DE19907270A1

DE19907270A1 - Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle

Info

Publication number: DE19907270A1
Application number: DE1999107270
Authority: DE
Inventors: Kurt Schoenmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-02-20
Filing date: 1999-02-20
Publication date: 2000-08-24

Abstract

Die Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle, insbesondere der Abtriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes, weist eine die Welle über einen vorgegebenen axialen Bereich umgebende Manschette auf, die derart mit der Welle verbunden ist, daß eine durch Drehmomentbeaufschlagung der Welle in ihr erzeugte Torsion zu einer entsprechenden Torsion der Manschette führt, wobei der Manschette eine Meßanordnung zur Feststellung der Größe der Torsion zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle, insbesondere der Abtriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes.

Üblicherweise werden bei modernen Kraftfahrzeugen die die Getriebewellen insbesondere von Automatgetrieben beauf schlagenden Drehmomente nicht gemessen, sondern z. B. unter Verwendung von Beschleunigungswerten berechnet. Wird die elektronische Motorsteuerung zu diesem Zweck verwendet, so kann man aus den Daten der Einspritzpumpen das Motormoment berechnen und aus diesem unter Vorgabe bestimmter Randbe dingungen die Drehmomente ableiten, welche auf die Getrie bewellen wirken. Diese Berechnungen sind jedoch mit erheb lichen Fehlerfortpflanzungen behaftet. Für kompliziertere Getriebesteuerung sollte zumindest das die Abtriebswelle des Getriebes beaufschlagende Drehmoment genau bekannt sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor richtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle und ins besondere der Abtriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes zu schaffen, mit der auf einfache und zuverlässige Weise die ses Drehmoment gemessen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung sieht also vor, daß die zu messende Wel le über einen vorgegebenen axialen Bereich mit einer Man schette versehen ist, die derart mit der Welle verbunden ist, daß eine durch Drehmomentbeaufschlagung der Welle in ihr hervorgerufene Torsion zu einer entsprechenden Torsion der Manschette führt und daß der Manschette eine Meßanord nung zur Feststellung der Größe der Torsion zugeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß die Meßanordnung auf ruhenden Bauteilen des Getriebes angebracht werden kann, so daß keine kritischen Drehdurch führungen von elektrische Signale führenden Leitungen, wie Bürsten, notwendig sind, die sich als problematisch heraus gestellt haben, insbesondere bei einer Messung mit einem herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen.

Ferner wird der Vorteil erzielt, daß die Meßanordnung am Getriebeausgang angeflanscht sein kann, so daß keine Probleme mit dem Getriebeöl auftreten, wobei die Anforde rungen an die thermische Beständigkeit der Sensorik nicht besonders ausgeprägt sein müssen.

Zur Messung des Drehmomentes können gemäß der Erfin dung drei physikalische Effekte ausgenutzt werden:

- die Magnetisierungsänderung magnetostriktiver Materia lien;
- die Änderung des Brechungsindex bei Verspannung;
- die Änderung der dielektrischen Konstante ε der Man schette.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel be steht die einen vorgegebenen axialen Bereich der Welle überziehende Manschette aus einem magnetostriktiven Materi al. in dem bei auftretender Torsion das magnetische Moment verändert wird: dieses Magnetisierungsänderung kann entwe der durch eine in der Nähe der Manschette angeordnete Hall sonde oder durch eine Meßspule eines Schwingkreises festge stellt werden, wobei die Magnetisierungsänderung eine Fre quenzänderung im Schwingkreis bedingt.

Die Manschette kann z. B. aus einem ferromagnetischem Material bestehen, wobei Deformationen der Manschette auf grund von Änderungen der Richtungen der Molekularmagnete zu einer Magnetisierungsänderung führen, die mittels der Hall sonde bzw. der Meßspule des Schwingkreises gemessen werden kann.

Befindet sich die zu messende Welle mit der sie über ziehenden Manschette in einem Ölbad, so ist es vorteilhaft, wenn diesem ein Ölfilter zugeordnet ist, welches magneti sche Verunreinigungen, z. B. Abrieb, entfernt, um unver fälschte Meßwerte zu erhalten. Neben diesem magnetischem Ölfilter ist ein in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführ tes Eichverfahren bzw. Nacheichverfahren vorteilhaft.

Die den bestimmten axialen Bereich der Welle umgebende Manschette, die derart mit der Welle verbunden ist, daß sich eine Torsion der Welle durch Beaufschlagung des Drehmomentes als Torsion der Manschette auswirkt, kann auch aus einem bestimmten transparenten Material bestehen, des sen optische Eigenschaften sich durch Druck, Schub bzw. Torsion ändern. Die optische Eigenschaft, die hier für ei nen Meßvorgang in Frage kommt, kann z. B. die Reflektivität sein, deren Änderung eine Funktion der der Manschette über tragenen Torsion ist. Das Meßprinzip besteht dabei darin, daß eine Leuchtdiode einen Lichtstrahl auf die Manschette richtet und daß die Reflexion des Lichtstrahls durch einen Sensor, z. B. eine Diode, festgestellt wird. Die Änderung der Reflexion ist dabei ein Maß für die auftretende Torsi on.

Eine Steigerung der Genauigkeit dieser Anordnung be steht darin, daß als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet wird, welche ein auf der zylindrischen Innenseite der transparenten Manschette angeordnetes Reflexions- Interferenz-Gitter bestrahlt, so daß sich ein bestimmtes Interferenzmuster ausbildet. Bei Beaufschlagung der Welle und damit der Manschette durch ein Drehmoment führt die dadurch auftretende Torsion der Manschette zu einer Ände rung des Brechungsindex des optisch transparenten Materi als, wodurch sich die Lichtwellenlänge im Medium ändert und damit auch das Interferenzmuster. Eine außerhalb der Man schette angeordnete Meßdiode kann dabei die Hell-Dunkel- Durchgänge dieser Änderung messen, wobei ein der Meßdiode zugeordneter Rechner unter Verwendung von Eichkennlinien das Drehmoment der Welle bestimmt.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrich tung kann darin bestehen, die zylindrische Außenseite der Manschette als Dispersionsschirm in Form einer Mattscheibe auszubilden, wobei die Hell-Dunkel-Streifen bei Bela stungsänderungen auf diesem Dispersionsschirm entlang wan dern und wobei die Meßdiode eine bestimmte Stelle dieses Dispersionsschirms beobachtet. Mit dieser Vorrichtung las sen sich schädliche Einflüsse des Getriebeöls, z. B. durch Veränderung deren optischen Eigenschaften bei. Alterung, umgehen, so lange das Getriebeöl eine gewisse Mindesttrans parenz für das verwendete Licht aufweist.

Auch bei dieser Variante ist es vorteilhaft zur Ver meidung des die Meßergebnisse möglicherweise verfälschenden Einflusses aufgrund Veränderung von Materialeigenschaften in regelmäßigen vorgegebenen zeitlichen Abständen eine Nacheichung der stehenden unbelasteten Welle vorzunehmen.

Eine weitere erfindungsgemäße Variante besteht darin, eine Drehmomentmessung durch Feststellung der Änderung der dielektrischen Konstante ε der Manschette vorzunehmen. In diesem Fall wird eine Manschette aus einem nicht transpa renten Dielektrikum verwendet, wobei die Änderung der di elektrischen Konstanten mittels einer geeigneten Kondensato ranordnung gemessen wird. Eine Kondensatorplatte besteht dabei aus einer auf der zylindrischen Innenseite der Man schette aufgebrachten metallischen Schicht, während die andere Kondensatorplatte aus der Meßanordnung besteht, die möglichst nahe an der sich drehenden Welle angeordnet sein soll. Eine sehr genaue Messung kann dabei durch Messung der Frequenzänderung eines Schwingkreises vorgenommen werden, da sich Frequenzen im allgemeinen sehr genau messen lassen.

Auch hier ist es vorteilhaft, ein Ölfilter zum Entfer nen metallischer Verunreinigungen durch Abrieb einzusetzen, sofern sich die zu messende Welle im Ölbad befindet und/oder in vorgegebenen Zeitabstände Nacheichgänge durch zuführen.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen ein einfaches genaues Messen des eine Welle beaufschlagenden Drehmomentes, wobei in allen vorgeschlagenen Fällen die Meßanordnung auf ruhenden Bauteilen angeordnet werden kann, so daß Durchführungsprobleme der die elektrischen Signale führenden Leitungen vermieden sind.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Wel le, insbesondere der Abtriebswelle eines Kraftfahrzeugge triebes, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle über einen vorgegebenen axialen Bereich mit einer Manschette versehen ist, die derart mit der Welle verbunden ist, daß eine durch Drehmomentbeaufschlagung der Welle in ihr erzeugte Torsion zu einer entsprechenden Torsion der Manschette führt und daß der Manschette eine Meßanordnung zur Feststellung der Größe der Torsion zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Manschette aus einem magnetostriktiven Material besteht und daß die Meßanordnung eine Hallsonde aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Manschette aus einem magnetostriktiven Material besteht und daß die Meßanordnung eine Meßspule eines Schwingkreises aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Manschette aus einem transparenten Material besteht, dessen optische Eigenschaf ten sich bei Torsion der Manschette ändern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßanordnung eine einen Lichtstrahl auf die Manschette richtende Lichtquelle und einen das von der Oberfläche der Manschette reflektierte Licht messenden Sensor aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßanordnung eine La serdiode aufweist, daß der Sensor aus einer Meßdiode be steht und daß an der zylindrischen Innenseite der transpa renten Manschette ein Reflexions-Interferenz-Gitter ange ordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die zylindrische Außenseite der transparenten Manschette als Dispersionsschirm ausge bildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Manschette aus einem nicht transparenten Material besteht, daß die zylindrische Innenseite der Manschette mit einer Metallschicht versehen ist und daß der Metallschicht auf der Innenseite eine zwei te Metallschicht im Abstand zugeordnet ist, so daß die bei den Metallschichten einen Kondensator bilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kondensator Teil eines Schwingkreises ist, der mit einem Frequenzmesser verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Welle und die Meßanordnung aufnehmenden Raum ein Ölfilter zur Entfernung metallischer Verunreini gungen vorgesehen ist.