drehmo ments und der Drehstellung unterschiedliche Meßkörper verwendet werden, was den Auf bau der Meßeinrichtung verhältnismäßig kompliziert macht. Die Erfassung der Drehstel lung ist wegen der erforderlichen Integration mit Fehlern behaftet.

Meßvorrichtungen zur Bestimmung eines an einer Welle wirksamen Drehmoments sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Die WO 96/10167 beschreibt eine Dreh momentmeßeinrichtung, die darin besteht, daß an der Welle axial voneinander entfernte Zahnscheiben von je einem eigenen Sensor abgetastet werden und aus den Sensorsignalen ein die relative Verdrehung der Zahnscheiben angebendes Signal hergeleitet wird. Aus der WO 96/06330 ist bekannt, an zwei axial voneinander entfernten Stellen einer Welle Seg mentringe anzubringen, die von einem Lichtstrahl in axialer Richtung durchstrahlt werden, wobei der Lichtstrahl entsprechend der relativen Verdrehung zwischen den beiden Seg mentscheiben moduliert wird, so daß das an der Welle wirksame Drehmoment bestimmt werden kann. Aus der WO 95/19557 ist ein optischer Drehmomentsensor bekannt, bei dem an einer Welle ein Ringkörper aus axial zur Welle verlaufenden Lichtleitern befestigt sind. Das axial von einer Lichtquelle austretende und durch den Körper hindurch auf einen Licht empfänger gelangende Licht hängt von der Torsion der Welle bzw. des Körpers ab. Den geschilderten Drehmomentmeßeinrichtungen ist gemeinsam, daß sie zwar zur Drehmoment messung geeignet sind, jedoch nicht ermöglichen, die Drehstellung der Welle zu bestim men.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehstellung an einer drehbaren Welle anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine genaue Messung der genannten Größen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Meßkörper enthält, der sowohl der Drehmomentmessung als auch der Drehstellungsmessung dient, ist ihr Aufbau vereinfacht. Weiter läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise an unterschiedlichsten Wellen anbringen, deren Drehmoment und deren Drehstellung genau bestimmbar sind. Das Meßprinzip kann optisch, elektromagnetisch, kapazitiv, mechanisch oder sonstwie geeignet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich nur für Hilfskraftlenkungen in Kraftfahr zeugen, sondern für jedwelche Einrichtungen, an denen das Drehmoment und der Dreh winkel einer drehbaren Welle bestimmt werden müssen. Beispiele sind Antriebswellen von Werkzeugmaschinen, Robotern usw.

Der Anspruch 2 ist auf den grundsätzlichen Aufbau einer ersten Ausführungsform der er findungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.

Die Merkmale der Ansprüche 3 und 5 kennzeichnen eine Ausführungsform der Vorrich tung gemäß dem Anspruch 2, die Lichtstrahlen als Meßstrahlen benutzt.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 6 wird die Meßgenauigkeit erhöht.

Der Anspruch 7 ist auf eine Ausführungsform gerichtet, bei der die Scheiben lediglich mit Segmentringen ausgebildet sind und Drehmoment und Drehstellung mit einem einzigen Lichtstrahl gemessen werden.

Der Anspruch 8 ist auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet, deren Keilscheiben sehr kostengünstig herstellbar sind.

Die Ansprüche 9 bis 12 betreffen unterschiedliche Ausführungsformen der Keilscheiben und der eingesetzten Meßprinzipien.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 13 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch be sonders einfach, daß beide Meßkörper gleich sind.

Die Ansprüche 14 und 15 kennzeichnen eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der in einfacher Weise die Drehstellungen beider Scheiben gemessen werden und daraus das Drehmoment errechnet wird.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 16 wird die Genauigkeit der Winkelmessung zur Ermitt lung der Winkel- bzw. Drehstellung der drehbaren Welle erhöht.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 17 wird die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vor richtung weiter verbessert.

Der Anspruch 18 betrifft ein vorteilhaftes konstruktives Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

Der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Stirnansicht und eine perspektivische Ansicht einer in Fig. 1 als Meßkör per verwendeten Scheibe,

Fig. 3 eine Stirnansicht einer abgeänderten Scheibe,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer gegenüber Fig. 1 abgeänderten Vorrichtung,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer drehbaren Welle mit Meßkörpern,

Fig. 7 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt der Fig. 6,

Fig. 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Anordnung gemäß Fig. 7 bei elektromagnetischem Meßprinzip,

Fig. 9 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Anordnung gemäß Fig. 7 bei kapazitivem Meßprinzip,

Fig. 10 schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Anordnung gemäß Fig. 6 bei einem optischen Meßverfahren und

Fig. 11 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Anord nung gemäß Fig. 6 bei einem mechanischen Meßverfahren, und

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrich tung.

Gemäß Fig. 1 ist eine drehbare Welle 2, beispielsweise die Lenkwelle eines Kraftfahr zeugs, in zwei gleichachsig nebeneinander angeordnete Wellenteile 4 und 6 unterteilt. Die Wellenteile 4 und 6 sind über einen Torsionsstab 8 miteinander verbunden, der eine vorbe stimmte Tordierbarkeit aufweist, d. h. bei einem vorbestimmten von der Welle 2 bzw. zwischen den Wellenteilen 4 und 6 übertragenen Drehmoment sich um einen vorbestimm ten Winkel in sich verdreht. Die Verbindung zwischen dem Torsionsstab 8 und den Wel lenteilen 4 und 6 geschieht über Zapfen 10, die jeweils eine Ende des Torsionsstabs 8 ra dial durchragen und in einer nicht dargestellten Öffnung der zumindest im Bereich des Torsionsstabes 8 hohl ausgebildeten Wellenteile 4 und 6 möglichst spielfrei aufgenommen ist.

An jedem der Wellenteile 4 und 6 ist eine als Meßkörper dienende kreisförmige Scheibe 12 konzentrisch befestigt, wobei jede Scheibe 12 eine innere Öffnung 14 aufweist, die un ter Passung auf dem zugehörigen Wellenteil 4 bzw. 6 sitzt bzw. daran befestigt ist. Auf diese Weise können die Scheiben eng nebeneinander angeordnet werden, obwohl die zwi schen ihnen wirksame Wellenlänge die des Torsionsstabs 8 ist.

In einem Radius größer als der der Wellenteile 4 bzw. 6 weist die Scheibe 12 einen Ring 16 mit in Umfangsrichtung gleich weit voneinander entfernten und vorzugsweise gleich großen Segmenten 18 und 20 unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit auf. Die in Fig. 2 dunkel dargestellten Segmente können beispielsweise lichtundurchlässige Segmente sein, indem die aus lichtdurchlässigem Material, beispielsweise durchsichtigem Kunststoff, be stehende Scheibe im Bereich der dunkel dargestellten Segmente mit lichtundurchlässigem Lack beschichtet ist.

In einem äußeren Randbereich weist jede Scheibe 12 einen Ring 22 auf, innerhalb dessen die Scheibe 12 in einer über einer Umfangsrichtung von 180° zunehmende und anschlie ßend über 180° abnehmende radiale Dicke lichtundurchlässig ist.

Zur Abtastung der als Meßkörper funktionierenden Scheiben 12 ist ein U-förmiges Joch 24 vorgesehen, das in seinem gemäß Fig. 1 linken Schenkel eine Lichtquelle und gemäß Fig. 1 rechten Schenkel einen Lichtempfänger enthält. Das Eintrittsfenster 26 des Lichtempfän gers ist derart ausgebildet und angeordnet, daß es sich über eine gerade Anzahl von Seg menten 16, 18 im dargestellten Beispiel zwei Segmente, erstreckt und ein entsprechendes Meßfeld bildet. Das durch das Eintrittsfenster 26 eintretende Licht wird von dem Licht empfänger, der ein optisches System oder eine Reihe von Photodioden enthalten kann, integral erfaßt. Die Lichtquelle (nicht dargestellt) ist vorzugsweise, z. B. durch mehrere nebeneinander angeordnete Lichtquellen, die paralleles Licht ausstrahlen, so gestaltet, daß sie ein paralleles Lichtbündel mit dem Eintrittsfenster 26 entsprechendem Querschnitt ab strahlt.

Zu Kalibrierungszwecken ist im Joch 24 vorteilhafterweise eine weitere Lichtquelle ange ordnet, die einen weiteren im rechten Schenkel angeordneten Lichtempfänger mit einem Eintrittsfenster 30 (Fig. 2) bestrahlt. Das Eintrittsfenster 30 befindet sich einem radialen Bereich der Scheibe 12 gegenüber, der unabhängig von der Dreh- bzw. Winkelstellung der Scheibe 12 ständig durchsichtig ist.

Zur Abtastung des Rings 22 ist ein weiteres Joch 32 vorgesehen, das in seinem gemäß Fig. 1 linken Schenkel Lichtquellen und gemäß Fig. 1 rechten Schenkel Lichtempfänger auf weist. Ein Eintrittsfenster 34 des Meßlichtempfängers ist in eine in Form eines radialen Schlitzes ausgebildet, der ein Meßfeld definiert, das den Ring 22 radial überdeckt. Ein Ka librierlichtstrahl 36 tritt in eine Eintrittsöffnung 38 ein, die ein ebenfalls in einem unabhän gig von der Winkellage ständig durchsichtigen Bereich der Scheibe 12 ein Kalibrierfeld de finiert.

Die in den Jochen 24 und 32 angeordneten Lichtquellen und Lichtempfänger bzw. -detek toren sind über Leitungen an ein Steuergerät 40 angeschlossen, das die Lichtquellen mit Strom versorgt und die Ausgangssignale der Lichtempfänger auswertet.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt:
Wenn die Scheiben 12 derart miteinander fluchten, daß die hellen und dunklen Segmente 18 und 20 zueinander ausgerichtet sind, gelangt durch die Eintrittsöffnung 26 eine maxi male Lichtmenge. Wenn sich die Scheiben relativ zueinander soweit verdrehen, daß die dunklen Segmente mit den hellen Segmenten fluchten, gelangt in das Eintrittsfenster 26 kein Licht. Da die Umfangswinkelerstreckung eines Segments und das Torsionsverhalten des Drehstabs 8 bekannt sind, kann aus der Veränderung des auf die Eintrittsöffnung 26 fallenden Lichtmenge somit auf das an dem Torsionsstab 8 wirkende Drehmoment ge schlossen werden. Mithilfe des das Eintrittsfenster 30 durchstrahlenden Referenzstrahls ist eine Kalibrierung möglich, so daß durch Auswerten der Ausgangssignale der im Joch 24 befindlichen Lichtempfänger im Steuergerät 40 das Drehmoment errechnet werden kann. Es versteht sich, daß die Umfangswinkelerstreckung eines Segments vorteilhafterweise der art ist, daß sie der Verwindung des Torsionsstabs 8 bei dem maximalen vorgesehenen Drehmoment entspricht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ändert sich die Menge des auf die Eintrittsfenster 26 und 30 im Joch 24 fallende Lichtes nicht, wenn sich die beiden Scheiben 12 sich in gleicher Weise drehen, ohne sich relativ zueinander zu verdrehen, d. h. bei konstant bleibendem Drehmo ment. Dagegen ändert sich die Menge des auf das Eintrittsfenster 34 im unteren Joch 32 fallenden Lichts bei einer Drehung der gemäß Fig. 1 linken Scheibe 12.

Die Drehstellung des Wellenteils 6 kann somit mittels des in das Eintrittsfenster 34 eintre tenden Lichts ermittelt werden, das über einen Drehbereich der Scheibe 12 von 180° zu nimmt und dann abnimmt, so daß eine Eindeutigkeit über eine Dreh- bzw. Winkelstellung von 180° bzw., wenn Drehrichtung und Zu- bzw. Abnahme des auf das Eintrittsfenster 34 fallenden Lichts berücksichtigt werden, von 360° gegeben ist. Wenn ein Meßbereich über 360° erwünscht ist, kann die Anzahl der Umdrehungen des Wellenteils 6 mittels eines zu sätzlichen an sich bekannten Umdrehungszahlers gezahlt werden. Die Kalibrierung der im Joch 32 angeordneten Drehwinkelineßeinrichtung erfolgt wiederum mit Hilfe des in das Eintrittsfenster 38 eindringenden Referenzlichtstrahls.

Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich außerordentlich genaue Meßergebnisse erzie len, insbesondere hinsichtlich des am Torsionsstab 8 wirksamen Drehmoments, bei dem eine kleine Änderung zu einer großen Signaländerung führt. Wenn das Ausgangssignal des Lichtempfängers zur Ermittlung des Drehmoments nicht völlig unabhängig von der Dreh stellung der Welle 2, so kann dies durch einen im Steuergerät 40 enthaltenen Algorithmus durch Kenntnis der Drehstellung mit Hilfe der im Joch 32 erfolgenden Drehstellungsmes sung ausgeglichen werden.

Es versteht sich, daß das Joch 32 diejenige der Scheiben 12 übergreift, die mit demjenigen der Wellenteile 4 und 6 verbunden ist, dessen Drehstellung ermittelt werden soll. Wenn es in Sonderfällen erwüscht ist, den Mittelwert der Drehstellungen der beiden Wellenteile 4 und 6 zu kennen, können beiden Scheiben 12 entsprechende Drehwinkelmeßeinrichtun gen zugeordnet werden, so daß ein Mittelwert der Drehwinkel gebildet werden kann, oder es kann der Drehwinkel einer der Scheiben 12 mit Hilfe des Wahlergebnisses der Drehmo mentmeßeinrichtung bzw. des damit gemessenen Torsionswinkels korrigiert werden.

Die beschriebene Ausführungsform kann in vielfältiger Weise abgeändert werden: Die Drehmomentmeßeinrichtung und die Drehwinkelmeßeinrichtung können in einem Joch zu sammengefaßt werden, in dessen Schenkeln sie dann in unterschiedlichen radialen Entfer nungen von der Drehachse angeordnet sind. Dabei kann der Ring 22 der gemäß Fig. 1 rechten Scheiben 12 entfallen. Die Meß- und Referenzlichtstrahlen können durch geeignete Kollimatoroptiken oder Lichtquellen mit parallelem Lichtaustritt parallel gemacht werden, so daß alles ausgestrahlte Licht auf die Lichteintrittsöffnungen der Lichtempfänger fällt. Die Lichtempfänger können ebenfalls mit Kollimatoroptiken arbeiten oder jeweils durch mehrere Photodioden gebildet sein. Die Anordnung kann in Reflexion arbeiten, in dem die durchsichtigen Segmente der rechten Scheibe 12 verspiegelt sind. Sie Segmente bzw. der Ring können aus Materialien unterschiedlicher Permeabilität oder Dielektrizität ausgebildet sein und induktiv oder kapazitiv abgetastet werden. Bei geringen Genauigkeitsanforderun gen an die Drehstellung kann der Ring 22 fehlen und können die Segmente 16, 18 mittels einer zählenden Abtastung gezahlt werden usw.

Die Scheiben 12 können gemäß Fig. 3 als exzentrische Kreisscheiben ausgebildet sein, die einfache Stanzteile sind. Das Eintrittsfenster 34 überlappt den exzentrischen Umfang. Das Eintrittsfenster 26 überlappt ein volles und ein ausgestanztes, offenes Segment.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das Joch 24 ein zwischen die Scheiben einragenden mittleren Schenkel aufweist, in dem ein Strahlenteiler 41 (z. B. ein halbdurchlässiger Spiegel) angeordnet ist, der einen Teil des in sich parallelen Meßlicht strahls nach oben ausblendet und über eine Kollimatorlinse 42 auf einen Lichtempfänger 43 leitet. Auf diese Weise wird ein Teil des Meßlichtstrahls nach Durchstrahlen lediglich der Segmente der gemäß Fig. 4 linken Scheibe 12 ausgeblendet und kann im Steuergerät 40 hinsichtlich seiner Helligkeit ausgewertet werden. Helligkeitsschwankungen des durch das Eintrittsfenster 26 auf den zugehörigen Lichtempfänger der Drehmomentmeßeinrich tung fallenden Lichts, die durch Schwankungen der Helligkeit der Lichtquelle oder des durch die erste Scheibe hindurchtretenden Lichts bedingt sind, können auf diese Weise er kannt und hinsichtlich des Meßergebnisses unterdrückt werden.

Fig. 5 zeigt in Seitenansicht eine gegenüber Fig. 1 weiter abgewandelte Ausführungsform. Die Scheiben 12 sind dabei nur mit den Segmentringen 16 ausgebildet, die abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Segmente 18, 20 aufweisen (s. Einschub a in Fig. 5). Von einer im gemäß Fig. 5 linken Schenkel des Jochs 24 angeordneten Lichtquelle geht ein mittels einer Kollimatorlinse 44 parallel gemachter und durch ein Austrittsfenster 45 ausgeblendeter Lichtstrahl aus, der ein zwei Segmente überstreichendes Meßfeld 46 (Fig. 5a) füllt. Im oberen Bereich des Meßfeldes 46 befindet sich in einem mittleren Schenkel des Jochs 24 eine Blende 47, die den schraffierten Bereich des Meßfeldes 46 (Fig. 5a) überdeckt. Hinter der Blende 47 befindet sich ein Spiegel 48, der den gesamten oberen Bereich des Meßfeldes 46 überdeckt (oberhalb der gestrichelten Linie in Fig. 5a), so daß auf den Spiegel nur Licht gelangt, das einem Segment des Rings 16 entspricht.

Dieses Licht gelangt als Drehstellungsmeßlicht über eine Kollimatoroptik auf einen Licht empfänger 49. Der vom Spiegel 48 nicht abgedeckte Teil des Lichtes gelangt durch das Eintrittsfenster 26 hindurch auf den Lichtempfanger, mittels dessen in der beschriebenen Weise die Verdrehung zwischen den beiden Scheiben 12 und damit das Drehmoment ge messen wird. In Abänderung könnte die Drehstellungsmessung auch durch Messung des von einem Segment der gemäß Fig. 5 linken Scheiben 12 reflektierten Lichts erfolgen.

Bei einer Drehung der Scheibe 12 ändert sich die auf dem Lichtempfänger 43 fallende Lichtmenge, die dem durch ein Segment hindurchtretenden Licht entspricht, mit den sich an der Blende 47 vorbeibewegende Segmenten, so daß durch Zählen der vom Lichtempfän ger 49 erzeugten impulsförmigen Signale eine Bestimmung des Drehwinkels der Scheibe 12 mit einer Genauigkeit möglich ist, die dem Umfangswinkelbereich eines Segments ent spricht. Anhand einer Referenzmarke (besonders gekennzeichnetes Segment) kann die Drehstellung innerhalb einer ganzen Umdrehung um 360° absolut bestimmt werden. Die Unbestimmtheit bezüglich der vollen Umdrehungen kann durch einen entsprechenden, un mittelbar mit der Welle 2 bzw. einem der Wellenteile 4 oder 6 verbundenen Umdrehungs zahler beseitigt werden.

Ein Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 5 liegt darin, daß mit nur einer Lichtquelle Drehmoment und Drehstellung bestimmt werden können, und daß mit einfachen Segment scheiben gearbeitet werden kann.

Fig. 6 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Ausführungsform, bei der die Scheiben 12 durch Keilscheiben 51 ersetzt sind, die in nichttordiertem Zustand des Torsionsstabs 8 ge geneinander um 180° versetzt sind.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, die die gemäß Fig. 6 linke Keilscheibe 51 zeigt, sind die Keil scheiben dadurch hergestellt, daß eine Keilplatte, deren beide Außenflächen zueinander ge neigt sind, kreisförmig ausgeschnitten wird. Auf diese Weise nimmt die Dicke der Keil scheibe 51, an einer radial von der Drehachse entfernten Stelle gemessen, in einem Win kelbereich von 180° zu und anschließend über weitere 180° ab.

Vorzugsweise sind die Keilscheiben 51 so angeordnet, daß ihre Rückseiten senkrecht zur Drehachse gerichtet sind. Gemäß Fig. 8a bilden die beiden Keilscheiben 51 im nicht ge genseitig verdrehten Zustand, in dem im Querschnitt die Spitze der rechten Keilscheibe 51 nach unten zeigt und die der linken nach oben zeigt, zwischen sich einen Schlitz mit paral lelen Seiten, vorausgesetzt die Keilwinkel der Keilscheiben 51 sind gleich. Aus noch zu er läuternden Gründen ist der Durchmesser der linken Keilscheibe 51 kleiner als der der rech ten Keilscheibe. Wenn die Anordnung der Keile 51 im nichttordierten Zustand gleichsinnig gedreht wird (die Welle 2 im torsionslosen Zustand gedreht wird), bleibt die Summe der Dicken d1 + d2 des Materials der Keilscheiben 51, die sich zwischen den Polen eines Elektromagneten mit einem Kern in Form eines U-förmigen Jochs 52 und einer Spule 53 befinden, konstant. Wenn dagegen gemäß dem linken Teil der Fig. 11a die beiden Keil scheiben 51 relativ zueinander verdreht werden (am Torsionsstab 8 wirksames Drehmo ment), so ändert sich die Summe aus d1 und d2 mit dem Winkel der relativen Drehung zwischen den beiden Keilscheiben 51, wohingegen diese Summe wiederum im wesentli chen konstant bleibt, wenn sich die beiden Keilscheiben 51, um einen konstanten Winkel zueinander verdreht, gleichsinnig um ihre Achse drehen.

Wenn die Keilscheiben 51 aus einem magnetischen Material einer bestimmten Permeabili tät, z. B. Eisen, bestehen, hängt der magnetische Widerstand zwischen den Polen des Jochs 52 und damit die Induktivität der Spule 53 ausschließlich von dem relativen Drehwinkel zwischen den Keilscheiben 51 und damit dem am Torsionsstab 8 wirksamen Drehmoment ab. Durch Bestimmung der Induktivität der Spule 53 kann das Drehmoment somit be stimmt werden.

Wird eine weitere Spule 54 mit als Joch 55 ausgebildeten Kern radial außen derart ange ordnet, daß sich zwischen den Polen des aus der Spule 54 und dem Joch 55 gebildeten Elektromagneten nur der radial äußere Teil der im Durchmesser größeren Keilscheibe 51 befindet (die andere Keilscheibe ist in Fig. 8b nicht dargestellt), so hängt die zwischen den Polen befindliche Dicke d3 der Keilscheibe 51 wie aus Fig. 8b ersichtlich, von der Dreh stellung der Keilscheibe 51 ab. Der Drehwinkel des zugehörigen, mit der Keilscheibe 51 verbundenen Wellenteils 2 oder 4 kann somit durch Messung der Induktivität der Spule 54 bestimmt werden.

Die Fig. 9 skizziert eine der Fig. 8 sehr ähnliche Anordnung, bei der Keilscheiben 51 aus einem Material einer bestimmten Dielektrizitätskonstanten E verwendet werden und ein ka pazitives Meßprinzip angewandt wird, bei dem sich zur Drehmomentmessung die beiden Keilscheiben 51 zwischen Platten 60 eines Kondensators befinden. Die Kapazität des Kon densators hängt von der Verdrehung zwischen den Keilscheiben 51 ab, nicht jedoch von deren Drehwinkelstellung (Fig. 9a).

Befindet sich dagegen nur eine Keilscheibe 51 zwischen den Platten 62 eines radial weiter außen angeordneten Kondensators, so hängt dessen Kapazität von der Drehwinkelstellung der Keilscheibe 51 und damit dem Drehwinkel des zugehörigen Wellenteils 4 oder 6 ab.

Mit den Kondensatoranordnungen gemäß Fig. 9a und 9b können somit das an der Welle 2 wirksame Drehmoment sowie der Drehwinkel der Welle 2 gemessen werden.

Es versteht sich, daß im Falle der Fig. 8 die Spulen 53 und 54 sowie im Falle der Fig. 9 die Kondensatorplatten 60 und 62 an geeignete Steuergeräte zur Stromversorgung und Aus wertung der Ausgangssignale angeschlossen sind. Das Meßprinzip kann beispielsweise je weils darauf beruhen, daß die Spulen bzw. Kondensatoren zu Schwingkreisen gehören, de ren Resonanzfrequenz gemessen wird.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es vorteilhaft, die Temperatur der Anordnung zu messen, da sowohl der Torsionsmodul des Torsionsstabs 8 als auch die Materialkonstanten der Keilscheiben 51 von der Temperatur abhängen. Ein im Steuergerät abgelegter Korrek turalgorithmus berücksichtigt dies.

Fig. 10 zeigt für die Anordnung gemäß Fig. 6 ein optisches Meßprinzip. Die Keilscheiben 51 bestehen hier aus lichtdurchlässigem Material mit einem Brechungsindex größer als der der Umgebungsluft. Im drehmomentfreien Zustand des Torsionsstabs 8 sind die Keilschei ben 51 so angeordnet, daß ihre Außenflächen zueinander parallel sind und sie zwischen sich einen parallelen Spalt bilden. Licht, das aus einer Lichtquelle 70, beispielsweise einer lichtemittierenden Diode, austritt und mittels einer Linse 72 zu einem parallelen Lichtstrahl umgeformt wird, durchdringt die Anordnung der Keilscheiben 51 gemäß Fig. 10a derart, daß ein zu dem Eintrittslichtstrahl paralleler Austrittslichtstrahl die Anordnung verläßt, der mittels einer weiteren Linse 74 auf einen Lichtempfänger 76 abgebildet wird. Der Licht empfänger kann beispielsweise eine rotationssymmetrische Differentialdiode sein, die so angeordnet ist, daß der Lichtfleck 76 bzw. das von der Linse 74 entworfene Bild der Licht quelle 70 in die Mitte der Differentialdiode 80 fällt. Wird die Anordnung der Keilscheiben 51 zusammen mit der Welle 2 im drehmomentfreien Zustand, das heißt bei M = 0 ge dreht, so bleibt der Lichtfleck 76 in der Mitte der Differentialdiode 80. Werden die Keil scheiben 51 infolge eines am Torsionsstab 8 wirkenden Drehmoments relativ zueinander verdreht (Fig. 10b), so ist der Spalt zwischen den Keilscheiben 51 nicht mehr planparallel und der austretende Lichtstrahl ist gegenüber dem eintretenden Lichtstrahl geneigt, so daß der Lichtfleck 76 nicht mehr auf das Zentrum der Differentialdiode 80 fällt. Mit zuneh mendem Drehmoment (M2 < M1) entfernt sich der Lichtfleck 76 zunehmend vom Zen trum der Differentialdiode 80. Wird die Anordnung der Keilscheiben 51 bei konstantem Drehmoment insgesamt gedreht, so bewegt sich der Lichtfleck 76 um das Zentrum der Dif ferentialdiode herum. Das Ausgangssignal der Differentialdiode 80 nimmt somit mit zuneh mendem Drehmoment ab. Das Drehmoment kann gemessen werden.

Fig. 10c zeigt eine den Fig. 10a und 10b entsprechende Meßanordnung, bei der der Licht strahl nur eine der Keilscheiben 51 durchdringt. Eine Linse 82 bildet die Lichtquelle auf einen Lichtempfänger ab, der in diesem Fall vorteilhafterweise als Quadrantendiode 84 aus gebildet ist. In Fig. 10d ist die Keilscheibe 51 gegenüber der Fig. 10c um 180° verdreht. Wie ersichtlich, bewegt sich der Abbildungsfleck des Lichtstrahls auf der Quadrantendiode 84 bei einer Drehung der Keilscheibe 51 um 360° einmal im Kreis, so daß die Drehstel lung der Keilscheibe 51 und damit der Welle 2 ermittelt werden kann.

Die Anordnung gemäß Fig. 10e und f unterscheidet sich von der der Fig. 10c und 10d darin, daß zwischen der Lichtquelle und der Kollimatorlinse eine die Öffnung des Licht kegels begrenzende Blende 88 angeordnet ist, wodurch die Abbildungslinse 82 entfallen kann.

Fig. 11 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 6 mit rein mechanischer Abtastung. Gemäß Fig. 11a ist zwischen den Keilscheiben 51 ein mechanischer Meßfühler 90 in Richtung des Dop pelpfeils axial verschiebbar angeordnet, der an seinen beiden Enden mit Tastköpfen 92 ver sehen ist, die elastisch nach außen vorgespannt sind, so daß im Meßfühler 90 ein dem Ab stand zwischen den Keilflächen der Keilscheiben 51 entsprechendes Signal erzeugbar ist.

Fig. 11a zeigt die Anordnung im drehmomentfreien Zustand (M = 0); Fig. 11b in dem Zu stand, in dem die Keilscheiben 51 infolge eines auf den Torsionsstab 8 wirkenden Drehmo ments gegeneinander verdreht sind. Wie ersichtlich, ändert sich der vom Taster 90 abgetas tete Abstand zwischen den Keilflächen. Werden die Keilscheiben 51 zusammen bei kon stanter relativer Drehstellung zueinander verdreht, so ändert sich das Ausgangssignal des Tasters 92 bei M = 0 gar nicht und bei M ≠ 0 allenfalls schwach. Das Drehmoment kann auf diese Weise gemessen werden.

Fig. 11c und 11d stellen einen ortsfest angebrachten Meßfühler 94 dar, der die Keilfläche nur einer der Keilscheiben 51 abtastet. Wie ersichtlich ändert sich die Stellung des Tast kopfes 96 in Abhängigkeit von der Drehstellung der Keilscheibe 51, so daß die Drehstel lung der Keilscheibe 51 und somit der Welle 2 ermittelt werden kann.

Wenn das zur Messung des Drehmoments dienende Ausgangssignal bei den Meßanordnun gen gemäß Fig. 8 bis 11 bei gegenseitig verdrehten Keilscheiben 51 (am Torsionsstab 8 wirksamen Drehmoment) nicht völlig unabhängig von der Drehstellung der Welle 2 ist, so kann dies in einem Algorithmus berücksichtigt werden, da die Drehstellung der Welle 2 jeweils zusätzlich gemessen wird.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, die sich von der der Fig. 1 vor allem durch andere Scheiben und völliges Fehlen des Joches 24 mit der zugehörigen Drehmo mentmeßeinrichtung unterscheidet. Die Scheiben 100 der Ausführungsform gemäß Fig. 12 sind als einfache Exzenterscheiben ausgebildet, deren exzentrischer Umfang in jeder Dreh stellung die Eintrittsfenster 34 der in dem Joch 32 vorgesehenen und anhand der Fig. 1 be schriebenen Drehstellungsmeßeinrichtung überlappt. Jeder Exzenterscheibe 100 ist ein Joch 32 mit zugehöriger Drehstellungsmeßeinrichtung zugeordnet. Auf diese Weise kann die Drehstellung jeder Scheibe durch die Menge des in die Eintrittsfenster 34 fallenden Lichts, die von der Drehstellung der Exzenterscheibe 100 abhängt, durch Auswertung der Aus gangssignale der in den Jochen 32 angeordneten Lichtempfänger im Steuergerät 40 be stimmt werden. Im Steuergerät 40 erfolgt weiter eine Differenzbildung zwischen den Dreh stellungen der Exzenterscheiben 100, so daß deren Verdrehwinkel und damit aus dem Tor sionsmodul des Torsionsstab 8 das wirksame Drehmoment errechnet werden kann.

Es versteht sich, daß die beiden Joche 32 nicht um 180° versetzt angeordnet sein müssen. Vorteilhafterweise entspricht der Versatz zwischen den Exzenterscheiben 100 im drehmo mentfreien Zustand dem der Joche 32, so daß im drehmomentfreien Zustand die beiden Drehstellungssignale gleich sind.

Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 12 ist es ähnlich wie mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und weiteren Ausführungsformen möglich, unmittelbar nach Inbetriebsetzen der Vorrich tung die Absolutwerte von Drehstellung und Drehmoment zu ermitteln.

Claims

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehwinkel einer drehbaren Welle (2),
enthaltend zwei an axial voneinander entfernten Stellen der Welle drehfest an der Welle befestigte Bauteile (12; 51), deren relative Winkellage sich bei einer Drehmo mentbeaufschlagung der Welle ändert,
eine Drehmomentmeßeinrichtung (24, 26, 40), die ein im wesentlichen nur von der relativen Winkellage der beiden Bauteile abhängiges Drehmomentsignal erzeugt, und
eine Drehstellungsmeßeinrichtung (32, 40), die ein im wesentlichen nur von der Drehstel lung der Welle abhängiges Drehstellungssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eines der an der Welle befestigten Bauteile (12; 51) als ein so wohl zur Drehmomentsmessung als auch zur Drehstellungsmessung dienender Meßkörper ausgebildet ist,
daß die Drehmomentmeßeinrichtung (24, 26, 40) beide axial hintereinander an geordneten Meßkörper erfaßt und
die Drehstellungsmeßeinrichtung (32, 40) nur den einen der Meßkörper erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper als Scheiben (12) ausgebildet sind, die einen gleichachsig mit der Welle (2) ausgebildeten Seg mentring (16) mit in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Segmenten (18, 20) ab wechselnd unterschiedlicher Eigenschaften aufweisen, daß wenigstens eine Scheibe einen Ring (22) mit von der Drehstellung der Scheibe abhängiger Eigenschaft hat, daß die Dreh momentmeßeinrichtung (24) axial hintereinanderliegende Segmente in einem wenigstens zwei Segmente überdeckenden Meßfeld (26) erfaßt und daß die Drehstellungsmeßeinrich tung (32) einen Ausschnitt des Rings erfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (18, 20) abwechselnd unterschiedliche Lichtdurchlässigkeiten aufweisen und von einem Licht strahl durchstrahlt werden, der auf ein wenigstens zwei Segmente (16, 18) überdeckendes Eintrittsfenster (26) eines Lichtempfängers trifft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Licht strahls nach Durchstrahlen eines Segmentrings (16) angekoppelt wird und auf einen Licht empfänger (43) fällt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (22) eine in Umfangsrichtung sich ändernde Lichtdurchlässigkeit hat und von einem Lichtstrahl durchstrahlt wird, der auf ein einen Ausschnitt des Rings radial überdeckendes Eintritts fenster (34) eines Lichtempfängers trifft.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem radialen Bereich der Scheibe (12), in dem die Lichtdurchlässigkeit unabhängig von der Drehstellung ist, ein Eintrittsfenster (30, 38) zum Empfang eines Kalibrierlicht strahls angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper als Scheiben (12) ausgebildet sind, die einen gleichachsig mit der Welle (2) ausgebildeten Seg mentring (16) mit in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Segmenten (18, 20) ab wechselnd unterschiedlicher Eigenschaften aufweist,
daß die Drehmomentmeßeinrichtung axial hintereinanderliegende Segmente mit einem wenigstens zwei Segmente überdeckenden Lichtstrahl erfaßt, und
daß ein höchstens ein Segment der ersten Scheibe (12) erfassender Teil des Lichtstrahls von einem Spiegel (48) auf einen zur Drehstellungsmeßeinrichtung gehörenden Lichtempfänger (49) abgelenkt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper durch zwei Keilscheiben (51) gebildet sind, die um 180° versetzt an der Welle (2) ange bracht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilscheiben (51) aus einem magnetischen Material bestehen, daß die Drehmomentmeßeinrichtung eine Spule (53) umfaßt, deren Kern als beide Keilscheiben axial übergreifendes Joch (52) ausge bildet ist und daß die Drehstellungsmeßeinrichtung eine Spule (54) umfaßt, deren Kern als eine der Keilscheiben axial übergreifendes Joch (55) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilscheiben (51) aus einem dielektrischen Material bestehen, daß die Drehmomentmeßeinrichtung einen Kondensator umfaßt, dessen Platten (60) beide Keilscheiben axial übergreifen und
daß die Drehstellungsmeßeinrichtung einen Kondensator enthält, dessen Platten (62) eine der Keilscheiben axial übergreifen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilscheiben (51) aus lichtbrechendem Material bestehen, daß die Drehmomentmeßeinrichtung einen beide Keilscheiben durchstrahlenden Lichtstrahl erzeugt, aus dessen Ablenkung das Dreh moment hergeleitet wird, und daß die Drehstellungsmeßeinrichtung einen nur eine der Keilscheiben durchstrahlenden Lichtstrahl erzeugt, aus dessen Ablenkung die Drehstellung hergeleitet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Welle (2) wirksame Drehmoment aus dem Ausgangssignal eines Meßfühlers (90) hergeleitet wird, der den Abstand zwischen den Keilscheiben (51) erfaßt, und daß die Drehstellung der Welle aus dem Ausgangssignal eines Meßfühlers (94) hergeleitet wird, der die Dreh stellung einer der Keilscheiben erfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßkörper (12; 51) einander gleich sind.

14. Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehwinkel einer drehbaren Welle (2),
enthaltend zwei an axial voneinander entfernten Stellen der Welle drehfest an der Welle befestigte Bauteile (100), deren relative Winkellage sich bei einer Drehmoment beaufschlagung der Welle ändert,
eine Drehmomentmeßeinrichtung (24, 26, 40), die ein im wesentlichen nur von der relativen Winkellage der beiden Bauteile abhängiges Drehmomentsignal erzeugt, und
eine Drehstellungsmeßeinrichtung (32, 34, 40), die ein im wesentlichen nur von der Dreh stellung der Welle abhängiges Drehstellungssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die an der Welle (2) befestigten Bauteile durch Scheiben (100) gebildet sind, die einen zur Welle konzentrischen Ringbereich mit von der Drehstellung der Schei be abhängiger Eigenschaft aufweisen,
daß jeder Scheibe eine Drehstellungsmeßeinrichtung (32, 34, 40) zur Bestim mung der Drehstellung der Scheibe zugeordnet ist, und
daß die Drehmomentmeßeinrichtung (40) das Drehmoment aus der Differenz zwischen den Drehstellungen der Scheiben herleitet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben Ex zenterscheiben (100) sind und die Drehstellungsmeßeinrichtungen je eine Lichtquelle und ein auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite der Scheibe angeordnetes Lichteintritts fenster (34) enthalten, das ein Umfangssegment der Exzenterscheibe radial überdeckt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellung beider Meßkörper (12; 51; 100) erfaßt wird und die Drehstellung der Welle (2) durch den Mittelwert der Drehstellungen der Meßkörper gebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturmeßeinrichtung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal einem Steuergerät (40) zum Korrigieren der errechneten Werte für Drehmoment und Drehstellung zugeführt wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) zwischen den beiden Meßkörpern (12; 51; 100) durch ein Bauteil (6) mit vor bestimmter Tordierbarkeit gebildet ist.