DE19845644A1

DE19845644A1 - Einrichtung zur simultanen Messung von Drehzahl, Drehmoment und Drehleistung

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Publication number: DE19845644A1
Application number: DE1998145644
Authority: DE
Original assignee: GROSCH INGRID
Current assignee: GROSCH INGRID
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine besonders einfache Vorrichtung zur simultanen Messung von Drehmoment, Drehzahl und mechanischer Leistung, die durch rotierende Wellen in Antriebssträngen übertragen werden. Das Meßverfahren beruht darauf, daß in den Antriebsstrang ein Torsionselement, das vorteilhafterweise aus 2 über eine Schenkelfeder gekoppelte Scheiben besteht, eingefügt wird. An den beiden Scheiben ist je ein kleiner Magnet angebracht, der bei Rotation an einem am stationären Teil befindlichen Hall-Schaltelement beim Passieren einen Schaltimpuls auslöst. Drehmomente führen zu einer Verdrehung der Scheiben zueinander, die ein Maß für das Drehmoment sind. Allein an der zeitlichen Differenz der Schaltimpulse können unter Berücksichtigung der Federkonstante Drehmoment, Drehleistung und Drehzahl simultan durch eine einfache Auswerteschaltung berechnet werden.

Description

Grundsätzliche Aufgabenstellung

Die Erfindung betrifft eine einfache Einrichtung zum berührungslosen und simultanen Messen von an rotierenden Wellen auftretenden Drehmomenten M und Drehzahlen n. Aus diesen Meßgrößen kann dann unmittelbar die übertragene mechanische Leistung P über P = 2 π n M bestimmt werden.

Die Messung der mechanischen Leistung, die über rotierende Wellen von einem Generator an einen Verbraucher übertragen wird, ist von grundsätzlichem Interesse.

Hierzu werden einige typische Anwendungen skizziert.

Bei einem mit einer Last gekoppelten Elektromotor kann die an die Last bei verschiedenen Drehzahlen abgegebene Leistung gemessen werden und bei gleichzeitiger Messung der aufgenommenen el. Leistung der drehzahl- und lastabhängige Wirkungsgrad η des Motors bestimmt werden.

Bei Betrieb eines el. Generators z. B. durch ein Windrad kann die an den Generator abgegebene mech. Leistung drehzahlabhängig ermittelt werden und in Bezug auf die abgegebene el. Leistung der aktuelle Wirkungsgrad bestimmt werden.

Bei Kenntnis der Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Generators von Drehzahl und Drehmoment kann dann z. B. die Regelung des Windrades z. B. über Steuerung der Blattanstellwinkel so erfolgen, daß der Generator mit max. Wirkungsgrad betrieben wird.

Bei vielen Aufgabenstellungen ist es von Vorteil, wenn die Messung der mechanischen Drehleistung an den originalen Antriebssträngen erfolgen kann. Soll in einem Kfz z. B. die Verlustleistung eines Getriebes oder die von einem Rad über die Antriebsachse aufgenommene Drehleistung im Betrieb ermittelt werden, ist eine Meßtechnik von Vorteil, die sich mit minimalen Aufwendungen in die Antriebsstränge integriert und Feldversuche zuläßt.

Diese Versuche sind auch von Vorteil, wenn z. B. im realen Fahrbetrieb die von einer Bremse aufgenommene Leistung dynamisch ermittelt werden soll und die Konstruktion möglichst unberührt bleiben soll.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist z. B. die Bestimmung der Leistung, die von einem Flugzeugmotor an eine Luftschraube im Flugbetrieb abgegeben wird, um mit dieser Meßgröße z. B. über die Regelung des Anstellwinkels der Blätter der Luftschraube eine maximale Leistungsaufnahme zu gewährleisten.

Stand der Technik

Die Bestimmung von Leistungen über rotierende mechanische Kraftübertragungen erfolgt über die simultane Messung des Drehmomentes und der Drehzahl in den transferierenden Systemkomponenten zwischen der leistungsproduzierenden und der leistungsaufnehmenden Systemkomponente.

Während die Messung der Drehzahl einen geringen technischen Aufwand erfordert (z. B. optische Systeme, Tachogeneratoren), bedeutet die Messung des Drehmomentes an einer rotierenden Welle in der Regel, daß erheblich in den Antriebsstrang eingegriffen werden muß und Messungen in vielen Fällen nur in entsprechenden Prüfständen durchgeführt werden können.

Eine Zusammenfassung der Verfahren und technischen Ausführungen ist im Beitrag "Drehmoment-Meßverfahren" in der Zeitschrift "antriebstechnik", Jahrgang 1981, Ausgabe Nr. 4, Seite 132-137 enthalten.

Es kommen folgende Verfahren zum Einsatz:

Bei DMS (Dehnungsmeßstreifen)-Drehmomentaufnehmern werden modifizierte Metallwellen mit DMS so beklebt, daß die Wellenverwindung unter Torsionsbelastung zu Widerstandsänderungen der DMS führt, deren Wert eine Funktion des Drehmomentes ist.

Diese Meßmetode wird heute am häufigsten eingesetzt, ist am weitesten entwickelt und weist eine hohe Meßgenauigkeit auf.

Weitere Methoden zur Messung von Drehmomenten basieren auf der Auswertung

- magnetischer Permeabilitätsänderung einer verdrehten Welle aus ferromagnetischem Material,
- torsionsbeeinflußter Differentialtransformatoren,
- von optischen Interferenzen, die bei Torsion von Wellen auftreten, die auf der Oberfläche geeignete optische Strukturen aufweisen,
- magnetischer Winkelmessungen zur Ermittlung des Verwindungswinkels.

Schließlich läßt sich das Drehmoment auch über Reaktionsdrehmomentaufnehmer bestimmen. Beispiel ist der Drehmomentmeßtisch, bei dem der zu testende Motor auf einer Montageplatte aufgenommen wird.

Diese Platte ist über 4 drehmomentempfindliche DMS-Stege mit einer festmontierten Grundplatte verbunden.

Über eine simultane Auswertung der Widerstandsänderungen kann das Drehmoment des Motors auf der Montageplatte ermittelt werden.

Die vorgenannten Verfahren weisen zum Teil deutliche Nachteile auf. Rotierende Drehmomentaufnehmer nach dem DMS Verfahren erfordern eine Übertragung der Versorgungsspannung für die DMS sowie der Meßsignale zwischen rotierendem und stationären Teil. Hierfür kommen die Verfahren Schleifringübertragung, rotierende Transformatoren und/oder Telemetriesysteme zur Anwendung.

Die überwiegende Zahl der technischen Ausführungen bedingt erhebliche Eingriffe in den Antriebsstrang und zusätzliche konstruktive Maßnahmen. In vielen Fällen ist die Messung am Antriebsstrang nur in einem speziellen Prüfstand unter simulierten Lastbedingungen möglich.

Alle vorgenannten Verfahren sind in ihren technischen Ausführungen so teuer, daß sie für viele Anwendungen, z. B. Motoruntersuchungen im Funktionsmodellbau, nicht in Frage kommen.

Konkrete Aufgabenstellung, die der Erfindung zugrunde liegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

- eine technisch so einfache und kostengünstige Ausführung für eine mechanische Leistungsmessung zu finden, daß Anwendungen auch in Bereichen (z. B. Funktionsmodellbau, kleine Windenergieerzeuger) möglich sind, für die bislang keine konstruktiv und kostenmäßig geeigneten Geräte verfügbar sind.
- ein Meßverfahren zu entwickeln, das technische Ausführungen in Meßbereichen von wenigen Watt bis hin in den Bereich von Megawatt auf Basis eines einheitlichen konstruktiven Konzeptes ermöglicht.
- Drehmoment und Drehzahl simultan mit nur einem Meßverfahren zu erfassen.
- die Meßgrößen berührungslos zu messen und damit Schleifringe, induktive Meßwertübertragung oder Telemetriesysteme zur Übertragung vom rotierenden Teil auf den stationären Teil zu vermeiden.
- eine technische Ausführung zu finden, die dynamische Leistungsmessungen direkt in den Antriebssträngen ermöglicht. Damit wird der Ausbau des Antriebsstranges und die Integration in einen Prüfstand vermieden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Idee liegt in einer einfachen Einrichtung (Fig. 1), mit der an einer zwischen einem Antrieb (9) und einer Last (10) rotierenden Welle das Drehmoment und die Drehzahl simultan gemessen werden. Aus diesen beiden Werten kann dann nach die abgelieferte Drehleistung berechnet werden:

P_rot = M.2π.n

Hierbei sind
P_rot die Drehleistung, [P_rot] = W
M das Dremoment, [M] = Nm
n die Drehzahl, [n] = s^-1.

Diese Einrichtung (Fig. 1) in einer vorteilhaften Ausführung besteht aus

- einem mechanischen schenkelfedergekoppelten Übertrager, im folgenden Dremo (1) genannt,
- einem Hall-Schaltelement (2),
- einer elektrischen Schaltung (3) zur Auswertung der Schaltimpulse des Hall-Schaltelementes.

Der Dremo (1) besteht aus 2 koaxialen über eine Schenkelfeder (4) gekoppelten Scheiben (5). Die rotierende Welle (6), an der die Leistung gemessen werden soll, wird aufgetrennt und der Dremo (1) so eingefügt, daß ein an der Welle angreifendes Drehmoment zu einer Verdrehung der beiden Scheiben zueinander führt. Dieser Drehwinkel ist bei Kenntnis der Federkonstanten der Schenkelfeder ein Maß für die Größe des Momentes.

Bei konventionellen Schenkelfedern ist die Drehkraft im Bereich bis ca. 200° eine nahezu lineare Funktion des Drehwinkels.

Am Umfang jeder der beiden Scheiben des Dremo ist ein kleiner Dauermagnet (7) angebracht.

Die beiden Dauermagnete (7) sind so an den beiden Scheiben (5) positioniert, daß sie im momentenlosen Zustand einen Winkel von α₀ zueinander aufweisen und beide in einer Drehebene rotieren.

Am stationären Teil (8) der Meßanordnung ist ein Hall-Schaltelement (2) so positioniert, daß bei Vorbeilauf eines Magneten ein Schaltimpuls erzeugt wird.

Im momentenlosen Zustand (Fig. 2) betragen die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Schaltimpulsen S(T_n)

T_v,0 = α₀/360°.T (Gl.1)

T-T_v,0 = (360°-α₀)/360°.T (Gl.2)

Wirkt nun bei Rotation des Dremo ein Drehmoment M, so verdrehen sich die Scheiben zueinander um den Winkel (α₀-α) (Fig. 3).

Diese Verdrehung führt zu folgenden Abständen zwischen den Schaltimpulsen (Fig. 4)

T_v,α = (α₀-α)/360°.T (Gl.3)

T-T_v,α = (360°-α₀+α)/360°.T (Gl.4)

Mit der Federkonstante F_K einer Drehfeder ergibt sich das Moment M

M = F_K.(α₀-α) (Gl.5)

Das Moment kann also bei Kenntnis der Federkonstanten F_K auf einfache Weise aus den beiden Zeitabständen Tva und T-T_v,α berechnet werden:

M = F_k.[α₀/360°-T_v,α/(T_v,α + (T-T_v,α))].360° (Gl.6)

Die Berechnung der Drehzahl aus den beiden Zeitdistanzen T_v,α und T-T_v,α ergibt sich unabhängig von α₀ und α wie folgt:

n = 1/T = 1/[T_v,α+(T-T_v,α] (Gl.7)

Die Gleichung zeigt, daß die Bestimmung der Drehzahl aus den beiden Zeitdistanzen T_v,α und T-T_v,α unabhängig von α₀ und α ist.

Für die Drehleistung P_rot gilt:

P_rot = M 2 π n (Gl.8)

die dann unter Einbeziehung von Gl.6 und Gl.7 allein aus den beiden Zeitdistanzen T_v,α und T-T_v,α berechnet werden kann:

P_rot = F_k.2π.[α₀/360°.T_v,α/(T_v,α + (T - T_v,α))-T_v,α/(T_v,α+(T-T_v,α))²].360° (Gl.9)

Die Auswertung durch eine vorzugsweise mikrocontrollerbasierte Auswerte schaltung (3) beschränkt sich auf die Bestimmung der zeitlichen Distanzen zwischen den Schaltimpulsen und einige einfache Rechenschritte (Fig. 5).

Allerdings müssen die beiden Zeitdifferenzen (ΔT)₁ und (ΔT)₂ zwischen 3 beliebigen aufeinanderfolgenden Schaltsignalen S(T_n), S(T_n+1), S(T_n+2 als T_v,α und T-T_v,α identifiziert werden.

Eine Beschränkung der Winkellage α₀ der beiden Magnete im momenteniosen Zustand auf maximal 180° und des Verdrehwinkels α auf einen Winkelbereich 0 < α < α₀ haben den Vorteil, daß die Bestimmung von T_v,α und T-T_v,α allein über eine einfache Abfrage erfolgen kann:

Wenn ((ΔT)₁ < (ΔT)₂) < 0,
dann (ΔT)₁ = T_v,α und (ΔT)₂ = T-T_v,α
sonst (ΔT)₂ = T_v,α und (ΔT)₁ = T-T_v,α

vorteilhaft wird α₀ 180° gewählt. Dann ist der einfach auswertbare Verdrehwinkel α ca. 180° und nutzt damit den linearen Bereich einer konventionellen Schenkelfeder gut aus, der bis ca. 200° gegeben ist.

Vorteile der Erfindung:

- einfache Erfassung des Drehmomentes durch eine Schenkelfederanordung,
- einfache Erfassung des Verdrehwinkels als Maß für das Drehmoment allein durch 2 Dauermagnete als Positionsmarken und einem Hall-Schaltelement,
- aus den Zeitdifferenzen der Schaltsignale können auf einfache Weise das Moment, die Drehzahl und die Drehleistung berechnet werden,
- Übertragungswege zwischen stationärem Teil und Rotationsteil zur Energieversorgung und/oder Übertragung der Meßgröße sind nicht erforderlich,
- das Verfahren ist durch Verwendung eines Magnetschalters sehr robust und sehr platzsparend auszuführen,
- die Lösung läßt sich so preiswert realisieren, daß neue Anwendungsfelder, z. B. im Funktionsmodellbau; erschlossen werden können.

Claims

1. Einrichtung zur berührungslosen simultanen Messung von Drehmoment, Drehzahl und Dreheistung, die an einer rotierenden kraftübertragenden Welle auftreten, mittels eines in die Welle eingefügten Torsionselementes, einem einzigen Schaltsensor und einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Verdrehung des Torsionselementes ein Maß für das angreifende Drehmoment ist,
2. das Torsionselement über mindestens 2 Positionsmarken verfügt, die in einer Rotationsebene liegen und deren Winkellage zueinander ein Maß für das angreifende Drehmoment ist,
3. am stationären Teil der Meßanordnung mindestens ein Schaltsensor in der Rotationsebene des Torsionselementes so angeordnet ist, daß bei Rotation des Torsionselementes dann ein Schaltsignal durch den Schaltsensor erzeugt wird, wenn eine Positionsmarke an ihm vorbeiläuft,
4. daß mindestens aus den beiden Zeitdifferenzen von 3 aufeinanderfolgenden Schaltsignalen mit einer Auswerteschaltung das Drehmoment, die Drehzahl und die Leistung berechnet werden können.

2. Einrichtung nach A1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. das Torsionselement durch 2 koaxiale Scheibenelemente ausgeführt ist, die über eine Schenkelfeder verbunden sind und bei denen die Positionsmarken auf dem Umfang der Elemente angebracht sind.

3. Einrichtung nach A1 oder A2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Positionsmarken als Dauermagnete und der Positionssensor als Magnetfeld-Schaltsensor ausgeführt sind.

4. Einrichtung nach A1 oder A2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Positionsmarken als optisch reflektierende Marke und der Positionssensor als lichtempfindlicher Sensor ausgeführt sind.

5. Einrichtung nach A1 oder A2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Positionsmarken als aktive optische Elemente (z. B. LED) und der Positionssensor als lichtempfindlicher Sensor ausgeführt sind.