DE2060033B2 - Anordnung zum messen des auf eine welle einwirkenden drehmomentes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des auf eine Welle einwirkenden Drehmoments mit zwei mit deren beiden Enden verbundenen Zahnrädern, mit mit den Zahnrädern magnetisch gekoppelten und deren Drehung in Wechselspannungssignale umwandelnden magnetischen Fühlern und mit einer Meßschaltungsanordnung, die eine Phasenverschiebung zwischen den von den beiden magnetischen Fühlern abgegebenen Signalen als Anzeige eines Drehmoments erkennbar macht.

Bekannt ist eine Anordnung dieser Art, mit der sich das auf eine Welle einwirkende Drehmoment genau bestimmen läßt. Die beiden magnetischen Fühler oder Wandler sind in geringem Abstand von den auf der Welle sitzenden Zahnrädern ortsfest angeordnet. Bei einer Winkelverschiebung zwischen den beiden Zahnrädern, die auf eine Torsion der Welle infolge eines auf diese einwirkenden Drehmoments zurückgeht, ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den beiden in den beiden magnetischen Fühlern erzeugten Signalen. Diese Phasenverschiebung läßt sich messen und ist ein Maß für das Drehmoment.

Die Stärke der in den magnetischen Fühlern entstehenden Signale ist abhängig von dem Abstand zwischen ihnen und den Zahnrädern. Bei einem Kippen der Welle um ihre Längsachse verändern sich diese Abstände und führen zu einem Meßsignal, das nicht auf eine Drehmomentänderung zurückgeht und damit zu einer fehlerhaften Anzeige

ίο führt (USA.-Patentschrift 3 258 961).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die technische Aufgabe zugrunde, eine Anordnung so auszubilden, daß das Drehmoment auch bei einem Kippen der Welle genau angezeigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Anordnung der eingangs genannten Gattung vor, daß ein drittes Zahnrad und ein ihm zugeordneter dritter magnetischer Fühler axial außerhalb

der beiden anderen Zahnräder mit der Welle verbunden bzw. an ihr angeordnet sind, und die Meßschaltungsanordnung die Summe bildet aus den von den beiden ersten magnetischen Fühlern erzeugten Signalen und die Summe aus den beiden

Signalen, die von dem dritten magnetischen Fühler und dem diesem am nahesten liegenden der ersten beiden Fühler erzeugt werden, und beide Summen zur Bildung eines das Drehmoment anzeigenden Signals addiert.

Bei einem Kippen der Welle um ihre Mittelachse entstehen in den jeweils benachbarten magnetischen Fühlern Signale, die bei Addition zu Werten führen, die in ihrem Betrag gleich und in ihrer Phase entgegensetzt sind. Bei Addition heben sie sich auf,

so daß nur noch das auf eine wirkliche Drehmomentänderung zurückgehende Signal erhalten bleibt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform sieht die Erfindung vor, daß der Abstand zwischen den beiden

ersten Zahnrädern gleich dem Abstand ist zwischen dem dritten Zahnrad und dem diesem am nahesten liegenden ersten Zahnrad.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sehen zweckmäßige elektrische S6haltungen vor.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß ein Kippen der Welle nicht zu einer fehlerhaften Anzeige führt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu dient auch die Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Meßanordnung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 3 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung und

F i g. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung mit gleichzeitiger Angabe von an verschiedenen Punkten auftretenden Spannungen.

Fig. 1 zeigt eine Welle 2, deren Drehmoment gemessen wird. Ein Ende der Welle ist mit einem Motor und das andere Ende mit einer Last verbunden. Ein Zahnrad 4 sitzt auf der Welle 2. Koaxial auf der Welle 2 ist eine Hülse 6 angeordnet. Die Hülse 6 ist mit dem vom Zahnrad 4 abgelegenen Ende der Welle 2 verbunden. Das freie Ende der Hülse 6 trägt ein zweites Zahnrad 8. Eine Dreh-

•-nomentabnahmeeinheit ist vorgesehen und besteht aus zwei magnetischen Fühlern 10 und 12. Jeder ist unmittelbar an einem Zahnrad 4 bzw. 8 angeordnet. Es ergeben sich nahezu sinusförmige Signale, wenn die Zahnräder an den Polschuhen der magnetischen Fühler 10,12 vorbeigehen. Wenn sich die Welle 2 dreht, nimmt das Drehmoment zu und die Zahnräder 4, 8 erfahren relativ zueinander eine Verschiebung, welche zu dem auf die Welle einwirkenden Drehmoment proportional ist. Die Pbasenbeziehung der in den Fühlern erzeugten Signale steht infolgedessen in direkter Beziehung zu der relativen Winkelverschiebung der Zahnräder und daher auch in direkter Beziehung zum Drehmoment. Die Signale werden einem Drehmomentindikator 14 zugeführt. Eine Temperaturkompensationseinrichtung, wie z. B. ein Thermistor 16, ist zwischen den Abnehmern 10 und 12 angeordnet. Am Indikator wird die Phasenbeziehung der Signale angezeigt und einem Gleichstrom-Servosystem 18 zugeführt, welches die Phasenbeziehung auf einem Meßgerät a\i> Einheiten des Drehmoments, in Prozent des vollen Drehmoments oder in anderen Einheiten, darstellt.

Bei einem Kippen der Welle 2 aus ihrer Mittellage wird dies als eine Zunahme oder Abnahme des Drehmoments dargestellt und beeinflußt die Genauigkeit der Messung." In F i g. 2 ist ein System dargestellt, welches solche Fehler kompensiert. Da? in Verbindung mit F i g. 1 beschriebene Drehmomentmeßsystem wird wieder verwendet. Zusätzlich sind jedoch ein drittes Zahnrad 20 und ein dritter magnetischer Fühler 22 vorgesehen. Das dritte Zahnrad 20, welches als Stellungsrad bezeichnet wird, ist unmittelbar auf der Hülse 6 derart befestigt, daß der Mittelpunktsabstand zwischen Zahnrad 8 und ihm gleich dem Mittelpunktsabstand zwischen den Zahnrädern 4 und 8 ist. Der Fühler 22 ist in unmittelbarer Nähe des Zahnrades 20 angeordnet und erzeugt ein Signal, dessen Frequenz identisch ist mit jener der Signale der Zahnräder 8 und 4. Es handelt sich nun darum, zu entscheiden, welcher Anteil der gesamten Phasenverschiebung zwischen den Signalen des Zahnrades 4 und des Zahnrades 8 eine Funktion des übertragenen WcHcndrehmoments ist. Wie Fig. 2 zeigt, erzeugt bei identischen Mittelpunktsabjtänden zwischen den Zahnrädern eine falsche Ausrichtung der Welle 2 identische, jedoch entgegengesetzte Phasenverschiebungsänderungen. Gemäß F i g. 3 sind die drei Fühler 10,12, 22 entlang einer Geraden angrenzend an ihre Zahnräder angeordnet. Die Achse der Welle 2 ist relativ zur Mittellinie der Fühler 10,12, 22 verkantet. Daher wird eine Phasenverschiebungsänderung zwischen dem Bezugssignal im Fühler 12 und dem Drehmomentsignal im Fühler 10 erzeugt. Die gleiche Phasenverschiebungsänderung wird in der entgegengesetzten Richtung zwischen dem Bezugssignal und dem Stellungssignal im Fühler 22 erzeugt. Diese beiden Phasenverschicbungssignale werden in proportionale Gleichspannungen umgewandelt, algebraisch summiert und dadurch unwirksam gemacht. Die resultierende Gleichspannung bleibt dem übertragenen Drehmoment der Welle 2 direkt proportional. Die Phasenverschiebungsänderungen zwischen den von den magnetischen Fühlern 10, 12, 22 in der oben beschriebenen Weise erzeugten Signalen werden in einem Nulldurchgangsstromkrcis angezeigt, welcher Steuerspannungen erzeugt, um die Phase der eingehenden Signale zu bestimmen.

Gemäß F i g. 4 sind die drei magnetischen Fühler 10, 12, 22 angrenzend an ihre Zahnräder 4, 8, 20 angeordnet. Die von den Fühler erzeugten Signale ändern ihre Frequenz und Amplitude, da sowohl Frequenz- als auch Amplitudenmodulation vorhanden ist, sowie ein bestimmtes Maß an harmonischen Verzerrungen. Die Fühler sind deiart ausgebildet, daß die genaue Bestimmung der Nulldurchgangspunkte 24 der sinusförmigen Signale die Phasenverschiebung genau anzeigt. Jedes Signal wird auf einen Nulldurchgangs-Detektorkreis gelegt, von denen zwei dargestellt sind. Da diese Kreise identisch sind, wird nur einer beschrieben. Das von einem der Fühler eingehende Signal wird auf einen Transformator Tl zur Einwirkung gebracht, welcher als ein Aufwärtstransformator wirkt, um den Umwandler an die Nulldurchgangsschaltung anzupassen. Das Spannungsverhäitnis des Transformators ist im interessierenden Frequenzbereich konstant und die Phasenverschiebung des Transformators ist auf diesen Frequenzbereich angepaßt, um Phasenfehler ?\\ eliminieren. Das Signal wird dann über einen Widerstand R1 auf eine Tunneldiode TD1 zur Einwirkung gebracht. Um den Nulldurchgang genau zu bestimmen, ist die Tunneldiode durch eine Gleichspannung vorgespannt, die von einer positiven Spannungsquelle über die Widerstände R 1, R 2 und R 3 abgeleitet wird. Die Vorspannung wird durch das Potentiometer R 3 so eingestellt, daß der Strom der Tunneldiode einen Spitzenwert aufweist. Der aus dem Eingangssignal resultierende zusätzliche Strom bewirkt, daß die Tunneldiode TD1 ihren Spitzenwert überschreitet, und treibt dieselbe in den negativen Widerstandsbereich, in welchem die Tunneldiode in einen neuen stabilen Zustand schaltet. Wenn sich das Signal umkehrt, schaltet die Tunneldiode wieder in ihren Ausgangszustand. Das resultierende Signal weist scharfe vordere und hintere Flanken, sowie ein durch die Dioden CR1 und CR 2, welche zur Tunneldiode TD 1 parallel geschaltet sind, bestimmtes Niveau auf. Das Signal wird dann durch einen Diflcrenzierungsstromkreis, der aus einem Kondensator C 1 und einem Widerstand R 4 besteht, differenziert, um die dargestellen positiven und negativen Spitzen zu erzeugen. Der Stromkreis wird dynamisch derart eingestellt, daß die positive Spitze beim positiven Nulldurchgang des eingehenden Signales erzeugt wird. Um die Temperaturstabilität zu gewährleisten, ist die Tunneldiode TD1 am Zündzeitpunkt relativ zur Temperatur angepaßt, was sicherstellt, daß fremde Phasenverschiebungen nicht auf diese Weise eingeführt werden. Es soll auch bemerkt werden, daß der Transformator Tl zur Bestimmung des Nulldurchgangs nicht unbedingt notwendig ist. da seine Aufgabe nur in der Impedanzanpassung besteht. In manchen Fällen kann die Nulldurchgangsschaltung direkt vom Fühler gespeist werden. Wie F i g. 4 zeigt, steht die resultierende Gleichspannung in direkter Beziehung zu der gesamten Phasenverschiebung zwischen dem Drchmomentsignal vom Fühler 10 und dem Bezugssignal vom Fühler 12.

Ähnlich wird das Stellungssignal vom magnetischen Fühler 22 einem Stellungs-Nulldurchgangs-Detektorstromkreis zugeführt. Fir erzeugt eine Gleichspannung, die zu der Phasenverschiebung zwischen dem Stellungssignal und dem Bezugssignal in direkter Beziehung steht. Wie bereits erwähnt, er-

zeugt ein Kippen der Welle 2 identische Phasenverschiebungsänderungen in entgegengestzten Richtungen. Diese Phasenverschiebungsänderungen werden dann in der vorstehend beschriebenen Weise genau angezeigt und später durch algebraische Summierung unwirksam gemacht, wenn die Gleichspannungen den Phasenvergleichstromkreisen zügel werden. Die Vergleichsstromkreise und die Si Steuerungen haben die übliche Ausbildung um geben eine Anzeige in Einheiten des Drehmom in Prozent des vollen Drehmoments oder in
anderen Einheit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen des auf eine Welle einwirkenden Drehmoments mit zwei mit deren beiden Enden verbundenen Zahnrädern, mit mit den Zahnrädern magnetisch gekoppelten und deren Drehung in Wechselspannungssignale umwandelnden magnetischen Fühlern und mit einer Meßschaltungsanordnung, die eine Phasenverschiebung zwischen den von den beiden magnetischen Fühlern abgegebenen Signalen als Anzeige eines Drehmoments erkennbar macht, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Zahnrad (20) und ein ihm zugeordneter dritter magnetischer Fühler (22) axial außerhalb der beiden anderen Zahnräder (4, 8) mit der Welle (2) verbunden bzw. an ihr angeordnet sind und die Meßschaltungsanordnung die Summe bildet aus den von den beiden ersten magnetischen Fühlern (10,12) erzeugten Signalen und die Summe aus den beiden Signalen, die von dem dritten magnetischen Fühler (22) und dem diesem am nahesten liegenden der ersten beiden Fühler (10,12) erzeugt werden, und beide Summen zur Bildung eines das Drehmoment anzeigenden Signals addiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden eisten Zahnrädern (4, 8) gleich dem Abstand ist zwischen dem dritten Zahnrad (20) und dem diesem am nahesten liegenden ersten Zahnrad (8).

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaluingsanordnung eine Kippschaltung (R 1 bis R 3, TD1) und eine Differenzierstufe (R 4, Cl) enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung eine Tunneldiode (TD 1) und eine Schaltung (R 1 bis R3) zum Erzeugen einer Vorspannung für die Tunneldiode (TDl) aufweist.