DE3314946C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines Drehmomentes - Google Patents

Abstract

Es wird eine Drehmoment-Meßvorrichtung angegeben, bei der eine Elektromagnetpulver-Kupplung (3) zwischen einer Energiequelle (1) und einer von der Energiequelle (1) angetriebenen Last (2) angeordnet ist. Der Erregerstrom der Elektromagnetpulver-Kupplung (3) wird gesteuert, um einen leichten Schlupfzustand zwischen der Eingangsseite (4, 5) und der Ausgangsseite (6, 7) der Elektromagnetpulver-Kupplung (3) auszubilden. Der Erregerstrom der Elektromagnetpulver-Kupplung (3) wird beim leichten Schlupfzustand gemessen, um auf diese Weise das Drehmoment zu messen, das von der Energiequelle (1) auf die Last (2) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes, das von einer ausgangsseitigen Energiequelle auf eine eingangsseitige Last übertragen wird, wobei die Drehmomentübertragung mit einer Elektromagnetpulverkupplung erfolgt, deren Erregerstrom zur Messung verwendet wird, und wobei der Erregerstrom gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Drehmoment-Meßvorrichtung zur Messung eines Drehmomentes, das von einer Energiequelle auf der Ausgangsseite auf eine Last auf der Eingangsseite übertragen wird, die durch eine Elektromagnetpulverkupplung miteinander gekoppelt sind, wobei die Elektromagnetpulverkupplung cine Erregerspule aufweist, deren Erregerstrom zur Messung des Drehmomentes dient und die an eine Erregcrsiromsteuerschaltung angeschlossen ist.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind beispielsweise aus der DE-AS 10 16 961 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein Bremsdynamometer beschrieben, welches im wesentlichen statisch arbeitet, wobei die von der Energiequelle über die Kupplung angetriebene Last nur geringe Drehbewegungen ausführen kann und durch entsprechende Anschläge begrenzt ist.

Bei dem Bremsdynamometer gemäß der DE-AS 10 16 961 muß jedoch die gesamte Leistung, welche der Anordnung zugeführt wird, innerhalb der Kupplung in Reibungsenergie umgesetzt werden, so daß eine gute Kühlung der Kupplung unbedingt erforderlich ist. Aus diesem Grunde sind dort spezielle Vorkehrungen unvermeidlich, welche zum Beispiel einen axial angesetzten Lüfter erforderlich machen. In den Fällen, wo ein anderes Kühlmedium als Luft eingesetzt wird, müssen weitere konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, damit die unvermeidliche Kühlung wirksam durchgeführt werden kann.

Ein elektromagnetischer Dynamometer, bei welchem der Erregerstrom einer Elektromagnetpulverkupplung gemessen und zugleich die Drehzahl auf der Erregcrscite kontrolliert wird, ist aus der US-PS 27 44 409 bekannt. Dabei dient derjenige Erregerstrom der Spule der Elektromagnetpulverkupplung, bei welchem eine Bremswirkung auf der Erregerseite festgestellt wird, als Maß für das Drehmoment. Bei der dort beschriebenen Anordnung ist weiterhin vorgesehen, daß an einem Teil, welches über die Elektromagnetpulverkupplung von der Erregerseite angetrieben wird, eine Federwaage angebracht ist. In Kombination mit einem Tachometer,

welches an einer von der Erregerseite drehend angetriebenen Welle angreift, dient die Federwaage als mechanische Meßeinrichtung für das Drehmoment

Die DE-AS 10 54 251 beschreibt eine Einrichtung zur Ermittlung des Obertragbaren Drehmomentes von Magnetpulverkupplungen, wobei der meßbare elektrische Widerstand der Pulverschicht der Elektromagnetpulverkupplung dazu verwendet wird, das übertragene Drehmoment zu messen. Weiterhin ist bei der dort beschriebenen Anordnung vorgesehen, daß der durch das Magnetpulver fließende Strom mit einem Meßgerät gemessen wird, welches in einer geeigneten Dimension geeicht sein kann, damit das von einer Kupplung oder einer Bremse übertragene Drehmoment durch den Erregerstrom auf den gewünschten Wert eingestellt wird.

Schließlich ist aus der US-PS 41 76 548 eine hydrostatische Drehmoment-Meßeinrichtung bekannt, bei der es darauf ankommt, mit entsprechenden Fluiden ein Gleichgewicht von Druckkräften zu erzielen.

Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine höhere Meßgenauigkeit ermöglichen und geeignet sind, auch unter schwierigen mechanischen Bedingungen einwandfrei zu arbeiten.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein Verfahren der in Rede stehenden Art so durchzuführen, daß die Drehgeschwindigkeiten der Ausgangsseite und der Eingangsseite unabhängig voneinander gemessen werden, daß die beiden Drehgeschwindigkeiten miteinander verglichen und zur Erzeugung eines Steuersignals verwendet werden, welches der Steuerung für den Erregerstrom und der Meßeinrichtung für den Erregerstrom zugeführt wird, und daß der Erregerstrom als Maß für das Drehmoment zu einem Zeitpunkt gemessen wird, wo noch kein Schlupf zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite herrscht.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die Drehgeschwindigkeiten auf der Ausgangsseite und der Eingangsseite mit magnetischen Aufnehmern gemessen werden, deren Frequenzsignale gemessen und miteinander verglichen werden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Durchführung der Messung der Erregerstrom in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit einem vorgegebenen Verringerungsverhältnis reduziert wird, daß das Drehmoment zu einem Zeitpunkt gemessen wird, wo der Schlupf zwischen der Ausgangsseitc und der Eingangsseite aufzutreten beginnt und der Erregerstrom auf seinem Wert festgehalten wird, und daß der Erregerstrom nach der Messung wieder auf einen höheren Wert gebracht wird.

Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Erregerstrom in vorgegebenen Perioden gemäß dem vorgegebenen Verringerungsverhältnis reduziert wird und die Haltezeit für den Erregerstrom zur Messung des Drehmomentes mit dieser Periode synchronisiert wird, um das Drehmoment im wesentlichen kontinuierlich zu messen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß auf der Ausgangsseite und auf der Eingangsseite jeweils eine Umdrehungsmeßeinrichtung angeordnet sind, daß die Umdrehungsmeßeinrichtungen an eine Umdrehungsvergleichsschaltung angeschlossen sind, und daß die Umdrehungsvergleichsschaltung einerseits an die Erregerstromsteuerschaltung und andererseits an eine Erregerstrommeßschaltung angeschlossen ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform dieser Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Umdrehungsmeßeinrichtungen auf der Ausgangswelle bzw. der Eingangswelle angeordnete Zahnräder aufweisen, denen Umdrehungsmeßfühler, insbesondere magnetischer Aufnehmer, zugeordnet sind.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Erregerstromsteuerschaltung an eine Meßzeitschaltung angeschlossen ist, die Steuersignale zur Reduzierung des Erregerstromes für die Erregerspule der Kupplung liefert.

Bei dieser Ausführungsform der Meßvorrichtung erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Meßzeitschaltung einen Oszillator aufweist, der in vorgegebenen Intervallen Steuersignale liefert, und daß die Haltezeit der Erregerstrommeßschaltung mit der Periode der Meßzeitschaltung synchronisiert ist.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird das zugrundeliegende Problem in zufriedenstellender Weise gelöst Dabei kann in vorteilhafter Weise eine dynamische Messung des Drehmomentes durchgeführt werden, was die Meßgenauigkeit in der gewünschten Weise verbessert. Weiterhin ist es gemäß der Erfindung nicht erforderlich, Wärme abzuführen, die sonst durch Bremsung oder Reibung hervorgerufen wird. Infolgedessen kann der apparative Aufwand gering gehalten werden.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, den Erregerstrom der Elektromagnetpulverkupplung bei Normalbetrieb auf einem Wert zu halten, bei dem in der Elektromagnetpulverkupplung kein Schlupf auftritt; während aber ein durch die Elektromagnetpulverkupplung zu übertragendes erforderliches Drehmoment gemessen wird, wird die Drehmomentkapazität nur für eine kurze Zeitspanne verringert und der Erregerstrom bei beginnendem Schlupf in der Elektromagnetpulverkupplung gemessen, so daß das Drehmoment gemessen wird, welches von der eingangsseitigen Energiequelle auf die ausgangsseitige Last übertragen wird. Dies bietet den Vorteil, daß der Schlupfverlust der Elektromagnetpulverkupplung nicht bei der Messung des übertragenen Drehmomentes auftritt und in diese eingeht. Weiterhin wird dadurch ein vergleichsweise exakter Meßstromwert erhalten, so daß die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen besitzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich problemlos in einer mechanisch festen Anordnung unterbringen, so daß sie auch unter schwierigen mechanischen Bedingungen der Betriebsverhältnise, wo Schwingungen, Stöße und dergleichen auftreten, in zufriedenstellender Weise eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehmo-

bo meni-rvieSvorricniung; und in

Fig.2 und 3 Drehmoment-Charakteristiken einer Elektromagnetpulverkupplung der Meßvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei Fig.2 die Drehmomentkapazität in Abhängigkeit vom Erregerstrom zeigt, während F i g. 3 die Schlupfumdrehungszahl in Abhängigkeit von der Erregerstromcharakteristik der Kupplung angibt.

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Drehmoment-Meßvorrichtung. Das Bezugszeichen 1 be-

zeichnet dabei eine Energiequelle, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Last, die von der Energiequelle 1 von der Eingangsseite angetrieben wird. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Elektromagnetpulverkupplung. Die Elektromagnetpulverkupplung 3 besteht aus folgenden Baugruppen: einem Rotationsbereich aus einem Antriebsteil 5, das an eine Ausgangswelle 4 der Energiequelle 1 angeschlossen ist und sich gemeinsam mit ihr dreht; einem angetriebenen Teil 7, das an eine Eingangswelle 6 der Last 2 angetrieben ist und sich gemeinsam mit ihr dreht; und elektromagnetischem Pulver 8, das dünn in einen ringförmigen Luftspalt zwischen der Innenumfangsfläche des Antriebsteiles 5 und der Äußenumfangsfiäche des angetriebenen Teiies 7 ge- is packt ist, sowie einem stationären Bereich, der eine Erregerspule 10 aufweist, die in einem Joch 9 eingeschlossen und ringförmig gewickelt ist. Das Antriebsteil 5, das angetriebene Teil 7 und das Joch 9 bestehen alle aus magnetischem Material. Wenn dementsprechend ein Erregerstrom durch die Erregerspule 10 fließt, wird ein magnetischer Fluß durch die Erregerspule 10 erzeugt und magnetisiert das elektromagnetische Pulver 8 längs eines Weges, der mit einer gestrichelten Linie in F i g. 1 angedeutet ist. Auf diese Weise werden das Antriebsteil 5 und das angetriebene Teil 7 durch die magnetische Kopplungskraft des elektromagnetischen Pulvers 8 zwischen ihnen gekoppelt, so daß ein der Kopplungskraft entsprechendes Drehmoment übertragen wird.

Die Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnen Umdrehungsmeßfühler, welche die Anzahl der Umdrehungen der Energiequelle 1 auf der Eingangsseite bzw. der Last 2 auf der Ausgangsseite abtasten bzw. messen. Bei der hier beschriebenen Ausführur.gsform sind die Umdrehungsmeßfühler 11 und 12 mit magnetischen Aufnehmern ausgestattet, welche Frequenzsignale proportional zu der Anzahl von Umdrehungen von Zahnrädern 13 und 14 liefern, die einerseits auf der Ausgangswelle 4 und andererseits auf der Eingangswelle 6 angebracht sind und ihrerseits aus magnetischem Material bestehen. Die Umdrehungsmeßfühler 11 und 12 sowie die Zahnräder 13 und 14 bilden Umdrehungsmeßeinrichtungen.

Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Erregerstromsteuerschaltung, die den Erregerstrom einstellt, der durch die Erregerspule 10 der Elektromagnetpulverkupplung 3 fließt Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Meßzeitschaltung, welche die Zeit für die Messung eines Drehmomentes vorgibt. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Umdrehungsvergleichsschaltung, welche die Ausgangssignale der Umdrehungsmeßfühler 11 und 12 als Eingangssignale erhält und das Auftreten von Differenzen bei den Umdrehungszahlen zwischen ihnen mißt. Beim Empfang eines Signals von der Meßzeitschaltung 16 reduziert die Erregerstromsteuerschaltung 15 den Erregerstrom in einem vorgegebenen Verringerungsverhältnis. Andererseits stellt die Erregerstromsteuerschaltung 15 den reduzierten Erregerstrom wieder auf seinen ursprünglichen Wert zurück, wenn die Umdrehungsvergleichsschaltung 17 das Auftreten einer Differenz zwischen den Umdrehungszahlen der beiden Umdrehungsmeßfühler 11 und 12 festgestellt hat

Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Erregerstrommeßschaltung bezeichnet, die auf ein Signal der Umdrehungsvergleichsschaltung 17 anspricht um den Erregerstrom zum Zeitpunkt des Auftretens einer Differenz zwischen den Umdrehunszahlen zu messen, und die den Wert des gemessenen Erregerstromes für eine vorgegebene Zeit hält

Die F i g. 2 und 3 zeigen Beispiele von Drehmomentcharakteristiken der Elektromagnetpulverkupplung 3 gemäß F i g. 1. F i g. 2 zeigt die Drehmomentkapazität in Abhängigkeit vom Erregerstrom, während F i g. 3 die Schlupfumdrehungszahl in Abhängigkeit von Errcgerstromcharakteristiken der Erregerströme /1 bis /6 der Elektromagnetpulverkupplung 3 zeigt. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Drehmomentkapazität im wesentlichen proportional zum Erregerstrom für den Bereich, wo keine magnetische Sättigung auftritt.

Die Drehmoment-Meßvorrichtung gemäß F i g. I wird nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 2 näher erläutert. Es wird angenommen, daß die Energiequelle 1 in Betrieb ist und ein Erregerstrom durch die Erregerspuie 10 der Eiektromagnetpulverkupplung 3 fließt, wie es mit dem Bezugszeichen /in F i g. 2 angedeutet ist. Die Drehmomentkapazität der Eiektromagnetpulverkupplung 3 beim Erregerstrom / ist mit T bezeichnet. Wenn die Drehmomentkapazität T nicht kleiner ist als ein erforderliches Drehmoment für die Drehung der Last 2, hat die Elektromagnetpulverkupplung 3 keinen Schlupf, und die Last 2 dreht sich dann mit der gleichen Umdrehungszahl wie die Energiequelle 1 bzw. deren Ausgangswelle 4. Wenn in diesem Zustand der durch die Erregerspule 10 fließende Erregerstrom reduziert wird, nimmt die Drehmomentkapazität der Elektromagneipulverkupplung 3 im Verhältnis zum Erregerstrom ab und wird kleiner als das erforderliche Drehmoment zum Drehen der Last 2. Infolgedessen tritt ein Schlupf in der Eiektromagnetpulverkupplung 3 auf, und die Umdrehungszahl der Last 2 nimmt entsprechend ab. Die Drehmomentkapazität der Elektromagnetpulvcrkupplung 3 ist zu dem Zeitpunkt, wo der Schlupf in ihr zu entstehen beginnt, gleich dem erforderlichen Drchmomenl zum Antreiben der Last 2, und diese Drehmomenlkapazität kann durch den Erregerstrom zu dem Zeitpunkt ausgedrückt werden, bei dem die Eiektromagnetpulverkupplung 3 zu rutschen begonnen hat

Es wird angenommen, daß ein richtiger Erregerstrom, der eine Drehmomentkapazität ausbildet, die nicht kleiner ist als das erforderliche Drehmoment zum Antreiben der Last 2, durch die Eiektromagnetpulverkupplung 3 fließt und von der Erregerstromsteuerschaltung 15 gehalten wird. Wenn in diesem Zustand ein Steuersignal von der Meßzeitschaltung geliefert wird, reduziert die Erregerstromsteuerschaltung 15 den Erregerstrom mit einem vorgegebenen Verringerungsverhältnis. Dementsprechend nimmt die Drehmomentkapazität der Eiektromagnetpulverkupplung 3 im wesentlichen proportional zum Erregerstrom ab. Dadurch wird somit die Drehmomentkapazität der Eiektromagnetpulverkupplung 3 kleiner als das erforderliche Drehmoment zum Drehen der Last 2: Es tritt somit ein Schlupf auf. Dieser Schlupf wird von der Umdrehungsvergleichsschultung 17 gemessen, deren Eingangssignale die Ausgangssignalc der jeweiligen Umdrehungsmeßfühler 11 und 12 sind, und die Erregerstrommeßschaltung 18 mißt den Erregerstrom zu diesem Zeitpunkt Andererseits erhält die Erregerstromsteuerschaltung 15 das Signal der Umdrchungsvergleichsschaltung 17 und stellt den reduzierten Erregerstrom rasch wieder her, um die Eiektromagnetpulverkupplung 3 wieder in den schlupflosen Zustand zu bringen. Da der von der Erregerstrommeßschaltung 18 gemessene Erregerstrom der Strom zu dem Zeitpunkt ist, in welchem der Schlupf in der Eiektromagnetpulverkupplung 3 aufgetreten ist, ist der Wert dieses Stromes im wesentlichen proportional zu dem Drehmoment welches zur Drehung der Last 2 erforderlich ist. Dieser

Wen wird als Drehmoment-Meßwert geliefert, nachdem er, falls erforderlich, für eine geeignete Zeit gehallen worden ist.

Auch wenn vorstehend ein einzelner Meßvorgang bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Drehmomcnt-Meßvorrichtung erläutert worden ist, kann das erforderliche Drehmoment zum Antreiben einer gegebenen Last 2 auch im wesentlichen kontinuierlich in der Weise gemessen werden, daß ein Oszillator, der in vorgegebenen Intervallen Steuersignale liefert, als Meßzeitschaltung 16 verwendet wird, und daß die Haltezeit der Erregerstrommeßschaltung 18 mit der Periode der Meß/.eitschaltung 16 synchronisiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Drehmoments, das von einer ausgangsseitigen Energiequelle auf eine eingangsseitige Last übertragen wird, wobei die Drehmomentübertragung mit einer Elektromagnetpulverkupplung erfolgt, deren Erregerstrom zur Messung verwendet wird, und wobei der Erregerstrom gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeiten der Ausgangsseite und der Eingangsseite unabhängig voneinander gemessen werden, daß die beiden Drehgeschwindigkeiten miteinander verglichen und zur Erzeugung eines Steuersignals verwendet werden, das der Steuerung für den Erregerstrom und der Meßeinrichtung für den Erregerstrom zugeführt wird, und daß der Erregerstrom als Maß für das Drehmoment zu einem Zeitpunkt gemessen wird, wo noch kein Schlupf zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite herrscht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeiten auf der Ausgangsseite und der Eingangsseite mit magnetischen Aufnehmern gemessen werden, deren Frequenzsignale gemessen und miteinander verglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Messung der Erregerstrom in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit einem vorgegebenen Verringerungsverhältnis reduziert wird,

daß das Drehmoment zu einem Zeitpunkt gemessen wird, wo der Schlupf zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite aufzutreten beginnt und der Erregerstrom auf seinem Wert festgehalten wird,
und daß der Erregerstrom nach der Messung wieder auf einen höheren Wert gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom in vorgegebenen Perioden gemäß dem vorgegebenen Verringerungsverhältnis reduziert wird und daß die Haltezeit für den Erregerstrom zur Messung des Drehmomentes mit dieser Periode synchronisiert wird, um das Drehmoment im wesentlichen kontinuierlich zu messen.

5. Drehmoment-Meßvorrichtung zur Messung eines Drehmomentes, das von einer Energiequelle (1) auf der Ausgangsseite auf eine Last (2) auf der Eingangsseite übertragen wird, die durch eine Elektromagnetverkupplung (3) miteinander gekoppelt sind, wobei die Elektromagnetpulverkupplung (3) eine Erregerspule (10) aufweist, deren Erregerstrom zur Messung des Drehmomentes dient und die an eine Erregerstromsteuerschaltung (15) angeschlossen ist, dadurch gkennzeichnet, daß auf der Ausgangsseite (4) und auf der Eingangsseite (6) jeweils eine Umdrehungsmeßeinrichtung (11, 13; 12, 14) angeordnet sind,

daß die Umdrehungsmeßeinrichtungen (11, 13; 12, 14) an eine Umdrehungsvergleichsschaltung (17) angeschlossen sind,

und daß die Umdrehungsvergleichsschaltung (17) einerseits an die Erregerstromsteuerschaltung (15) und andererseits an eine Erregerstrommeßschaltung (18) angeschlossen ist.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsmeßeinrichtungen (11, 13; 12, 14) auf der Ausgangswelle (4) bzw. der Eingangswelle (6) angeordnete Zahnräder (13 bzw. 14) aufweisen, denen Umdrehungsmeßfühler, insbesondere magnetische Aufnehmer (11 bzw. 12) zugeordnet sind.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerstromsteuerschaltung (15) an eine Meßzeitschaltung (16) angeschlossen ist die Steuersignale zur Reduzierung des Erregerstromes für die Erregerspule (10) der Kupplung (3) liefert

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Meßzeitschaltung (16) einen Oszillator aufweist der in vorgegebenen Intervallen Steuersignale liefert

und daß die Haltezeit der Erregerstrommeßschaltung mit der Periode der Meßzeitschaltung (16) synchronisiert ist.