DE3916808C2 - Drehmomentmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentmeßvorrichtung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist.

Es ist bekannt, zwischen einer Lastseite und einer Antriebs­ seite einer Drehmomentübertragungswelle, die mit einer An­ triebsmaschine wie einem Motor oder einer anderen Art von An­ triebsmaschine verbunden ist, eine Drehmomentmeßvorrichtung anzubringen, die eine Torsion (Scherungsbeanspruchung) an ei­ ner Drehmomentübertragungswelle oder einer Drehmomenterfas­ sungswelle feststellt, die zwischen der Lastseite und der An­ triebsseite der Drehmomentübertragungswelle angebracht ist.

Eine herkömmliche Drehmomentmeßvorrichtung hat jedoch inso­ fern einen Nachteil, als sich das zu messende Objekt dreht und die gemessenen Daten zu einem stationären Gerät über eine Fernmeßeinrichtung oder einen Schleifring übertragen werden, so daß die Erfassungsgenauigkeit wegen der durch den Drehkon­ takt des Schleifrings oder der durch andere Quellen einge­ führten Störungen niedrig ist.

Zur Überwindung dieses Nachteils ist eine Vorrichtung zum Messen eines solchen Drehmoments mittels eines kontaktfreien Vorgangs vorgeschlagen worden, bei dem eine relative Phasen­ differenz zwischen zwei rotierenden Scheiben erfaßt wird, die auf der Abtriebsseite bzw. der Antriebsseite der Drehmoment­ übertragungswelle angebracht sind. Wie beispielsweise in Fig. 10 dargestellt ist, die die Antriebsseite einer Drehmomentde­ tektorwelle zeigt, ist an einem Flansch 72, der an der An­ triebsseite 71a der Drehmomentdetektorwelle 71 befestigt ist, eine rotierende Scheibe 73 befestigt, und eine stationäre Scheibe 74 ist fest und koaxial in einer Position angrenzend an die rotierende Scheibe 73 angeordnet. Mehrere Längsschlit­ ze 74a, 73a sind in radial gleichen Abständen in den Außenum­ fangsbereichen der stationären Scheibe 74 und der rotierenden Scheibe 73 angebracht, und ein Lichtempfänger 75 ist so ange­ ordnet, daß er ein durch die zwei Schlitze 73a und 74a über­ tragenes Licht von einem Lichtprojektor 76 empfängt. Die glei­ che Anordnung ist auf der Abtriebsseite, d. h. der (nicht dar­ gestellten) linken Seite der Drehmomentdetektorwelle 71, vor­ gesehen, wobei die Schlitze 73a in den rotierenden Scheiben 73 sowohl auf der Abtriebsseite als auch der Antriebsseite 71a in einer Linie liegen, während die Schlitze 74a der sta­ tionären Scheiben 74 sowohl auf der Abtriebsseite als auch der Antriebsseite 71a ebenfalls in einer Linie liegen (eine Fehlausrichtung zwischen diesen Schlitzen muß durch Einbezie­ hen des Werts der Abweichung in das Ergebnis der Messungen zugelassen werden). Beim Drehen der Drehmomentdetektorwelle 71 dreht sich auch die rotierende Scheibe 73, und wegen der Ausrichtung der Schlitze 73a und 74a aufeinander wird das vom Lichtprojektor 76 abgestrahlte Licht durch die Schlitze 73a und 74a hindurchgelassen und vom Lichtempfänger 75 empfangen. Während der Drehung der Scheibe 73 wird zuerst die zwischen dem Schlitz 73a und 74a gebildete Öffnung zuerst um einen kleinen Betrag geöffnet, worauf sie dann vollständig geöffnet wird und im Anschluß daran wieder kleiner wird, bis sie schließlich vollständig verschlossen wird. Wenn sich die ro­ tierende Scheibe 73 dreht, durchläuft das vom Lichtempfänger 75 empfangene Licht wiederholt den Zyklus (Null) → (klein) → (groß) → (Maximum) → (groß) → (klein) → (Null). Wenn die Brei­ ten der Schlitze 73a und 74a in der Umfangsrichtung in geeig­ neter Weise eingestellt sind, erzeugt der obige Zyklus eine Sinuskurve, so daß der Lichtempfänger 75 ein Signal abgibt, das etwa den Verlauf einer Sinuskurve hat. Daher kann das Ausmaß der Torsion an der Drehmomentdetektorwelle 71 durch Vergleichen der Phasenlage des Sinussignals an der Antriebs­ seite 71a mit der Phasenlage des Signals an der Abtriebsseite festgestellt werden. Wenn nämlich die Torsion Null ist, ist auch die relative Phasendifferenz der zwei oben genannten Si­ gnale Null.

Weil jedoch beim Anlassen und Anhalten der Drehung der Dreh­ momentdetektorwelle 71 nur die Antriebsseite 71a angetrieben wird, während die Abtriebsseite nicht gedreht wird, werden die rotierende Scheibe 73 der Antriebsseite 71 und die rotie­ rende Scheibe der Abtriebsseite nicht gemeinsam gedreht, so daß das oben erwähnte Sinussignal nicht erhalten werden kann, d. h. daß das Drehmoment nicht gemessen werden kann. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist eine Gegenmaßnahme in Betracht gezogen worden, nach der dann, wenn die Drehzahl der Drehmo­ mentdetektorwelle 71 kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, die stationäre Scheibe 74 um einen vorbestimmten Wert durch eine Antriebskraft gedreht wird, die von der der Antriebssei­ te 71a abweicht. Dies führt jedoch zu anderen Problemen, da der Aufbau der Vorrichtung und die notwendigen Einstellungen kompliziert werden.

In GB 1 470 167 ist eine Vorrichtung zur Messung eines an eine Weile angelegten Drehmoments offenbart, die ebenfalls nach dem Prinzip des Phasendifferenzvergleichs arbeitet. Diese Vorrichtung weist zwei Rotationselemente auf, die die Lichtintensität variieren und in einem gewissen Abstand von­ einander auf einer Welle angebracht sind, durch deren Ro­ tation sie ebenfalls in Rotation versetzt werden. Wenn sich die Welle dreht, wird die auf zwei den Rotationselementen zugeordneten Gruppen von Photozellen fallende Lichtmenge variiert, so daß man zwei sinusförmige Signale erhält, aus denen dann Phasendifferenz und Drehmoment ermittelt werden.

Wenn jedoch die Welle stoppt, variieren die Ausgangssignale der Photozellen nicht mehr in sinusförmiger Weise, sondern bleiben konstant, so daß folglich vom Phasenmeßgerät keine Phasendifferenz festgestellt werden und folglich kein zuge­ höriges Drehmoment ermittelt werden kann. Um diesen Nachteil zu beheben, ist eine zusätzliche Meßvorrichtung erforder­ lich, die das Drehmoment auch beim Stillstand der Welle mes­ sen kann. Ein zusätzliche Meßvorrichtung, die sich von der oben beschriebenen Meßvorrichtung bei Rotation unterschei­ det, hat den Nachteil, daß sich ihre Meßgenauigkeit ver­ schlechtern kann und sie daher falsche Meßergebnisse anzei­ gen kann.

Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben geschil­ derten Probleme gemacht, und es ist demgemäß die Aufgabe der Erfindung, einen Drehmomentwandler und eine Drehmomentmeß­ vorrichtung mit sehr einfachem Aufbau und der Fähigkeit zum korrekten und einfachen Erfassen und Messen eines Drehmo­ ments zu schaffen, ohne daß ein Kontakt mit einer Drehmo­ mentübertragungswelle besteht und ohne daß ein Wärmeerzeu­ gungselement wie ein Gleitring vorhanden ist, indem eine rotierende Scheibe benutzt wird, die sich direkt mit der Drehmomentübertragungswelle dreht, wodurch eine präzise Mes­ sung nicht nur während einer Normaldrehzahl, sondern auch bei einer niedrigen Drehzahl der Scheibe und sogar dann, wenn sich die Scheibe nicht dreht, erhalten wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Drehmomentmeß­ vorrichtung gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist.

Wie oben erwähnt wurde, kann mit Hilfe der Erfindung ein ko­ stengünstiger und einfach aufgebauter Drehmomentwandler er­ halten werden, der ohne Verwendung eines Wärme verursachenden Gleitrings oder einer teueren Fernmeßeinrichtung oder dgl. auskommt, wobei das Erfassungssignal von Öffnungswertdetekto­ ren erhalten wird, die an einem stationären Teil angebracht sind; dies wird ohne auf Wärmeerzeugung, Drehkontaktstörungen und auf andere Weise eingeführte Störungen zurückzuführende Beeinträchtigungen der Erfassungsgenauigkeit erreicht. Das Drehmoment wird genau und einfach erfaßt, ohne daß die sta­ tionäre Platte, wie dies bisher üblich war, gedreht wird, in­ dem ein sich drehendes Element benutzt wird, das sich zusam­ men mit der Drehmomentübertragungswelle dreht, wodurch eine genaue Messung nicht nur während der Normaldrehzahl, sondern auch bei einer niedrigen Drehzahl der Scheibe und sogar bei stillstehender Scheibe erhalten wird. Es wird somit eine Drehmomentmeßvorrichtung geschaffen, mit der ein Drehmoment genau und einfach unter Verwendung eines Drehmomentwandlers mit oben angegebenen Eigenschaften und Merkmalen verwendet wird, wobei die Drehmomenterfassung unabhängig davon möglich ist, ob sich die Drehmomentübertragungswelle dreht oder nicht dreht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Gesamtaufbaus einer Drehmomentmeßvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Auf­ baus eines Drehmomentwandlers, wie er in der Ausführung von Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 und Fig. 4 ein Beispielsdiagramm bzw. eine Vorderan­ sicht zur Veranschaulichung der Konstruk­ tion der ersten und zweiten Schlitze, die Hauptbestandteile des Drehmomentwandlers von Fig. 2 sind,

Fig. 5 und Fig. 6 ein typisches Diagramm bzw. eine Vorderan­ sicht des Aufbaus einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Ar­ beitsweise der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 8 und Fig. 9 schematische Darstellungen zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prin­ zips, und

Fig. 10 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer bekannten Ausführungsform.

Das Blockschaltbild von Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Drehmomentmeßvorrichtung nach der Erfindung.

Nach Fig. 1 ist eine erste Öffnungssignalgruppenerzeugungs­ einheit 17 mit Photosensoren 1 bis 8 vorgesehen, die als Öff­ nungswertdetektoren an einer Drehmomentübertragungswelle, beispielsweise auf deren (anschließend genauer beschriebenen) Antriebsseite, dienen. Die Photosensoren 1 bis 8 bestehen je­ weils aus Leuchtdioden 1a bis 8a sowie aus Phototransistoren 9 bis 16. Die Anoden der Leuchtdioden sind parallel an eine Versorgungsspannung V1 angeschlossen, während ihre Kathoden an Masse liegen. Die Kollektoren der Phototransistoren sind an eine Versorgungsspannung V2 angeschlossen. Die Phototransi­ storen empfangen in einem Verhältnis von 1 : 1 Licht von den Leuchtdioden 1a bis 8a. Die Emitter dieser Transistoren geben Signale entsprechend den (anschließend beschriebenen) relati­ ven Öffnungswerten an einen Momentanwertspeicherteil 18 ab, der aus acht Momentanwertspeicherschaltungen SH1 bis SH8 be­ steht, an deren Analogeingänge die Emitter der oben erwähnten Phototransistoren 9 bis 16 angeschlossen sind und die als Speicherschaltungen für den Empfang von Halteimpulsen (P1) an ihren Digitaleingängen dienen.

Ein Analogmultiplexer 19 dient als Signalumschaltschaltung; er empfängt in den Momentanwertspeicherschaltungen SH1 bis SH8 festgehaltene Energiesignale A1 bis A8, wählt eines die­ ser Signale aus, schaltet die Auswahl in einer vorbestimmten Reihenfolge auf der Basis der Zeitsteuerung durch einen Ab­ tastimpuls (P2) um und gibt das jeweils ausgewählte Abtastsi­ gnal (S1) als ein Abtastausgangssignal ab.

Eine zweite Öffnungssignalgruppenerzeugungseinheit 20 ist auf der (anschließend näher beschriebenen) Abtriebsseite ange­ bracht; sie hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die erste Einheit 17. Der Block 21 ist dabei ein Abtasthalteteil mit im wesentlichen dem gleichen Aufbau wie der Abtasthalte­ teil 18; er empfängt Signale von der zweiten Erzeugungsein­ heit 20; der Block 22 ist ein Analogmultiplexer mit im we­ sentlichen dem gleichen Aufbau wie der Analogmultiplexer 19, wobei er auch ein Abtastsignal (S2) abgibt.

Tiefpaßfilter 23, 24 dienen als Interpolationsschaltungen; sie empfangen die Abtastsignale (S1) und (S2) als Analogsi­ gnale zeitlich nacheinander und interpolieren diese Analogsi­ gnale auf einer Zeitachse zur Ausgabe interpolierter Signale (e1), (e2) mit geglättetem Verlauf. Die Blöcke 25, 26 sind Nulldurchgangs-Komparatoren, die unter Verwendung von Schmidt- Trigger-Schaltungen arbeiten, die die interpolierten Signale (e1), (e2) empfangen und Phasensignale (E1), (E2) ausgeben, die den H-Pegel bzw. den L-Pegel haben, wenn die interpolier­ ten Signale (e1), (e2) den Spannungswert 0 V in der positiven Richtung bzw. in der negativen Richtung überschreiten.

Eine Phasenkomparatorschaltung 27 enthält positiv arbeitende logische Differenzierschaltungen 28 und 29 (die anschließend als positive Differenzierschaltungen bezeichnet werden); sie empfängt die Phasensignale (E1), (E2) und erfaßt die anstei­ genden Flanken der Phasensignale (E1), damit Triggersignale (GT1) und (GT2) abgegeben werden, die den Phasendifferenzen zwischen den Signalen (E1), (E2) entsprechen. Der Block 30 ist ein Zähler, der die Triggersignale (GT1), (GT2) empfängt und einen Zählimpuls (E0) abgibt, der der oben erwähnten Pha­ sendifferenz entspricht. Der Block 31 ist eine Umsetzungs­ schaltung für einen Drehmomentwert, die den Zählimpuls (E0) empfängt und in einen Drehmomentwert umsetzt. Der Block 32 ist eine Anzeigevorrichtung, die aus der Umsetzungsschaltung 31 ein Anzeigesignal (DSP) empfängt und den Drehmomentwert anzeigt. Der Block 33 ist ein Zeitsteuergenerator, der den Halteimpuls (P1) und den Abtastimpuls (P2) erzeugt. Der Zeit­ steuergenerator 33 gibt auch die Umschaltadresse zwischen den Analogmultiplexern 19 und 22 ab, was jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den prin­ zipiellen Aufbau eines Drehmomentwandlers nach der Erfindung, der Teil der Konstruktion des Ausführungsform von Fig. 1 ist.

Nach Fig. 2 ist die Antriebsseite 34 einer anschließend als Antriebswelle bezeichneten Übertragungswelle mit einem Motor oder einer Antriebsmaschine verbunden; die anschließend als Abtriebsseite bezeichnete Lastseite 35 ist mit einer Last verbunden. Eine Drehmomentdetektorwelle 36 wirkt als Drehmo­ mentübertragungswelle; sie verbindet die Antriebsseite 34 mit der Abtriebsseite 35. Ein Rotor 37 wirkt als Drehglied und enthält eine drehbar mit der Antriebswelle verbundene flache Platte, die mit mehreren Schlitzen 37a (ersten Schlitzen) versehen sind, die längs eines konzentrischen Kreises gebil­ det sind. Ein Stator 38 wirkt als stationäres Element; er be­ steht aus einer mit einem stationären Teil verbundenen fla­ chen Platte, die koaxial angrenzend an den Rotor 37 ange­ bracht ist. Ein Rotor 39 wirkt als rotierendes Element auf der Abtriebsseite. Ein Stator 40 ist mit mehreren Schlitzen 40a (zweite Schlitze) versehen, die eine andere Form als die Schlitze 37a (erste Schlitze) haben. Der Rotor 39 und der Stator 38 sind auch mit (nicht dargestellten) Schlitzen ver­ sehen, die die gleiche Form wie die Schlitze 37a bzw. 40a ha­ ben.

In den folgenden Zeichnungen sind die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Teile mit den gleichen Bezugszei­ chen versehen; ihre Beschreibung ist daher weggelassen.

In den Fig. 3 und 4 sind ein Beispiel eines Diagramms bzw. eine Vorderansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus der er­ sten und der zweiten Schlitze dargestellt, die die Hauptele­ mente der ersten Ausführungsform des Drehmomentwandlers nach der Erfindung sind. In Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 41 ein Zweitschlitzteil dargestellt, der die Breite W hat und am Stator 38 angebracht ist; 42 bis 49 sind acht stationäre Schlitze, die diesen Zweitschlitzteil 41 bilden, wobei jeder eine Öffnungsfläche W × Lp hat und in gleichen Abständen Lq zwischen den Positionen P0 und P8 angeordnet ist. 50 bis 58 sind neun rotierende Schlitze, die jeweils die gleiche Breite W haben und im Erstschlitzteil 37a des Rotors 37 angebracht sind. Jeder dieser Schlitze hat eine Öffnungsfläche W × Lr, und er ist in gleichen Abständen Ls zwischen den Positionen PO und P8 angebracht. 59 ist ein Relativöffnungsteil mit den Relativöffnungen 60 bis 67, die durch die stationären Schlit­ ze 42 bis 49 bzw. die sich drehenden Schlitze 50 bis 58 ge­ bildet werden. Die Photosensoren 1 bis 8 sind in einer Eins­ zu-Eins-Entsprechung mit den Schlitzen 42 bis 49 angeordnet und befinden sich in den gleichen Positionen. Wenn der Rela­ tivöffnungsteil 59 als ein Impulssignal betrachtet wird, ent­ spricht die Impulsdauer der Relativöffnungen 60 bis 67 beim Umsetzen in Amplituden den Halteenergiesignalen (A1) bis (A8). In diesem Fall entspricht die Position P8 der Position P0, wobei in diesem Beispiel angenommen wird, daß gilt: Lp = Lq und Lr = Ls.

Fig. 4 veranschaulicht die Konstruktion gemäß der obigen Be­ schreibung von Fig. 3, wobei die Beschreibung nur unter Be­ zugnahme auf die Beziehungen von Fig. 3 erfolgt.

Nach Fig. 4 entspricht Θ₀ den Positionen P0 und P8, Θp und Θq entsprechen Lp bzw. Lq, und er und es entsprechen Lr bzw. Ls. Die Positionen (der Öffnungsbereich) der stationären Schlitze 42 bis 49 sind am Außenumfang der Schlitze 37a und 41 in Form von Kreisbogenpfeilen angegeben, während die Positionen (der Öffnungsbereich) der rotierenden Schlitze 50 bis 58 am Innen­ umfang durch Kreisbogenpfeile angegeben sind; diese Darstel­ lung ist aus Vereinfachungsgründen notwendig, weil sich die Schlitze 37a und 41 in der Zeichnung überlappen. Die Photo­ sensoren 1 bis 8 sind an Positionen entsprechend den Positio­ nen der stationären Schlitze 42 bis 48 in der Umfangsrichtung der Öffnungspositionen angeordnet, wobei die Schlitze 41 in der radialen Richtung angeordnet sind.

Wie der oben erwähnte Relativöffnungsteil 59 zeigt, können sich die jeweiligen Öffnungsflächen der Relativöffnungen 60 bis 67 unabhängig von der Winkelpositionsbeziehung zwischen dem Rotor 37 und dem Stator 38 periodisch in der Umfangsrich­ tung ändern.

In den Fig. 5 und 6 sind ein Beispielsdiagramm bzw. eine Vor­ deransicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform des Drehmomentwandlers nach der Erfindung dargestellt.

In Fig. 5 ist der Bereich 68 ein Zweitschlitzteil mit der Breite H am Stator 38, wobei dieser Teil aus acht stationären Schlitzen besteht, die jeweils die Öffnungsfläche H × La ha­ ben und in gleichen Abständen Lb zwischen den Positionen P9 und P10 angeordnet sind. Ein Erstschlitzteil 69 mit der Brei­ te H ist am Schlitzteil 37a des Rotors 37 angebracht, wobei acht rotierende Schlitze mit einer Öffnungsfläche H × Lc so angeordnet sind, daß sie um die Abstände L1, L2, L3, L4, L5, L6 und L7 (L1 = L7 < L2 = L6 < L3 = L5 < L4) gegenüber den zuvor erwähnten stationären Schlitzen verschoben sind. Der Bereich 70 ist der Relativöffnungsteil, der von den jeweili­ gen Schlitzen der oben erwähnten Schlitzteile 68 und 69 ge­ bildet wird. Die Photosensoren 1 bis 8 sind an Positionen an­ geordnet, die denen der jeweiligen stationären Schlitze im Zweitschlitzteil 68 im Verhältnis von 1 : 1 entsprechen; in diesem Fall wird angenommen, daß gilt: La = Lb = Lc und P9 = P10.

Nach Fig. 6 entspricht Θo den Positionen P9 und P10. Θs und Θb entsprechen La bzw. Lb; Θc entspricht Lc; Θ1 bis Θ7 ent­ sprechen jeweils L1 bis L7. Demnach gilt: Θa = Θb = Θc, Θ1 = Θ7, Θ2 = Θ6 und Θ3 = Θ5 mit Θ1 < Θ2 < Θ3 < Θ4.

In dieser Ausführungsform kann sich die Öffnungsfläche der jeweiligen Relativöffnungen im Relativöffnungsteil wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform in Umfangsrichtung pe­ riodisch ändern; eine genauere Erläuterung wird deshalb hier weggelassen.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen des Drehmoment­ wandlers ist die Konstruktion auf der Abtriebsseite 35 gleich der Konstruktion auf der Antriebsseite 34.

Fig. 7 zeigt ein Zeitdiagramm des Betriebsablaufs der Ausfüh­ rungsform von Fig. 1, während die Fig. 8 und 9 schematische Diagramme zur Erläuterung der Grundprinzipien der Erfindung sind.

In den Fig. 8 und 9 ist Ω eine Winkelgeschwindigkeit der Schaltgeschwindigkeit (Abtastgeschwindigkeit) zwischen den Analogmultiplexern 19 und 22 von Fig. 1. ω ist die Umdrehungs­ geschwindigkeit des Rotors. Θ1 ist die Anfangsphasendifferenz zwischen dem Rotor 37 und dem Stator 38 auf der Antriebsseite 34. Θ2 ist die Anfangsphasendifferenz zwischen dem Rotor 39 und dem Stator 40 auf der Abtriebsseite 35. Die Zeit ist mit t angegeben. Die Einheiten Ω, ω, Θ1 und Θ2 sind in Radian an­ gegeben. Außerdem gilt die Beziehung Ω = 2πΦ, wobei T eine Abtastperiode von t1 bis t9 in Fig. 7 mit 1/T = Φ, und weiter­ hin gilt ω = 2πf, wobei f die Drehfrequenz des Rotors ist.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Ausführungsform wird nun beschrieben; zunächst wird die Beziehung zwischen den je­ weiligen Drehmomentwandlern und der Einheit 17 zum Erzeugen der Öffnungssignalgruppen erläutert, woran sich eine Beschrei­ bung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsform anschließt.

Wenn bei der Ausführung des Drehmomentwandlers nach den Fig. 4 und 6 der Rotor 37 gedreht wird, d. h. die sich drehenden Schlitze 50 bis 58 der Schlitzteile 37a und 69 (entsprechend den mit Θc markierten Pfeilen) entgegen dem Uhrzeigersinn ge­ dreht werden, werden vom Standpunkt der Änderung des Ausgangs­ signals eines der Photosensoren (beispielsweise des Photosen­ sors 1) jeweils am Relativöffnungsteil 59 und 70 ein impuls­ förmiges Signal mit Zeiteinheiten an der Abszisse und somit periodische Signale wiederholt erhalten, die periodisch abneh­ men und wieder zunehmen. Eine Ausgangssignalgruppe, in der das oben erwähnte periodische Signal sequentiell um eine vor­ bestimmte Zeitdauer verzögert wird, wird von den Photosenso­ ren 2 bis 8 erhalten, und das Ausgangssignal des Photosensors 8 ist in bezug auf das Ausgangssignal des Photosensors 1 um etwa einen Zyklus verzögert.

Dies bedeutet, daß die Öffnungssignalgruppe aus Ausgangssi­ gnalen der Photosensoren 1 bis 8 zusammengesetzt ist.

Wenn der Rotor 37 bei dem in Fig. 4 und 6 angegebenen Winkel angehalten wird, werden die Ausgangssignale entsprechend den Relativöffnungen 60 bis 67 von den jeweiligen Photosensoren 1 bis 8 erhalten, wie oben beschrieben wurde. Dies bedeutet, daß ein periodisches Signal so erhalten wird, daß das Aus­ gangssignal beim Photosensor 1 ein Maximum hat (genauer ge­ sagt beim Photosensor 9), während das Ausgangssignal zuneh­ mend verkleinert wird und beim Photosensor 5 ein Minimum an­ nimmt, worauf es wieder vom Photosensor 6 ab zunehmend ver­ größert wird, so daß es am Photosensor 8 wieder gleich dem Ausgangssignal des Photosensors 2 ist. Das periodische Signal ist (was anschließend noch beschrieben wird) an der Zeitachse angegeben, wodurch ein Zeitfolgesignal entsprechend der oben geschilderten Öffnungssignalgruppe erhalten wird. Die Perio­ dizität dieses periodischen Signals wird ohne Rücksicht auf die Anhalteposition des Rotors 37 (also den Winkel bezüglich des Stators 38) erhalten.

Es wird angenommen, daß gemäß Fig. 2 die Antriebswelle 34, die Drehmomentdetektorwelle 36 und die Abtriebswelle 35 ge­ meinsam in der Richtung des Pfeils angetrieben werden, und daß an der Drehmomentdetektorwelle 36 eine Torsion vorhanden ist. Die Positionsbeziehung zwischen den Schlitzen des Sta­ tors 38 und des Rotors 37 an der Wellenantriebsseite 34 ist in den Fig. 4 und 6 für die jeweiligen Drehmomentwandler an­ gegeben. Die Positionsbeziehung zwischen den Schlitzen des Rotors 39 und des Stators 40 auf der Abtriebswellenseite 35 ist dabei so, daß die Phase des Rotors 39 um den Wert der er­ wähnten Torsion (einen kleinen Drehwinkel) im Vergleich zum Wert des Rotors 37 verzögert ist.

Aus Zweckmäßigkeitsgründen sei angenommen, daß in den Fig. 3 und 4 die Photosensoren 1 und 2 den Relativöffnungen 66 und 67 und die Photosensoren 3 bis 8 jeweils den Relativöffnungen 60 bis 65 entsprechen, was auch für die Fig. 5 und 6 gilt. In der anschließenden Beschreibung wird auf diesen Zustand mit der Bezeichnung "verzögerte Positionsbeziehung" Bezug genom­ men.

Es folgt nun eine Beschreibung der Wirkungsweise des Drehmo­ mentwandlers anhand der Fig. 3 und 4.

Es sei angenommen, daß bei der Zuführung des Halteimpulses (P1) zu den Momentanwertspeicherteilen 18 und 21 die Zeitpunk­ te t1, t9 und t17 nicht auf die Drehungen der Rotoren 37 und 39 bezogen sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung soll je­ doch gelten, daß dann, wenn die Schlitze des Rotors 37 und des Stators 38 so in Beziehung stehen, wie in Fig. 4 darge­ stellt ist, der erste Halteimpuls (P1) am Zeitpunkt t1 abge­ geben wird. Wie oben beschrieben wurde, hat von den Ausgangs­ signalen der Phototransistoren 9 bis 16 das Ausgangssignal des Phototransistors 9 den Maximalwert, und es wird fortlau­ fend verkleinert, während das Ausgangssignal des Phototransi­ stors 13 den Minimalwert hat und vom Phototransistor 14 an fortlaufend vergrößert wird. Die Momentanwertspeicherschal­ tungen SH1 bis SH8 halten die oben erwähnten Signale am Zeit­ punkt t1 fest, und sie geben diese Signale als die Haltesi­ gnale (A1) bis (A8) ab. Der Zeitsteuergenerator 33 gibt nach­ einander acht Abtastimpulse (P2) vom Zeitpunkt t1 an bis zum Zeitpunkt t8 während des Abtastperiode T, d. h. vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t9, ab. Der Analogmultiplexer 19 emp­ fängt die acht Abtastimpulse (P2) und gibt das Abtastsignal (SH) während eines Zeitzyklus vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeit­ punkt t8 ab, wie Fig. 7 zeigt. Das Abtastsignal (S1) hat am Zeitpunkt t1 in Fig. 7 die Maximalamplitude, und die Amplitu­ de des Abtastsignals (S1) wird vom Zeitpunkt t2 an bis zum Zeitpunkt t5 fortlaufend verkleinert, worauf die Amplitude des Abtastsignals (S1) vom Zeitpunkt t6 an bis zum Zeitpunkt t8 zunimmt.

Das Abtastsignal (S2) von der Abtriebsseite 35 der Welle wird über den zweiten Signalerzeugungsteil 20 und den Momentanwert­ speicherteil 21 vom Analogmultiplexer 22 abgegeben. Wie Fig. 7 zeigt, unterscheidet sich das Abtastsignal (S2) trotz der gleichen Art der Erzeugung wie das Abtastsignal (S1) von die­ sem Abtastsignal (S1) dadurch, daß es in Abhängigkeit vom Wert der Torsion (entsprechend dem Drehmoment) an der Drehmo­ mentdetektorwelle 36 verzögert ist, vom Zeitpunkt t1 an bis zu einem Maximum am Zeitpunkt t3 zunimmt, bis zu einem Mini­ mum am Zeitpunkt t7 abnimmt und dann wieder vom Zeitpunkt t8 an zunimmt.

Diese Abtastsignale (S1) und (S2) werden durch die Tiefpaßfil­ ter 23 bzw. 24 zur Eliminierung der Gleichstromkomponente in­ terpoliert und als interpolierte Signale (e1), (e2) mit einem glatten Sinusschwingungsverlauf abgegeben. Zum Abtrennen der Phasenkomponenten aus den interpolierten Signalen (e1), (e2) geben die Nulldurchgangskomparatoren 25, 26 zunächst ein Pha­ sensignal (E1) mit dem H-Pegel ab, wenn die interpolierten Signale (e1) und (e2) den Spannungswert 0 V überschreiten, während sie ein Phasensignal (E2) mit dem L-Pegel abgeben, wenn die Signale (e1) und (e2) den Spannungswert 0 V nicht überschreiten. Bezüglich des als Beispiel herausgegriffenen interpolierten Signals (e1) gilt, daß das abgegebene Phasen­ signal (E1) am Zeitpunkt t3 den L-Pegel, am Zeitpunkt t7 den H-Pegel und am Zeitpunkt t11 wieder den L-Pegel hat. Die Po­ sitivdifferenzierschaltungen 28, 29 erfassen die ansteigenden Flanken der oben erwähnten Phasensignale (E1), (E2) an den Zeitpunkten t7, t1 und t9, so daß Triggersignale (GT1), (GT2) abgegeben werden, und ein Zähler 30 beginnt vom Zeitpunkt t7 des Empfangs des Triggersignals (GT1) an zu zählen und gibt einen Zählimpuls (E0) ab, während er den Zählvorgang mit dem Empfang des Triggersignals (GT2) am Zeitpunkt t9 beendet, so daß auf diese Weise eine relative Phasendifferenz zwischen den Abtastsignalen (S1), (S2) erhalten wird. Die Umsetzungs­ schaltung 31 für den Drehmomentwert empfängt die gezählten Im­ pulse (E0) und setzt die Anzahl der gezählten Impulse (E0), die der erwähnten Phasendifferenz entspricht, in einen Dreh­ momentwert um und gibt den umgesetzten Drehmomentwert als An­ zeigesignal (DSP) ab, so daß der Drehmomentwert an der Anzei­ ge 32 angezeigt wird.

In der obigen Beschreibung wird zwar das Drehen oder Nichtdre­ hen der Rotoren 39 und 37 nicht erwähnt, jedoch gilt für bei­ de Fälle die gleiche Situation. Für den Fall, daß keine Dre­ hung stattfindet, liegt die Positionsbeziehung zwischen den Schlitzen des Rotors 37 und des Stators 38 auf der Antriebs­ seite 34 der Welle vor, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, während zwischen den Schlitzen des Rotors 39 und des Stators 40 auf der Abtriebsseite 35 der Welle die "verzögerte Posi­ tionsbeziehung" ist, wie oben erwähnt wurde. Im Verlauf der Zeitdauer, in der sich die Torsion der Drehmomentdetektorwel­ le 36 nicht ändert, werden der in Fig. 4 dargestellte Zustand und der Zustand der "verzögerten Positionsbeziehung" aufrecht­ erhalten. Während sich die Rotoren 39, 37 drehen, tritt die Situation von Fig. 4 nur als Momentanzustand auf, und der Zu­ stand der "verzögerten Positionsbeziehung" erscheint an einem vorbestimmten Zykluszeitpunkt; da jedoch die Momentanwertspei­ cherteile 18, 21 den Momentanzustand am Zeitpunkt t1 durch einen Halteimpuls (P1) festhalten, der häufiger als die Win­ kelgeschwindigkeit des Rotors wiederholt wird, hat das Drehen der Rotoren 39, 37 keine Auswirkung. Es ist daher möglich, das Drehmoment zu messen, unabhängig davon, ob sich die Roto­ ren 39, 37 drehen oder nicht.

Es wird nun eine quantitative Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 angegeben. Es sind zwei Variable ein­ schließlich der Abtastimpulse (P2) und der Drehzahl der Roto­ ren 37, 39 so eingerichtet, daß sie einer Trägerwelle bzw. einer modulierten Welle entsprechen, d. h. einer Phasenmodula­ tion entsprechen, was bedeutet, daß die interpolierten Signa­ le (e1), (e2) durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden, in denen K1 und K2 Proportionalitätskon­ stanten sind.

e1 = k1 × cos {Ωt + Θ1 × cosωt} (1)

e2 = k2 × cos {Ωt + Θ2 × cosωt} (2)

In der folgenden Beschreibung sind die Proportionalitätskon­ stanten K1 und K2 weggelassen. Wenn sich die Rotoren 37, 39 nicht drehen, gilt ω=0, so daß die Gleichungen (1) und (2) durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) ersetzt werden:

e1 = cos (Ωt + Θ1) (3)

e2 = cos (Ωt + Θ2) (4)

Unter der Annahme Ed = e1-e2 gilt:

und

α = tan^-1 {(sinΘ2 - sinΘ1) / (cosΘ1 - cosΘ2)} (6)

Außerdem kann näherungsweise angenommen werden, daß gilt: Θ1, Θ2«1, cosΘ≈Θ, sinΘ≈Θ; die Gleichung (5) kann daher durch die Gleichung (7) ausgedrückt werden.

Aus der Anfangsphase Θ1 des Rotors 37 und des Stators 38 an der Antriebsseite 34 der Welle und der Anfangsposition Θ2 des Rotors 39 und des Stators 40 auf der Abtriebsseite 35 der Welle kann der Ausdruck (Θ1 - Θ2), der im ersten Glied der Gleichung (7) auftaucht, als relative Phasendifferenz erhal­ ten werden. Das zweite Glied cos(Ωt + α) gibt an, daß die obi­ ge relative Phasendifferenz (Θ1 - Θ2) periodisch wiederholt im gleichen Zyklus wie die Abtastperiode T erscheint. In Fig. 7 entspricht der Zählimpuls (E0) dem obigen Wert Ed.

Es folgt nun eine Beschreibung für den Fall, daß sich die Ro­ toren 37, 39 drehen. Da in diesem Fall ω von Null verschieden sein muß, also gilt: ω ≠ 0, werden die Gleichungen (1) und (2) in Form einer Bessel-Funktion wie folgt entwickelt:

e1 cosΩt + (Θ1/2)cos{(Ω + ω)t + (π/2)} + (Θ1/2)cos ((Ω-ω)t + (π/2)} (8)

e2 cosΩt + (Θ2/2)cos{(Ω + ω)t + (π/2)} + (Θ2/2)cos ((Ω-ω)t + (π/2)} (9).

Durch die Beziehung Ed = e1 - e2 ergibt sich:

Ed= -{(Θ1-Θ2)/2}(sin(Ω + ω)t + sin (Ω-ω)t} (10).

Unter der Annahme Ω » ω ergibt sich:

Ed = -(Θ1-Θ2)sinΩt.

Daraus ergibt sich, daß ebenso wie im Fall der sich nicht drehenden Rotoren, daß die relative Phasendifferenz (Θ1 - Θ2) mit der Abtastperiode T wiederholt erscheint.

Nach der Erfindung sind der Rotor 37 und der Stator 38 auf der Antriebsseite 34 der Welle und der Rotor 39 sowie der Stator 40 auf der Abtriebsseite 35 der Welle angebracht; die Schlitzteile 37a, 40a und die Schlitzteile 69, 68 oder die Schlitzteile 74, 71 sind an den Rotoren 37, 39 bzw. an den Statoren 38, 40 angebracht. Wie die Relativöffnungsteile 69, 70 zeigen, werden die Öffnungswerte der Relativöffnungen 60 bis 67 in der Umfangsrichtung periodisch geändert, und durch Verwendung eines Drehmomentwandlers zur Erzielung einer Öff­ nungssignalgruppe entsprechend dem obigen Öffnungswert werden die jeweiligen Öffnungssignalgruppen als Energiesignale er­ faßt, die von den Momentanwertspeicherteilen 18, 21 festgehal­ ten und von den Analogmultiplexern 19, 22 als Abtastsignale (51), (52), d. h. als zeitlich serielle Analogsignale, abgege­ ben. Die relative Phasendifferenz zwischen den Rotoren 37, 39 wird aus der Phasendifferenz zwischen den Abtastsignalen (S1), (52) erhalten, so daß das Drehmoment an der Drehmomentdetek­ torwelle 36 gemessen wird. Somit wird der Vorteil erhalten, daß das Drehmoment gemessen werden kann, unabhängig davon, ob sich die Rotoren 37, 39 drehen oder nicht.

Außerdem wird der weitere Vorteil erhalten, daß die Konstruk­ tion vereinfacht wird, weil es nicht notwendig ist, die Sta­ toren 38, 40 zu drehen, wenn die Rotoren 37, 39 angehalten werden, wie es bei einem herkömmlichen Betrieb erforderlich ist.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können in vielfältiger Weise abgewandelt werden, ohne daß der prin­ zipielle Rahmen dadurch verlassen wird.

Beispielsweise können für die Photosensoren 1 bis 8 Photosen­ soren vom Reflexionstyp verwendet werden, bei denen Phototran­ sistoren 9 bis 16 auf der gleichen Seite wie die Leuchtdioden 1a bis 8a liegen; die Erfindung ist also nicht auf die Ver­ wendung von Photosensoren vom Durchgangstyp beschränkt, wie sie oben beschrieben wurden. In diesem Fall können die Schlit­ ze durch reflektierende Flächen mit der gleichen Konfigura­ tion ersetzt werden.

In den obigen Ausführungsformen werden als rotierende Elemen­ te auf der Antriebsseite und auf der Abtriebsseite sowie als stationäre Elemente auf der Antriebsseite und der Abtriebs­ seite zwar scheibenförmige, flache Platten verwendet, jedoch könnten diese auch als dünne zylindrische Körper ausgebildet sein. Bei Verwendung solcher zylindrischer Körper wird jeder Schlitz, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, in einer rechtwinkligen Form ausgeführt, indem ein kreisförmiges Band mit vorbestimmter Breite (das kleiner als der zylindrische Körper ist) in einzelne Abschnitte mit vorbestimmtem Erstrec­ kungswinkel unterteilt wird, wobei mehrere dieser rechtwink­ ligen Schlitze an dem zylindrischen Körper in vorbestimmten Winkelintervallen angebracht werden. Die Beziehung zwischen jedem stationären Schlitz und jedem drehenden Schlitz kann in der gleichen Weise eingestellt werden wie in den Ausführungs­ formen der Fig. 4 und 6.

In den Nulldurchgangskomparatoren 25, 26 muß die Bezugsspan­ nung nicht auf den Spannungswert 0 V begrenzt sein; es kann sich dabei um jede beliebige Spannung innerhalb eines Be­ reichs handeln, der die Maximalamplitude der interpolierten Signale (e1), (e2) nicht überschreitet.

Die Schlitzteile 37a, 69, die als Erstschlitze dienen, und die Schlitzteile 41, 68, die als Zweitschlitze dienen, sind am Rotor 37 (und 39) bzw. am Stator 38 (und 40) angebracht, jedoch können die Zweitschlitze auch am Rotor 37 und die Erst­ schlitze am Stator 38 angebracht sein.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sind acht stationäre Schlitze 42 bis 49 der Schlitzteile 41, 68 angegeben worden, jedoch ist die Anzahl der Schlitze nicht auf acht beschränkt, sondern kann unter Berücksichtigung des von der Drehmomentbe­ lastung hervorgerufenen Torsionswinkels der Drehmomentüber­ tragungswelle vergrößert oder verkleinert werden. Wenn bei­ spielsweise der Torsionswinkel 3° beträgt, können zur Erzie­ lung der erforderlichen Auflösung 120 Schlitze verwendet wer­ den. Im Drehmomentwandler nach der ersten Ausführungsform von Fig. 3 und Fig. 4 ist der Unterschied in der Anzahl der Schlitze im Schlitzteil 37 auf der rotierenden Seite und im Schlitzteil 41 auf der stationären Seite derjenige, durch den die Öffnungssignalgruppe in einem Zyklus durch eine Abtastung erhalten wird, jedoch kann dies so verändert werden, daß die Öffnungssignalgruppe in zwei Zyklen erhalten wird. Die Breite W der Schlitze 41, 37a muß nicht gleich sein, und auch die Höhe der Schlitzteile 68, 69 muß nicht gleich sein.

Wenn die Anzahl der stationären Schlitze 42 bis 49 und der rotierenden Schlitze 50 bis 58 auf mehrere Hundert vergrößert werden muß, können die Photosensoren 1 bis 8 nicht immer in einem Verhältnis von 1 : 1 zu den stationären Schlitzen 42 bis 49 angeordnet werden. In diesem Fall können ohne Verschlech­ terung der Meßgenauigkeit acht Photosensoren verwendet werden, solange eine gleichmäßige Verteilung aufrechterhalten wird. In diesem Fall empfängt ein Photosensor Licht aus mehreren Schlitzen, jedoch wird der Lichtwert ausgeglichen, indem die Größe der Photosensoren so bemessen wird, daß die Meßgenauig­ keit nicht verringert wird.

Claims (5)

1. Drehmomentmeßvorrichtung mit

• - einem auf der Antriebsseite (34) einer Drehmomentüber­ tragungswelle (36) angebrachten und mit dieser Welle rotie­ renden Element (37) sowie einem auf der Abtriebsseite (35) angebrachten und mit dieser Welle rotierenden Element (39), wobei diese Elemente mit ersten Schlitzen (50-58) mit je­ weils gleicher Form versehen sind, die konzentrisch um die Welle herum in gleichen Winkelintervallen angeordnet sind,
• - einem auf der Antriebsseite (34) angebrachten stationären Element (38), sowie einem auf der Abtriebsseite (35) ange­ brachten stationären Element (40), wobei diese Elemente je­ weils angrenzend an die rotierenden Elemente angebracht sind und mit zweiten Schlitzen (42-49) jeweils gleicher Form ver­ sehen sind, die konzentrisch um die Welle (36) herum in gleichen Winkelintervallen angeordnet sind, wobei aber diese Winkelintervalle zwischen den zweiten Schlitzen (42-49) sich von den Winkelintervallen zwischen den ersten Schlitzen (50- 58) unterscheiden,
• - mehreren antriebsseitig und mehreren abtriebsseitig ange­ brachten Photosensoren (1-8), welche konzentrisch um die Welle (36) herum in gleichen Winkelintervallen und den zweiten Schlitzen gegenüberliegend angeordnet sind, wobei diese Photosensoren elektrische Signale erzeugen, die den Werten der Relativöffnungen (60-67) entsprechen, welche jeweils durch einen ersten und einen zweiten Schlitz durch ihre jeweilige Überdeckung gebildet werden, und wobei aus diesen in Um­ fangsrichtung periodisch ab- und zunehmenden Signalen das Drehmoment aus einer relativen Phasenverschiebung zwischen den auf der Antriebsseite und den auf der Abtriebsseite ge­ bildeten Signalen (S1, S2) ermittelt werden kann.

2. Drehmomentmeßvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die rotierenden und statischen Elemente als ebene Platten ausge­ bildet sind und die ersten und zweiten Schlitze Sektorform haben, die durch Unterteilen des Zwischenraumes zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit unterschiedlichen Radien gebildet werden.

3. Drehmomentmeßvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die rotierenden und statischen Elemente als zylindrische Körper ausgebildet sind und die ersten und zweiten Schlitze recht­ eckige Form haben.

4. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, welche ferner umfaßt:

• - zwei Speicherschaltungen (18, 21) zum gleichzeitigen Em­ pfangen von jeweils einer Gruppe von Signalen von den an­ triebsseitigen und von den abtriebsseitigen Photosensoren und zum Zwischenspeichern dieser empfangenen Signalgruppen,
• - zwei Analogmultiplexer (19, 22) für das paarweise Empfan­ gen und das paarweise Weiterleiten von jeweils einem Aus­ gangssignal aus den beiden Speicherschaltungen (18, 21) in einer bestimmten Reihenfolge und in bestimmten Zeitinter­ vallen,
• - zwei Interpolationsschaltungen (23, 24) zum Empfangen der Abtastsignale (S1, S2) aus den zwei Analogmultiplexern (19, 22) und zum Interpolieren und Glätten der Abtastsignale, welche als Analogsignale zeitlich nacheinander empfangen werden,
• - eine Phasenvergleichsschaltung (27, 30) zum Empfangen der Ausgangssignale (E1, E2) der Interpolationsschaltungen (23, 24) und zum Erfassen und Ausgeben der Phasendifferenz zwi­ schen den zwei Signalen, sowie
• - eine Drehmoment-Umsetzschaltung (31) für das Empfangen des Ausgangssignals der Phasenvergleichsschaltung (27, 30) und das Umsetzen der Phasendifferenz (E0) in einen Drehmoment­ wert (DSP), so daß ein Drehmoment zu einem beliebigen Zeit­ punkt gemessen werden kann, auch wenn sich eines oder beide der rotierenden Elemente in einem nicht rotierenden Zustand befinden.

5. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der statt der zweiten Schlitze Reflektorflächen von gleicher Form wie die zweiten Schlitze vorgesehen sind, und wobei sich die Phototransistoren (9-16) auf derselben Seite wie Photodioden (1a-8a) befinden.