DE19834322A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden DrehmomentsInfo
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments unter Verwendung von Rotationskörpern beschrieben, die um bezüglich der Längsrichtung der Welle versetzte Wellen-Abschnitte angordnet sind und sich mit diesen drehen. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß das Drehmoment basierend auf den erfaßten Stellungen oder Bewegungen von durch die besagten Rotationskörper drehbaren zweiten Rotationskörper ermittelt wird. Dadurch kann das auf die Welle wirkende Drehmoment selbst bei Verwendung von geringe Meßgenauigkeit aufweisenden Sensoren zur Ermittlung der Stellungen oder Bewegungen der zweiten Rotationskörper, also auf einfache Weise und mit minimalem Aufwand, äußerst genau ermittelt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2, d. h. ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden
Drehmoments unter Verwendung von Rotationskörpern, die um
bezüglich der Längsrichtung der Welle versetzte Wellen-
Abschnitte angeordnet sind und sich mit diesen drehen.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise,
aber bei weitem nicht ausschließlich in Getriebesteuerungen,
Elektromotorregelungen, Lenkhilfesystemen in Kraftfahrzeugen
etc. erforderlich. Dabei kann es notwendig sein, die Dreh
momenterfassung auch während des Drehens der Welle durch
zuführen.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise
aus der DE 196 33 380 A1 bekannt.
Die in dieser Druckschrift beschriebenen Vorrichtungen zur
Drehmomenterfassung umfassen als wesentliche Bestandteile
zwei Rotationskörper, die um bezüglich der Längsrichtung der
Welle versetzte Wellen-Abschnitte angeordnet sind und sich
mit diesen drehen. Wenn und so lange auf die Welle ein
Drehmoment wirkt, werden die Rotationselemente infolge der
sich dann einstellenden Torsion der Welle entsprechend der
Torsion gegeneinander verdreht, und diese Verdrehung der
Rotationskörper kann durch einen oder mehrere Sensoren anhand
der Relativlage von an den Rotationskörpern vorgesehenen
Schlitzen, Zähnen oder dergleichen bestimmt werden.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind insofern nach
teilig, als die damit erzielbare Meßgenauigkeit selbst bei
exakter Einhaltung der Soll-Abmessungen der einzelnen Be
standteile und optimaler Justierung derselben mitunter nicht
den gestellten Anforderungen genügt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und
die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2
derart weiterzubilden, daß sich mit einer einfach aufgebauten
Drehmomenterfassungsvorrichtung eine hochgenaue Drehmoment
erfassung durchführen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale (Ver
fahren) bzw. durch die im kennzeichnenden Teil des Patent
anspruchs 2 beanspruchten Merkmale (Vorrichtung) gelöst.
Demnach ist vorgesehen, daß das Drehmoment basierend auf den
erfaßten Stellungen oder Bewegungen von durch die besagten
Rotationskörper drehbaren zweiten Rotationskörpern ermittelt
wird.
Durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses zwischen
den ersten Rotationskörpern und den zweiten Rotationskörpern
kann erreicht werden, daß der Umfang, in dem die zweiten
Rotationskörper gedreht werden, erheblich größer ist als der
Umfang der Drehung der die zweiten Rotationskörper drehenden
ersten Rotationskörper. Dadurch können selbst geringfügige
Torsionen oder Torsionsänderungen in dem sich zwischen den
Rotationskörpern erstreckenden Wellen-Abschnitt (geringfügige
Drehungen bzw. relativ zueinander erfolgende Verdrehungen der
um die Welle angeordneten ersten Rotationskörper) umfang
reiche Drehungen bzw. Verdrehungen der zweiten Rotations
körper zur Folge haben. Dies wiederum eröffnet die Möglich
keit, daß das auf die Welle wirkende Drehmoment selbst bei
Verwendung von geringe Meßgenauigkeit aufweisenden Sensoren
zur Ermittlung der Stellungen oder Bewegungen der zweiten
Rotationskörper, also auf einfache Weise und mit minimalem
Aufwand äußerst genau ermittelt werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter
ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent
nehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 die nachfolgend näher beschriebene Anordnung zur Er
fassung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments,
und
Fig. 2 eine Anordnung gemäß Fig. 1, mit welcher neben dem
auf die Welle wirkenden Drehmoment auch der Dreh
winkel der Welle ermittelt werden kann.
Die Welle, von welcher das Drehmoment und gegebenenfalls zu
sätzlich der Drehwinkel ermittelt werden sollen, ist in den
Figuren mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Es handelt sich
im betrachteten Beispiel um eine Lenksäule in einem Kraft
fahrzeug. Allerdings besteht hierauf keine Einschränkung. Bei
der Welle kann es sich grundsätzlich um eine beliebig ausge
bildete und für beliebige Zwecke einsetzbare Welle handeln.
Es besteht auch keine Einschränkung darauf, daß die Welle nur
hin- und herbewegbar ist; das beschriebene Verfahren und die
beschriebene Vorrichtung eignen sich auch für den Einsatz bei
rotierenden Wellen.
Die Welle 1 weist eine Verjüngung 2 auf, an welcher ihr Quer
schnitt mehr oder weniger stark verringert ist. Die Verjün
gung 2 wird vorgesehen, weil sich dort bei einem auf die
Welle 1 wirkenden Drehmoment eine besonders ausgeprägte Tor
sion einstellt, und weil die Größe des wirkenden Drehmoments
letztlich basierend auf dem Umfang der Torsion der Welle er
mittelt wird. Durch in den Figuren nicht gezeigte Mittel wird
erreicht, daß die Torsion der Welle im Bereich der Verjüngung
einen vorgegebenen Maximalwert (beispielsweise ± 3°) nicht
übersteigen kann; damit wird verhindert, daß die Welle 1 im
Bereich der Verjüngung dauerhaft beschädigt oder zerstört
wird.
Diesseits und jenseits (vor und hinter) der Verjüngung 2 sind
um die Welle 1 erste Rotationskörper in Form von ersten Zahn
rädern 3 bzw. 4 angeordnet. Diese Zahnräder sind vorzugsweise
identisch ausgebildet und weisen eine große Anzahl von Zähnen
auf.
In die ersten Zahnräder 3, 4 greift jeweils ein zweiter Rota
tionskörper in Form eines zweiten Zahnrades 5 bzw. 6 ein. Die
zweiten Zahnräder 5, 6 sind ebenfalls identisch ausgebildet;
sie sind aber erheblich kleiner und weisen eine erheblich ge
ringere Anzahl von Zähnen auf als die ersten Zahnräder 3, 4.
Benachbart zu den zweiten Zahnrädern 5 und 6 sind Winkel
sensoren 7, 8 angeordnet, durch welche die jeweiligen Stel
lungen und Bewegungen der zweiten Zahnräder 5 und 6 erfaßbar
sind.
Die Winkelsensoren sind im betrachteten Beispiel sogenannte
AMR-Sensoren (Anisotrop-Magneto-Resistive Sensoren). AMR-Sen
soren weisen die besondere Eigenschaft auf, daß deren ohm
scher Widerstand von der Richtung des in ihrer Umgebung herr
schenden Magnetfeldes abhängt. Im Fall der Verwendung von
AMR-Sensoren als Winkelsensoren sind in oder auf den zweiten
Zahnrädern 5, 6 diametral magnetisierte Magnete 9, 10 vor
gesehen. Dann hängen die ohmschen Widerstände der AMR-Senso
ren von den Stellungen und Bewegungen der zweiten Zahnräder 5
und 6 ab.
Obgleich die Drehwinkelerfassung unter Verwendung von AMR-
Winkelsensoren besonders einfach und kostengünstig ist, be
steht hierauf keine Einschränkung. Grundsätzlich kann die
Drehwinkelerfassung auch auf beliebige andere Art und Weise
erfolgen.
Die zweiten Zahnräder 5, 6 und die AMR-Sensoren 7, 8 sind
ortsfest neben der Welle 1 angeordnet. D.h., sie drehen sich
nicht um die Achse der Welle 1.
Wenn auf die Welle 1 ein Drehmoment wirkt, bewirkt dies eine
Torsion der Welle 1, welche im Bereich der Verjüngung 2 be
sonders ausgeprägt ist. Dies hat zur Folge, daß sich die
diesseits und jenseits der Verjüngung 2 gelegenen Wellen
abschnitte und mit diesen die um diese angeordneten ersten
Zahnräder 3, 4 gegeneinander verdrehen, wobei der Umfang der
Verdrehung in vorbestimmter Weise vom Umfang der Torsion im
Bereich der Verjüngung 2 abhängt, welche ihrerseits wiederum
in vorbestimmter Weise von der Größe des auf die Welle 1 wir
kenden Drehmoments abhängt. Der Umfang der relativ zueinander
erfolgenden Verdrehung der ersten Zahnräder 3, 4 ist mithin
ein Maß für das auf die Welle 1 wirkende Drehmoment.
Mit dem Drehen (Verdrehen) der ersten Zahnräder 3, 4 drehen
(verdrehen) sich auch die in diese eingreifenden zweiten
Zahnräder 5, 6, und die jeweilige Drehung (Verdrehung) dieser
zweiten Zahnräder wird durch die AMR-Sensoren 7, 8 erfaßt.
Die relativ zueinander erfolgende Verdrehung (die Differenz
der Drehwinkel) der zweiten Zahnräder 5, 6 ist proportional
zum Torsionswinkel des sich zwischen den ersten Zahnrädern 3,
4 erstreckenden Abschnittes der Welle 1 und zum Übersetzungs
verhältnis zwischen den ersten Zahnrädern 3, 4 und den zwei
ten Zahnrädern 5, 6. Durch die Erfassung und Auswertung der
Differenz der Drehwinkel der zweiten Zahnräder 5, 6 kann mit
hin das auf die Welle 1 wirkende Drehmoment ermittelt werden.
Daß nicht die Drehung (Verdrehung) der ersten Zahnräder 3, 4,
sondern die Drehung (Verdrehung) der zweiten Zahnräder 5, 6
gemessen wird, ist von großem Vorteil, weil sich diese auf
grund des gewählten Übersetzungsverhältnisses zwischen den
ersten Zahnrädern 3, 4 und den zweiten Zahnrädern 5, 6 mehr
(um einen größeren Differenzwinkel) verdrehen als es bei den
ersten Zahnrädern 3, 4 der Fall ist; geringe Drehungen (Ver
drehungen) der ersten Zahnräder 3, 4 bewirken große (um ein
Vielfaches größere) Drehungen (Verdrehungen) der zweiten
Zahnräder 5, 6.
Der sich zwischen den ersten Zahnrädern 3, 4 erstreckende
Abschnitt der Welle ist so ausgelegt, daß der sich dort ein
stellende Torsionswinkel selbst dann, wenn relativ große
Drehmomente wirken, relativ klein ist (beispielsweise ±3°).
Würde man die Drehung (Verdrehung) der ersten Zahnräder 3, 4
unter Verwendung von Sensoren mit geringer oder normaler Meß
genauigkeit messen und aus den Meßergebnissen das wirkende
Drehmoment ermitteln wollen, so wäre das Ergebnis relativ un
genau; indem vorliegend die vergleichsweise sehr große Dre
hung (Verdrehung) der zweiten Zahnräder 5, 6 gemessen und
basierend hierauf das wirkende Drehmoment ermittelt wird,
kann selbst bei Verwendung von Sensoren mit geringer Meß
genauigkeit (die vorliegend verwendeten AMR-Sensoren 7, 8,
weisen eine Meßgenauigkeit von nur ca. 0,5° auf) eine äußerst
genaue Ermittlung des wirkenden Drehmoments durchgeführt wer
den.
Auf die beschriebene Art und Weise kann also mit minimalem
Aufwand, d. h. einfach und billig eine äußerst genaue Ermitt
lung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments durchgeführt
werden.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung
können zusätzlich zur Ermittlung der Stellung der Welle 1
verwendet werden, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt ist, zu
sätzlich ein dritter Rotationskörper in Form eines dritten
Zahnrades 11 mit einem diametral magnetisierten Magneten 12
und einem Winkelsensor in Form eines weiteren AMR-Sensors 13
vorgesehen werden.
Die in der Fig. 2 gezeigte Anordnung entspricht weitest
gehend der Anordnung gemäß Fig. 1; einander entsprechende
Bestandteile sind mit den selben Bezugszeichen gekennzeich
net.
Das dritte Zahnrad 11 greift wie das zweite Zahnrad 5 in das
erste Zahnrad 3 ein; es ist wie das zweite Zahnrad 5 erheb
lich kleiner als das erste Zahnrad 3 und weist auch erheblich
weniger Zähne auf als das erste Zahnrad 3. Allerdings sind
das dritte Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 5 nicht iden
tisch; das dritte Zahnrad 11 weist mehr oder weniger Zähne
(im betrachteten Beispiel einen Zahn mehr oder weniger) als
das zweite Zahnrad 5 auf.
Der Magnet 12 und der AMR-Sensor 13 entsprechen den Magneten
9, 10 und den AMR-Sensoren 7, 8 der zweiten Zahnräder 5, 6.
Das dritte Zahnrad 11 und der AMR-Sensor sind wiederum orts
fest neben der Welle 1 angeordnet. D.h., sie drehen sich
nicht um die Achse der Welle 1.
Ein Drehung der Welle 1, genauer gesagt eine Drehung des sich
mit der Welle 1 drehenden ersten Zahnrades 3 bewirkt, daß die
in dieses eingreifenden Zahnräder, d. h. das zweite Zahnrad 5
und das dritte Zahnrad 11 mitgedreht werden. Wegen der unter
schiedlichen Anzahl der Zähne des zweiten Zahnrades 5 und des
dritten Zahnrades 11 werden diese jedoch in unterschiedlichem
Umfang mitgedreht. Aus den verschiedenen Umfängen, in denen
das zweite Zahnrad 5 und das dritte Zahnrad 11 durch eine
Drehung des ersten Zahnrades 3 gedreht werden (aus der Diffe
renz der Drehwinkel) kann ermittelt werden, in welchem Umfang
das erste Zahnrad 3 bzw. die Welle 1 gedreht wurde.
Für den Fall, daß das dritte Zahnrad 11 einen Zahn mehr auf
weist als das zweite Zahnrad 5, kann die Berechnung des Um
fanges der Drehung der Welle 1 nach der Gleichung
erfolgen, wobei
gilt, und
ϕ den Drehwinkel der Welle 1,
Ψ den Drehwinkel des zweiten Zahnrades 5,
θ den Drehwinkel des dritten Zahnrades 11,
n die Anzahl der Zähne des ersten Zahnrades 3,
m die Anzahl der Zähne des zweiten Zahnrades 5, und
Ω die Periodizität der AMR-Sensoren 7 und 13 (üblicherweise 180° oder 360°)
bezeichnen.
ϕ den Drehwinkel der Welle 1,
Ψ den Drehwinkel des zweiten Zahnrades 5,
θ den Drehwinkel des dritten Zahnrades 11,
n die Anzahl der Zähne des ersten Zahnrades 3,
m die Anzahl der Zähne des zweiten Zahnrades 5, und
Ω die Periodizität der AMR-Sensoren 7 und 13 (üblicherweise 180° oder 360°)
bezeichnen.
Damit ist es mit minimalem Aufwand möglich, das auf die Welle
1 wirkende Drehmoment und zugleich die Stellung der Welle 1
zu ermitteln. Die Kenntnis dieser beiden Größen ist bei
spielsweise erforderlich, wenn es sich bei der Welle 1 um
eine Lenksäule eines Kraftfahrzeuges handelt; moderne Lenk
hilfesysteme müssen sowohl den Lenkradwinkel als auch das auf
die Lenksäule wirkende Drehmoment kennen.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die
beschriebenen Anordnungen bei im wesentlichen gleichbleiben
der Funktion und Wirkungsweise in vielfacher Hinsicht modifi
zierbar sind.
So besteht beispielsweise keine Einschränkung darauf, daß die
ersten, zweiten und dritten Rotationskörper durch Zahnräder
gebildet werden. Es wäre beispielsweise auch denkbar, an
stelle der Zahnräder Gummiwalzen oder sonstige Rotations
körper zu verwenden.
Es ist ferner nicht erforderlich, daß die zweiten und dritten
Rotationskörper unmittelbar durch die ersten Rotationskörper
angetrieben werden. Der Antrieb könnte beispielsweise auch
über Riemen (Zahnriemen, Keilriemen), Ketten oder dergleichen
erfolgen.
Darüber hinaus müssen die Welle und die ersten Rotations
körper keine separaten Einzelteile sein; die Welle und die
ersten Rotationskörper können auch eine einstückig ausgebil
dete Einheit sein.
Unabhängig von den Einzelheiten der praktischen Realisierung
wird es durch das vorstehend beschriebene Verfahren und die
vorstehend beschriebene Vorrichtung ermöglicht, auf denkbar
einfache Weise und mit minimalem Aufwand die Stellung einer
Welle und/oder das auf die Welle wirkende Drehmoment äußerst
genau zu ermitteln.
Claims (14)
1. Verfahren zur Ermittlung des auf eine Welle (1) wirken
den Drehmoments unter Verwendung von Rotationskörpern (3, 4),
die um bezüglich der Längsrichtung der Welle versetzte
Wellen-Abschnitte angeordnet sind und sich mit diesen drehen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment basierend auf den
erfaßten Stellungen oder Bewegungen von durch die besagten
Rotationskörper (3, 4) drehbaren zweiten Rotationskörpern (5,
6) ermittelt wird.
2. Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle (1) wir
kenden Drehmoments unter Verwendung von Rotationskörpern (3,
4), die um bezüglich der Längsrichtung der Welle versetzte
Wellen-Abschnitte angeordnet sind und sich mit diesen drehen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt
ist, das Drehmoment basierend auf den erfaßten Stellungen
oder Bewegungen von durch die besagten Rotationskörper (3, 4)
drehbaren zweiten Rotationskörpern (5, 6) zu ermitteln.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die um die Welle (1) angeordneten ersten Rotationskörper (3,
4) und die zweiten Rotationskörper (5, 6) derart ausgebildet
sind, daß eine Drehung der ersten Rotationskörper eine dem
gegenüber um ein Vielfaches umfangreichere Drehung der zwei
ten Rotationskörper bewirkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß zur Erfassung der Stellung oder Bewegung der zweiten
Rotationskörper (5, 6) AMR-Sensoren (7, 8) verwendet werden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweiten Rotationskörper (5, 6) dia
metral magnetisierte Magnete (9, 10) enthalten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die um die Welle (1) angeordneten ersten
Rotationskörper (3, 4) erste Zahnräder sind, und daß die
zweiten Rotationskörper (5, 6) in die ersten Zahnräder ein
greifende zweite Zahnräder sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweiten Zahnräder (5, 6) kleiner als die ersten Zahnräder
(3, 4) sind und weniger Zähne als diese aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß ein von einem der ersten Rotationskörper
(3, 4) drehbarer dritter Rotationskörper (11) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der dritte Rotationskörper (11) und der diesen drehende erste
Rotationskörper (3) derart ausgebildet sind, daß eine Drehung
des ersten Rotationskörpers eine demgegenüber um ein Viel
faches umfangreichere Drehung des dritten Rotationskörpers
bewirkt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich
net, daß der dritte Rotationskörper (11), der den dritten
Rotationskörper (11) drehende erste Rotationskörper (3), und
der von diesem ersten Rotationskörper gedrehte zweite Rota
tionskörper (5) derart ausgebildet sind, daß der zweite Rota
tionskörper (5) und der dritte Rotationskörper (11) durch
Drehungen des ersten Rotationskörpers (3) unterschiedlich
stark gedreht werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, basierend auf unter
schiedlich weiten Drehungen des zweiten Rotationskörpers (5)
und des dritten Rotationskörpers (11) die Stellung der Welle
(1) zu ermitteln.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der dritte Rotationskörper (11) ein in
eines der ersten Zahnräder (3, 4) eingreifendes drittes Zahn
rad ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das dritte Zahnrad (11) kleiner als das zugeordnete erste
Zahnrad (3) ist und weniger Zähne als dieses aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das dritte Zahnrad (11) mehr oder weniger Zähne
aufweist als das zweite Zahnrad (5), das durch das das dritte
Zahnrad (11) drehende erste Zahnrad (3) gedreht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19834322.1A DE19834322B4 (de) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments |
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DE19834322.1A DE19834322B4 (de) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19834322A1 true DE19834322A1 (de) | 2000-02-03 |
DE19834322B4 DE19834322B4 (de) | 2015-06-11 |
Family
ID=7875820
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19834322.1A Expired - Lifetime DE19834322B4 (de) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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