DE3517889C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Dreh­ momentmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der GB-PS 20 62 257 bekannt. Beide Platten tragen linienförmige Muster, wobei das eine durch im wesentlichen radial verlaufende Streifen gebildet ist, während das andere ebenfalls streifenförmige Muster trägt, wobei diese unter einem kleinen Winkel gegenüber den Strei­ fen der ersten Platte geneigt sind, wobei sich diese im un­ belasteten Zustand bei Betrachtung parallel zur Achse der Welle etwa in der Mitte ihrer radialen Erstreckungen schnei­ den.

Bei einer anderen entsprechenden Vorrichtung tragen beide Platten der Form nach identische radial verlaufende Strei­ fen, wobei diejenigen auf der einen Platte positiv und die­ jenigen auf der anderen Platte negativ im Sinne der Licht­ durchlässigkeit sind (US-PS 34 95 452). Bei unbelasteter Welle ist durch die Anordnung der beiden Platten auf der Welle eine vorgegebene Lichtdurchlässigkeit gegeben, die auch Null betragen kann. Bei Verdrehung ändert sich die Lichtdurchlässigkeit.

Bei einer weiteren solchen Vorrichtung ist die eine Platte mit einer bestimmten Polarisationsrichtung für hindurch­ tretendes Licht polarisiert. Die andere Platte ist im inne­ ren Bereich mit einer demgegenüber anderen und im äußeren Bereich mit einer hierzu wiederum senkrechten Polarisations­ richtung polarisiert, wobei auch letztere sich von der Po­ larisationsrichtung der ersten Platte unterscheidet. Bei Verdrehung ändert sich die Polarisationsbeziehung hin­ durchtretenden Lichtes in sowohl innerem als auch äußerem Bereich, jedoch entgegengesetzt zueinander.

Die bekannten Vorrichtungen erlauben es jedoch nicht, in einfacher Weise auf sowohl die Höhe des ausgeübten Drehmo­ mentes als auch die Richtung der Kraftausübung zu schlie­ ßen, wozu vielmehr zusätzliche komplizierte und kostspieli­ ge Maßnahmen erforderlich sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau eine Auswertung sowohl hinsichtlich der Größe als auch der Richtung des Drehmomentes möglich ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 und 3 Darstellungen der Ausbildung der streifenförmi­ gen optischen Muster auf den beiden gegeneinander verdrehbaren Platten,

Fig. 4a bis 4d Darstellungen der Überlagerung der beiden optischen Muster bei unterschiedlichen Verdrehungen der zueinander verdrehbaren Platten gemäß Fig. 2 und 3,

Fig. 5 schematisch ein Blockschaltbild einer Detektorschal­ tung als Teil einer Detektoreinrichtung,

Fig. 6a, 6b Signalverläufe der Inverter am Ausgang der op­ tischen Detektoren der Detektorschaltung,

Fig. 7 zur Erläuterung eine Darstellung der grundsätzlichen Form sich kreuzender optischer Muster,

Fig. 8 im Schnitt eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit einem gekapselten Gehäuse mit darin hermetisch einge­ schlossener Flüssigkeit.

Das in den Fig. 1 bis 6 gezeigte Beispiel zeigt eine Welle 1, wie eine Kraftübertragungswelle oder dgl. in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges und ein Gehäuse 2, durch das die Welle 1 drehbar hindurchgeführt ist. Ein Paar aus einer ersten und einer zweiten drehbaren Platte 3 ₁, 3 ₂ ist in einem Raum im Gehäuse 2 angeordnet. Sie umgeben die Welle 1 und sind in axialer Richtung einander zugewandt. Diese rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ sind durch daran be­ festigte Verbindungsglieder 4 ₁, 4 ₂ so mit der Welle 1 ver­ bunden, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen ihren Befestigungsstellungen vorliegt.

Die beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ sind aus transpa­ rentem oder lichtdurchlässigem Material gefertigt, wobei jeweils ein optisches Muster 5, 6 in schwarzer Farbe durch einen Druckvorgang oder dgl. darauf so aufgetragen ist, daß radial nach außen gerichtete Streifen oder Linien gebildet sind, die in Umfangsrichtung eine feine Teilung p aufweisen. Das optische Muster auf einer der rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ z. B. auf der ersten rotierenden Platte 3 ₁ ist in einer solchen Form ausgebildet, daß jede Linie sich gerade stufenlos radial nach außen erstreckt (Fig. 2), aber das optische Muster 6, das auf der anderen Platte 3 ₂ angeordnet ist, weist eine solche Form auf, daß jede Linie darin in einen sich radial er­ streckenden äußeren Halbbereich 6 a und einen sich radial er­ streckenden inneren Halbbereich 6 b aufgeteilt ist, wobei die beiden Halbbereiche 6 a, 6 b gegeneinander um ¹/₄ der Muster-Teilung p zwischen den Linien in Umfangsrichtung phasenverschoben sind, wie es z. b. in Fig. 3 gezeigt ist.

Wenn bei dieser Anordnung eine relative Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ durch Torsion der Welle 1 hervorgerufen wird, so wird das optische Muster 5 der ersten rotierenden Platte 3 ₁ aus einer Stellung, bei der jede seiner Linien mit dem äußeren Halbbereich 6 a jeder Linie des optischen Musters 6 der zweiten rotierenden Platte 3 ₂ zusammenfällt (siehe Fig. 4a), in eine Stellung verdreht, in der jede Linie mit jedem transparenten Zwischenraum zwischen den inneren Halbbereichen 6 b benachbarter Linien des optischen Musters 6 zusammenfällt (Fig. 4b), um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend p/4, und weiter in eine Stellung, in der jede Linie mit je­ dem transparenten Zwischenraum zwischen den äußeren Halbbereichen 6 a zusammenfällt (Fig. 4c), um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend p/2, und weiter in eine Stellung, in der jede Linie mit den inneren Halbbereichen 6 b des optischen Musters 6 zusammenfällt (Fig. 4d), um einen Be­ trag der relativen Drehung entsprechend (³/₄) p, und weiter in eine Stellung die gemäß Fig. 4a entspricht, um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend 1p.

Hieraus ergibt sich, daß bei Betrachtung von einem stationären System aus, das nicht mit der Welle 1 umläuft, ein ringförmiges Moir´-Interferenz-Muster in einem Bereich B geschaffen wird, der einer Anordnung der inneren Halbbereiche 6 b entspricht (siehe Stellung in Fig. 4b), und ein ring­ förmiges Moir´-Interferenz-Muster in einem Bereich A ge­ schaffen wird, der einer Anordnung der äußeren Halbbereiche 6 a unter den in Fig. 4c gezeigten Bedingungen entspricht.

In Übereinstimmung mit einer Veränderung der Größe der re­ lativen Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂, wird so das Moir´-Interferenz-Muster abwechselnd im Bereich B oder im Bereich A geschaffen, wie wenn dies Muster zwischen den beiden Bereichen A und B wechseln würde.

Eine Detektoreinrichtung 7 stellt diese Verschiebungsbe­ wegung des Moir´-Interferenz-Muster fest. Beim gezeigten Beispiel ist die Detektoreinrichtung 7 so gestaltet, daß ein lichtaussendendes Faserelement 8 mit einem lichtaus­ sendenden Teil 2 a (Lichtsender) verbunden ist, das so am Gehäuse 2 angeordnet ist, daß es sich auf der einen Seite der beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ befindet. Ein Paar von lichtaufnehmenden Faserelementen 9 ₁, 9 ₂ sind jeweils, dem Bereich A bzw. B entsprechend, mit einem lichtempfangenden Teil 2 b (Lichtempfänger) verbunden, der am Gehäuse 2 auf der anderen Seite der beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ angeordnet ist.

Die durch die Bereiche A und B übertragenen Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle 10 durch die lichtübertragende optische Faser 8 auf die Platten projiziert werden, werden individuell durch die jeweilige, lichtleitenden optischen Fasern 9 ₁, 9 ₂ zu einem ersten optischen De­ tektor 11 ₁, der dem Bereich A bzw. einem zweiten optischen Detektor 11 ₂, der dem Bereich B entspricht, geführt, und jeweilige Signale, die von diesen Detektoren 11 ₁, 11 ₂ ab­ gegeben werden, können von einer Detektorschaltung ver­ arbeitet werden, um die Verschiebung des Moir´-Inter­ ferenz-Musters zu erfassen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann mit Hilfe eines Spiegels oder dgl. die das Licht empfangenden optischen Faserelemente 9 ₁, 9 ₂ an derselben Seite wie das lichtsendende Faserelement 8 angeordnet sein.

Die Detektorschaltung wird nachfolgend mit Bezug auf das Blockschaltbild in Fig. 5 erläutert:

Die jeweiligen optischen Detektoren 11 ₁, 11 ₂ sind an ihrer Ausgangsseite mit jeweiligen Wellenformern 12 ₁, 12 ₂ und jeweiligen Invertern 13 ₁, 13 ₂ versehen, so daß ein Impuls­ signal (Fig. 6a), das mit der Erzeugung des Moir´-Musters im Bereich A synchronisiert ist, vom ersten Inverter 13 ₁ erzeugt wird, der an den ersten Detektor 11 ₁ angeschlossen ist, und ein Impulssignal (Fig. 6b), das mit der Erzeu­ gung des Moir´-Musters im Bereich B synchronisiert ist, vom zweiten Inverter 13 ₂ erzeugt wird, der mit dem zweiten Detektor 11 ₂ verbunden ist. Ein Ausgangssignal des ersten Inverters 13 ₁ kann einem monostabilen Multivibrator 14 zugeführt werden und ein Ausgangssignal von diesem kann einem ersten und zweiten UND-Glied 15 ₁, 15 ₂ zugeführt werden, während ein Ausgangssignal des zweiten Inverters 13 ₂ direkt dem ersten UND-Glied 15 ₁ und über einen Inver­ ter 16 dem zweiten UND-Glied 15 ₂ zugeleitet wird. Ein Ausgangsimpulssignal vom ersten UND-Glied 15 ₁ kann als Additions-Berechnungsimpuls einem Zähler 17 zugeführt werden, der mit den zwei UND-Gliedern 15 ₁, 15 ₂ verbunden ist, während ein Ausgangsimpulssignal des zweiten UND- Gliedes 15 ₂ als Subtraktions-Berechnungsimpuls dem Zähler 17 zugeführt wird, so daß ein Drehmoment aus dem Zählerstand-Signal, das vom Zähler 17 abgegeben wird, durch eine Ausgangssignalverarbeitungsschaltung 18 er­ rechnet und abgegeben werden kann.

Im Einzelnen wird, wenn die Welle 1 entsprechend der Er­ zeugung und dem Ansteigen der Drehbeanspruchung verdreht wird, und der in Fig. 4a gezeigte Zustand in den in Fig. 4b gezeigten entsprechend dem Ansteigen der relativen Ver­ drehung zwischen den rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ übergeht, ein Moir´-Muster zunächst im Bereich B erzeugt, bevor es im Bereich A entsteht, und wird ein Ausgangssignal des zweiten Inverters 13 ₂ erzeugt, wodurch ein hochpegeliges Signal dem ersten UND-Glied 15 ₁ und ein niederpegeliges Signal dem zweiten UND-Glied 15 ₂ zugeleitet werden. Wenn danach die bestehenden Bedingungen in die in Fig. 4c ge­ zeigten geändert werden, wird das Moir´-Muster im Be­ reich A erzeugt und infolgedessen wird vom ersten Inver­ ter 13 ₁ ein Ausgangssignal erzeugt, wird ein Triggerimpuls vom monostabilen Multivibrator 14 erzeugt und wird dadurch ein einzelner Additions-Berechnungsimpuls dem Zähler 17 vom ersten UND-Glied 15 ₁ zugeleitet. Danach wird in im wesentlichen gleicher Weise jeder einzelne Additions-Be­ rechnungsimpuls in den Zähler 17 jedesmal eingegeben, wenn eine einer Teilung p des Musters ensprechende relative Ver­ drehung eintritt.

Wenn dagegen der Betrag der relativen Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ entsprechend einer Verringerung des Drehmomentes abnimmt, so verändern sich die Zustände entsprechend der Fig. 4d in die in der Fig. 4c gezeigten. Das Moir´-Muster wird dann im Bereich A er­ zeugt, bevor es im Bereich B erzeugt wird. In diesem Fall werden dem UND-Glied 15 ₂ vom Inverter 16 ein Signal mit hohem Pegel und ein Triggerimpuls vom monostabilen Multi­ vibrator 14 zugeführt, so daß ein Subtraktions-Berechnungs­ impuls dem Zähler 17 vom UND-Glied 15 ₂ zugeleitet wird.

So kann zu diesem Zeitpunkt die Verdrehung und damit das Drehmoment der rotierenden Welle 1 aus dem Zähler­ stand-Signal des Zählers 17 erfaßt werden.

Die optischen Muster 5, 6 die auf den beiden rotierenden Platten 3 ₁, 3 ₂ gebildet sind, sind nicht auf solche Formen beschränkt, wie sie bei den vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispielen benutzt wurden, sondern es können auch solche Abänderungen in Betracht gezogen werden, bei denen die optischen Muster 5, 6 z. B. Linien aufweisen, die sich zwar im wesentlichen radial erstrecken, sich jedoch kreuzen (vgl. Fig. 7). Durch eine solche Anordnung wird auch ein ringförmiges Moir´-Muster in jedem anderen Bereich geschaffen, bei dem die Kreuzungs­ punkte der Muster 5, 6 sich in radialer Richtung nach innen oder außen entsprechend dem Wechsel der relativen Dreh­ veränderung zwischen den beiden Platten 3 ₁, 3 ₂ verschieben. So wird das Moir´-Muster über jeden gewünschten einzelnen Punkt in radialer Richtung einmal pro relativer Ver­ schiebung um einen Betrag, der einer Teilung p entspricht, verschoben. Somit kann das Drehmoment (Torsionsmoment) in nahezu der gleichen Weise erfaßt werden unter Verwendung von mindestens zwei optischen Detektoren, wobei die Ver­ schieberichtung der Moir´-Muster und die Anzahl der durch den Soll-Punkt gehenden Moir´-Muster gemessen werden.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke ist auch bei einer Anordnung, wie sie in der US-PS 36 88 570 gezeigt ist, anwendbar, bei der statt rotierender Platten 3 ₁, 3 ₂ ein Paar rotierender Rohre vorgesehen ist, die so mit der Welle verbunden sind, daß sie einen vorbe­ stimmten Abstand zwischen sich freilassen. Eines der Rohre ist in das andere eingeführt, so daß die Außenfläche des inneren Rohres der Innenfläche des äußeren Rohres gegen­ überliegt. Jedes der beiden rotierenden Rohre ist mit einem optischen Muster versehen, das aus vorbestimmten in Umfangs­ richtung verlaufenden Linien mit Teilung (Schrittweite) besteht, so daß in etwa die gleiche Funktion wie oben erreicht wird.

Diese Art der Anordnung ist jedoch ungünstiger, weil die Ausbildung des optischen Musters auf einem solchen rohrförmigen Körper schwierig ist. Es ist auch schwierig und umständlich, die Rohre konzentrisch an der Welle zu befestigen, da jedes rotierende Rohr so angeordnet werden muß, daß beim Umlauf keine Schwenkbewegungen auftreten. Diese Anordnung kann jedoch aus Platzgründen zweckmäßig sein.

Bei den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen kann sehr leicht infolge von Eindringen von Staub in das Ge­ häuse 2 oder infolge von Feuchtigkeitsniederschlag im Gehäuse 2 eine diffuse Lichtreflektion zwischen dem licht­ aussendenden Teil 2 a und dem lichtaufnehmenden Teil 2 b auf­ treten, so daß die Meßgenauigkeit verschlechtert wird. Zur Abhilfe kann das Gehäuse 2 luftdicht ausgeführt werden. Die Herstellung eines absolut dichten Gehäuses ist je­ doch sehr schwierig und das Eindringen von Staub kann bis zu einem gewissen Grad, der Niederschlag von Feuchtigkeit dadurch jedoch nicht verhindert werden.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, durch die dieses Problem gelöst wird. Es wird nämlich ein Dich­ tungsglied 2 d, wie z. B. eine Öldichtung oder dgl. zwischen der Welle 1 und der inneren Fläche an jedem Ende des Ge­ häuses 2 vorgesehen, die an einem Lager 2c, das die Welle 1 trägt, angeordnet ist, so daß das Gehäuse 2 flüssigkeits­ dicht durch die Dichtung 2 d abgedichtet ist. Das Gehäuse 2 ist ferner mit Flüssigkeit gefüllt.

Eine flüssigkeitsdichte Abdichtung des Gehäuses ist wesentlich leichter herstellbar, als eine luftdichte Abdichtung. Das Eindringen von Luft von außen in das Ge­ häuse 2 wird durch den Flüssigkeitsinhalt verhindert, wenn das Gehäuse 2 flüssigkeitsdicht ausgebildet ist. Dement­ sprechend wird auch mit Sicherheit verhindert, daß in der Außenluft enthaltene Feuchtigkeit in das Gehäuse 2 eindringen kann und sich dort niederschlägt. Demzufolge können die Detektionsverhältnisse zwischen dem licht­ aussendenden Teil 2 a und dem lichtempfangenden Teil 2 b stets gleich gehalten werden, und das Auftreten von Ablesefehlern infolge sich ändernder Außenbedingungen wird sicher vermieden.

Zweckmäßig weist die verwendete Flüssigkeit stabile optische, physikalische und chemische Eigenschaften unter voraussehbaren äußeren Bedingungen auf. In dieser Hinsicht ist z. B. Silikonöl geeignet, und die Flüssigkeit kann je nach den Gegebenheiten unter Druck in das Ge­ häuse 2 eingefüllt werden.

Silikonöl ist bei Temperaturen von -30°C - 70°C trans­ parent und besitzt hohe Viskosität und ist vorteilhaft, um Flüssigkeitsdichtheit zu garantieren.

Nach der Erfindung wird so durch die relative Verdrehung von zwei rotierenden Platten gegeneinander, die durch Verdrehung einer Welle hervorgerufen wird, infolge der Verschiebung zwischen optischen Mustern, die auf die Platten aufgetragen sind, ein Moir´-Interferenz-Muster geschaffen, so daß eine Drehmomentgröße durch Erfaßung der Verschiebung des Moir´-Musters erfaßt werden kann. Ein stroboskopisches Licht wird nicht benötigt. Infolge­ dessen wird die Einrichtung um einen entsprechenden Be­ trag verbilligt. Zusätzlich kann die Drehbeanspruchung stets und nicht nur zu bestimmten Zeitpunkten abgelesen werden. Zusätzlich sind die Muster auf rotierenden Platten ausgebildet, deren Herstellung und Befestigung auf der Welle im Vergleich zu rotierenden Rohren, wie sie vorher benutzt wurden, vereinfacht wird. Die erfindungs­ gemäße Einrichtung ist besonders dann vorteilhaft, wenn sie an einem Fahrzeug oder dgl. zur Überwachung der Ma­ schine, einer Kraftübertragungsvorrichtung oder dgl. ent­ sprechend der Drehbeanspruchung vorgesehen wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur optischen Drehmomentmessung, mit einem Paar rotierender Platten (3 ₁, 3 ₂), deren jede ein optisches Muster in Form radial verlaufender Streifen (5, 6) trägt, die einander zugewandt sind und die auf einer Welle (1), deren Drehmoment gemessen werden soll, mit einem vorgegebenen Abstand zwischen ihren Befesti­ gungsstellungen angeordnet sind, so daß ein Moir´-Inter­ ferenz-Muster (5, 6) entsprechend den Wechseln der rela­ tiven Verdrehungen der beiden Platten (3 ₁, 3 ₂) gegenein­ ander erzeugbar ist, wobei jeder Streifen (5) des opti­ schen Musters auf einer der beiden rotierenden Platten (3 ₁) sich stufenlos radial erstreckt, und mit einer Detektoreinrichtung (7), die eine Verschiebung des Moir´-Interferenz-Musters zwischen äußeren und inneren Bereichen (A, B) der Platten (3 ₁, 3 ₂) erfaßt, so daß hierdurch die Drehmomentbeanspruchung der Welle (1) bestimmbar ist, wobei die Detektoreinrichtung (7) ein Paar optischer Detektoren (11 ₁, 11 ₂) zur Erfassung von jeweiligen Lichtstrahlen aufweist, die durch den radial äußeren Bereich (A) und den radial inneren Bereich (B) der Muster beider Platten (3 ₁, 3 ₂) getreten sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen (6) des optischen Musters auf der anderen Platte (3 ₂) stufenförmig angeordnet ist und einen radial gerichteten inneren Halbbereich (6 b) und einen radial gerichteten äußeren Halbbereich (6 a) aufweist, die sich in ihrer Phase voneinander unterscheiden, und daß die Detektoreinrichtung (7) sowohl die Anzahl der Verschiebungen der Moir´-Muster zwischen den beiden Be­ reichen (A, B) als auch die Richtung deren Verschiebung durch Ausgangssignale der beiden optischen Detektoren (11 ₁, 11 ₂) feststellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren und äußeren Halbbereiche (6 a, 6 b) um ¹/₄ der Teilung (Schrittweite p) des optischen Mu­ sters gegeneinander phasenversetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Muster einer der beiden Platten (3 ₁; 3 ₂) und das optische Muster der anderen der beiden Plat­ ten (3 ₂; 3 ₁) so angeordnet sind, daß die Streifen (5, 6) einander kreuzen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden rotierenden Platten ( 3 ₁, 3 ₂) in einem der Welle (1) lagernden Gehäuse (2) angeordnet sind, das auch Lichtsender (8) und Lichtempfänger (9 ₁, 9 ₂) der Detektoreinrichtungen (7) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (2) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist und eine Flüssigkeit enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Silikonöl ist.

7. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Platten zueinander konzentrisch rohrför­ mig gekrümmt ausgebildet sind und die Streifen der opti­ schen Muster in Umfangsrichtung verlaufen.