DE4038413A1 - Arrangement for measuring torque exerted on shaft by motor - using transducer wheels on actual shaft requiring no additional shaft - Google Patents
Arrangement for measuring torque exerted on shaft by motor - using transducer wheels on actual shaft requiring no additional shaftInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Bestimmung des von einem Motor auf eine Welle ausgeübten Drehmoments nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a device for determining the a motor exerted on a shaft according to the genus of the main claim.
Die Kenntnis des Drehmoments, das ein Motor auf eine Welle ausübt ist in vielerlei Hinsicht wichtig, zumal zwischen diesem Antriebs drehmoment und der Drehzahl ein direkter Zusammenhang besteht. Bei bekannten Drehmomenterfassungsgeräten, beispielsweise bei einem aus der DE-OS 28 21 083 bekannten Drehmomenterfassungsgerät wird eine zusätzliche Welle eingesetzt, die auf der Antriebsseite und der Lastseite je eine Scheibe aufweist, auf der eine Mehrzahl von Magnetpolen angeordnet sind. Beide Scheiben werden von zwei magne tischen Sensoren abgetastet, diese Sensoren liefern Wechselspan nungssignale, aus der Verschiebung der Wechselspannungssignale ge geneinander wird das Drehmoment, das auf die Welle wirkt, ermittelt. Dazu wird der Betrag der Torsion, die durch die Last auf der Last seite der Drehwelle erzeugt wird, als Phasendifferenz der Ausgangs signale der beiden Magnetsensoren gemessen, das Drehmoment wird also aus der Winkeldifferenz zwischen den beiden Scheiben erfaßt. Knowing the torque that a motor exerts on a shaft is important in many ways, especially between this drive torque and speed are directly related. At Known torque detection devices, for example from one DE-OS 28 21 083 known torque detection device is a additional shaft used on the drive side and the Load side each has a disc on which a plurality of Magnetic poles are arranged. Both discs are made of two magne table sensors scanned, these sensors supply alternating voltage voltage signals, from the shift of the AC voltage signals against each other, the torque that acts on the shaft is determined. To do this, the amount of torsion caused by the load on the load side of the rotating shaft is generated as the phase difference of the output signals from the two magnetic sensors measured, so the torque is detected from the angular difference between the two disks.
Gemessen wird das Drehmoment bei der bekannten Einrichtung mit einer extra Drehmomentenwelle, die zwischen der Antriebswelle und der an getriebenen Welle angeordnet ist und auf der die beiden Scheiben be festigt sind.The torque is measured with a known device extra torque shaft between the drive shaft and the driven shaft is arranged and on which the two disks be are consolidated.
Die bekannte Einrichtung ist konstruktiv recht aufwendig, da sie zur Drehmomenterfassung eine extra Drehmomenterfassungswelle benötigt.The known device is structurally quite complex, since it Torque detection requires an extra torque detection shaft.
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber Bekanntem den Vorteil, daß keine zusätzliche Welle zur Erfassung des Drehmoments verwendet werden muß, da die beiden Geberräder auf der Antriebswelle selbst befestigt sind, wobei das erste Geberrad auf der Motorseite der Antriebswelle befestigt ist und das zweite Geberrad auf der Getriebeseite. Dabei wird die Torsion der Antriebswelle zur Drehmomentbestimmung heran gezogen. Besonders vorteilhaft ist, daß zumindest das auf der Motor seite angeordnete Geberrad samt dem zugehörigen Fühler bei den mei sten Fahrzeugen ohnehin vorhanden ist und bei verschiedenen Fahr zeugtypen auch das Geberrad auf der Getriebeseite bereits vorhanden ist.The device according to the invention with the characteristic features of the main claim has the advantage over known that none additional shaft can be used to record the torque must, since the two encoder wheels attached to the drive shaft itself are, with the first encoder wheel on the motor side of the drive shaft is attached and the second encoder wheel on the transmission side. Here the torsion of the drive shaft is used to determine the torque drawn. It is particularly advantageous that at least that on the engine side arranged encoder wheel with the associated sensor at mei Most vehicles are present anyway and with different driving the encoder wheel already exists on the gearbox side is.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich, besonders vorteilhaft ist, daß durch einen Vergleich aufeinanderfolgender, gemessener Drehmomente Verbrennungsaussetzer erkannt werden können.The measures listed in the subclaims provide for partial training and improvements in the main claim specified device possible, it is particularly advantageous that by comparing successive, measured torques Misfires can be detected.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. An embodiment of the invention is shown in the drawing represents and is explained in more detail in the following description.
Dabei zeigt Fig. 1 die Anordnung der Geberräder auf der Antriebs welle, Fig. 2 zeigt die Seitenansicht eines der Geberräder, Fig. 2a, b die Oberfläche der Geberräder und in Fig. 3 ist ein Signal diagramm über der Zeit aufgetragen.In this case, FIG. 1 shows the arrangement of the encoder wheel shaft on the drive Fig. 2 shows the side view of the encoder wheels, Fig. 2a, b, the surface of the encoder wheels, and in Fig. 3 is a signal diagram plotted over time.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Motor bezeichnet, der über eine Antriebs welle 11 mit dem Getriebe 12 verbunden ist. Auf der Motorseite der Antriebswelle 11 ist ein erstes Geberrad 13 befestigt, auf der Ge triebeseite der Antriebswelle 11 ein zweites Geberrad 14.In Fig. 1, 10 denotes a motor which is connected via a drive shaft 11 to the transmission 12 . On the motor side of the drive shaft 11 , a first encoder wheel 13 is attached, on the Ge transmission side of the drive shaft 11, a second encoder wheel 14 .
Das erste Geberrad 13 wird von einem ersten Fühler 15 abgetastet, das zweite Geberrad 14 von einem zweiten Fühler 16, an die beiden Fühler 15, 16 schließen sich erste und zweite Signalformungsschal tungen 17 und 18 an, die mit einem Mikrorechner 19 verbunden sind, der Mikrorechner 19 ist üblicherweise Bestandteil eines nicht dar gestellten Steuergeräts.The first sensor wheel 13 is scanned by a first sensor 15 , the second sensor wheel 14 by a second sensor 16 , to the two sensors 15 , 16 are connected first and second signal shaping circuits 17 and 18 , which are connected to a microcomputer 19 which Microcomputer 19 is usually part of a control unit not shown.
Im Mikrorechner 19 sind in bekannter Weise Zählmittel 20, Mittel zur Zeitmessung 21 sowie ein oder mehrere Speicher 22 enthalten, im Mikrorechner 19 finden Berechnungen statt, an deren Ende das Dreh moment M zur Verfügung steht.In the microcomputer 19 counting means 20 , means for time measurement 21 and one or more memories 22 are contained in a known manner, in the microcomputer 19 calculations take place, at the end of which the torque M is available.
In Fig. 2 ist die Seitenansicht der Geberräder 13, 14 abgebildet. Diese Geberräder, die auf der Antriebswelle 11 befestigt sind, weisen an ihrem Umfang eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken 23 sowie je eine Bezugsmarke 24, 25 auf. Die Bezugsmarken 24, 25 sind dabei durch wenigstens eine fehlende Winkelmarke ausgebildet. In Fig. 2 is a side view of the encoder wheel 13, ready to 14th These encoder wheels, which are fastened on the drive shaft 11 , have a multiplicity of similar angular marks 23 on their circumference and one reference mark 24 , 25 each. The reference marks 24 , 25 are formed by at least one missing angle mark .
In Fig. 2a ist die Oberfläche der Geberräder 13, 14 abhängig vom Drehwinkel für den Fall des ausgeschalteten Motors und einem Dreh moment M=0 dargestellt, die beiden Oberflächen sind dann bei dieser Ausführungsform deckungsgleich, es würde aber prinzipiell ausrei chen, wenn die Bezugsmarkenzuordnung definiert und fest wäre.In Fig. 2a, the surface of the encoder wheels 13 , 14 is shown depending on the angle of rotation for the case of the motor switched off and a torque M = 0, the two surfaces are then congruent in this embodiment, but it would in principle suffice if the reference mark assignment would be defined and firm.
In Fig. 2b sind die beiden Oberflächen für den Fall eines herr schenden Drehmomentes M aufgetragen, die Oberflächen sind dann gegeneinander um einen Torsionswinkel αT verschoben.In Fig. 2b, the two surfaces are plotted for the case of a prevailing torque M, the surfaces are then shifted relative to one another by a torsion angle α T.
Ist die Antriebswelle 11 die Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges, ist die Bezugsmarke 24 auf der Motorseite üblicherwiese so angeordnet, daß eine eindeutige Erkennung der Kurbelwellenstellung möglich ist.If the drive shaft 11 is the crankshaft of a motor vehicle, the reference mark 24 is usually arranged on the engine side so that the crankshaft position can be clearly identified.
Neben der, in den Fig. 1 und 2 beschriebenen induktiven Erfassung von Winkelmarken, die als Zähne ausgebildet sind, kann auch eine Erfassung nach einem optischen, kapazitiven oder Hochfrequenzver fahren erfolgen. Dabei können prinzipiell die Winkelmarken auch als Schlitze oder Löcher ausgebildet sein, es ist nicht unbedingt erfor derlich, daß beide Fühler nach dem gleichen Prinzip arbeiten.In addition to the inductive detection of angular marks, which are designed as teeth, described in FIGS. 1 and 2, detection can also be carried out according to an optical, capacitive or high-frequency method. In principle, the angle marks can also be designed as slots or holes, it is not absolutely necessary that both sensors work on the same principle.
Wesentlich ist jedoch, daß im Ruhezustand, wenn die Torsion der Welle 11 gleich Null ist und kein Drehmoment ausgeübt ist, ein fester Bezug zwischen den, auf jeweils einem Geberrad 13, 14 befindlichen Bezugsmarken 24, 25 besteht.It is essential, however, that in the idle state, when the torsion of the shaft 11 is equal to zero and no torque is exerted, there is a fixed relationship between the reference marks 24 , 25 located on a respective encoder wheel 13 , 14 .
Wenn der Motor 10 läuft, dreht sich die Antriebswelle 11 und damit auch die Geberräder 13, 14, in den Fühlern 17, 18 werden beim Vor beilaufen der Geberräder zeitabhängige Spannungen erzeugt, die in den Signalumformungsschaltungen 17, 18 in Rechteckspannungen U17, U18 umgeformt werden. When the motor 10 is running, the drive shaft 11 rotates and thus also the sensor wheels 13 , 14 , in the sensors 17 , 18 time-dependent voltages are generated when the sensor wheels run in front, which in the signal conversion circuits 17 , 18 into square wave voltages U 17 , U 18 be reshaped.
Die Auswertung der von den Signalformungsschaltungen gelieferten Rechtecksignale im Mikrorechner 19, der beispielsweise Bestandteil eines Steuergeräts ist, erfolgt nach dem aus der DE-OS 34 23 664 bzw. der entsprechenden US-PS 47 15 009, deren Offenbarung Bestand teil dieser Beschreibung sein soll, bekannten Prinzip.The evaluation of the square-wave signals supplied by the signal shaping circuits in the microcomputer 19 , which is, for example, part of a control unit, is carried out according to DE-OS 34 23 664 or the corresponding US Pat. known principle.
Die von der ersten Signalformungsschaltung 17 gelieferte Rechteck spannung U17, die in Fig. 3 über der Zeit aufgetragen ist, wird im Mikrorechner 19 so ausgewertet, daß jeweils die Zeit zwischen den Vorderflanken der aufeinanderfolgenden Rechteckimpulse gemessen wird und die gemessene Zeit in einem Speicher abgelegt wird. Durch einen Vergleich der Zeiten miteinander läßt sich über eine Plausibilitäts abfrage die Bezugsmarke dann erkennen, wenn auf ein kurzes Zeitin tervall t0 ein längeres Zeitintervall t1 und dann wieder ein kurzes Zeitintervall t2 folgt.The rectangular supplied by the first waveform shaping circuit 17 voltage U 17, which is plotted in Fig. 3 over time is evaluated in the microcomputer 19 so that in each case the time is measured between the leading edges of successive square-wave pulses and the measured time stored in a memory becomes. By comparing the times with one another, the reference mark can be recognized via a plausibility query if a longer time interval t1 follows a short time interval t0 and then a short time interval t2 again.
Mit dem Erkennen der Bezugsmarke ist auch die Kurbelwellenstellung bekannt, da üblicherweise zwischen Bezugsmarke und Kurbelwelle eine feste Korrelation gewählt wird.With the recognition of the reference mark, the crankshaft position is also Known because usually between the reference mark and crankshaft fixed correlation is chosen.
Da die Zeitdauer zwischen zwei gleichartigen Zahnflanken, beispiels weise t0 und t2 umgekehrt proportional zur Drehzahl der Welle 11 sind, kann aus diesen Zeitdauern die Drehzahl ermittelt werden.Since the time period between two identical tooth flanks, for example t0 and t2 are inversely proportional to the speed of the shaft 11 , the speed can be determined from these time periods.
Es wäre selbstverständlich genauso möglich, aus der Zeitdauer zwi schen der Vorder- und Rückflanke eines Rechteckimpulses die Drehzahl zu berechnen.It would of course also be possible to use the time between between the leading and trailing edges of a rectangular pulse the speed to calculate.
Werden zur Bestimmung der einzelnen Zeitdauern t0, t1, t2 Zähler verwendet, so lassen sich aus den ermittelten und abgespeicherten Zählerständen Z0, Z1, Z2, Z3 ebenfalls nach ähnlichen Bedingungen sowohl die Bezugsmarke 24 als auch die Drehzahl der Welle 11 ermit teln. If counters are used to determine the individual time periods t0, t1, t2, both the reference mark 24 and the speed of the shaft 11 can also be determined from the determined and stored counter readings Z0, Z1, Z2, Z3 according to similar conditions.
Mit dem von der zweiten Signalformungsschaltung 18 gelieferten Rechteckspannungssignal U18 kann eine Drehzahlerfassung bzw. Bezugs markenerkennung genauso erfolgen wie mit dem Rechteckspannungssignal U17.With the square-wave voltage signal U 18 supplied by the second signal shaping circuit 18 , a speed detection or reference mark detection can take place in the same way as with the square-wave voltage signal U 17 .
Zur Ermittlung der Torsion der Antriebswelle 11 und damit auch zur Ermittlung des Drehmoments M, das vom Motor 10 auf die Antriebswelle 11 ausgeübt wird, wird die Verschiebung der Signale U17 und U18 ge geneinander ausgewertet.To determine the torsion of the drive shaft 11 and thus also to determine the torque M, which is exerted by the motor 10 on the drive shaft 11 , the displacement of the signals U 17 and U 18 is evaluated against each other.
Wenn näherungsweise kein Drehmoment auf die Antriebswelle 11 ausge
übt wird, sind die in Fig. 3 mit U17 und U18 bezeichneten Recht
eckspannungssignale zueinander phasengleich, das mit t4 bezeichnete
Zeitintervall wäre daher 0. Wird dagegen vom Motor 10 ein Drehmoment
auf die Antriebswelle 11 ausgeübt, verschieben sich die Rechteck
spannungssignale U17 und U18 gegeneinander, da infolge der ent
stehenden Torsion der Antriebswelle die Geberräder 13 und 14 eine
Verdrehung gegeneinander aufweisen. Die letztlich als Folge des Vor
beilaufens der Geberräder 13, 14 an den Fühlern 15, 16 entstehenden
Rechtecksignale U17, U18 sind daher zeitlich betrachtet um ein Zeit
intervall t4 gegeneinander verschoben. Wird diese Zeitdifferenz t4
zwischen dem Auftreten der n-ten Zahnflanke nach der Zahnlücke zwi
schen dem auf der Motorseite befestigten ersten Geberrad 13 und dem
auf der Getriebeseite befestigten zweiten Geberrad 14 gemessen und
ins Verhältnis gesetzt, zu der ebenfalls gemessenen Zeitdauer t5,
die einer vollständigen Umdrehung einer der beiden Geberräder 13, 14
entspricht, so läßt sich der Torsionswinkel αT, also der Winkel,
um den die beiden Geberräder 13, 14 gegeneinander verdreht sind,
berechnen nach der Gleichung:
αT = t4 : t5×360°.
If approximately no torque is exerted on the drive shaft 11, the rectangular voltage signals denoted by U 17 and U 18 in FIG. 3 are in phase with one another, the time interval denoted by t4 would therefore be 0. On the other hand, the motor 10 produces a torque on the drive shaft 11 exercised, the square voltage signals U 17 and U 18 move against each other, because due to the ent torsion of the drive shaft, the encoder wheels 13 and 14 have a rotation against each other. The square wave signals U 17 , U 18 that ultimately arise as a result of the encoder wheels 13 , 14 running on the sensors 15 , 16 are therefore shifted relative to one another in terms of time by a time interval t 4 . If this time difference t 4 between the occurrence of the nth tooth flank after the tooth gap between the first encoder wheel 13 fastened on the motor side and the second master wheel 14 fastened on the transmission side is measured and related to the likewise measured time period t5, which is one complete rotation of one of the two encoder wheels 13 , 14 , the torsion angle α T , i.e. the angle by which the two encoder wheels 13 , 14 are rotated relative to one another, can be calculated according to the equation:
α T = t4: t5 × 360 °.
Bei dem in Fig. 3 gewählten Beispiel wird die erste Zahnflanke nach der Zahnlücke ausgewertet (n = 1), n kann jedoch beliebig gewählt werden.In the example chosen in FIG. 3, the first tooth flank is evaluated after the tooth gap (n = 1), but n can be chosen arbitrarily.
Da sich das Drehmoment H einer Welle in bekannter Weise aus der Tor
sionselastizität CT der Welle und dem Torsionswinkel αT nach der
Gleichung:
M=CT×αT
berechnen läßt, wird im Mikrorechner 19 das Drehmoment M aus dem
gemessenen und abgespeicherten Daten t4, t5, CT berechnet.Since the torque H of a shaft is known in a known manner from the torsional elasticity C T of the shaft and the torsion angle α T according to the equation:
M = C T × α T
can be calculated, the torque M is calculated in the microcomputer 19 from the measured and stored data t4, t5, C T.
Befindet sich zwischen dem ersten Geberrad 13 und dem zweiten Geber
rad 14 ein Getriebe, kann über die Ermittlung einer Zeitdifferenz
t4′ das vom Motor 10 ausgeübte Drehmoment M in derselben Weise be
rechnet werden, es ist dann jedoch zu berücksichtigen, daß in die
Berechnung des Drehmoments neben der Torsionselastizität CT der
Antriebswelle 11 auch noch die Torsionselastizität CTG des
Getriebes berücksichtigt werden muß. Diese Torsionselastizität CTG
wird im Mikrorechner 19 abgespeichert, das Drehmoment wird dann
berechnet nach der Gleichung:
M′=CT×CTG×αT.There is a transmission between the first encoder wheel 13 and the second encoder wheel 14 , the torque M exerted by the motor 10 can be calculated in the same way by determining a time difference t4 ', but it must then be taken into account that the calculation of the Torque in addition to the torsional elasticity C T of the drive shaft 11 and the torsional elasticity C TG of the transmission must also be taken into account. This torsional elasticity C TG is stored in the microcomputer 19 , the torque is then calculated according to the equation:
M ′ = C T × C TG × α T.
Werden aufeinanderfolgend ermittelte Drehmomente miteinander vergli chen, kann aus den Vergleichsergebnissen eine Aussage über das Auf treten von Verbrennungsaussetzern erhalten werden, da beim Auftreten solcher Verbrennungsaussetzer das Drehmoment so weit zurückgeht, daß die Vergleichsergebnisse vorgebbare Grenzwerte überschreiten. Die Vergleiche finden dabei wieder im Mikrorechner 19 statt, Grenzwerte sind entweder fest vorgegeben und abgespeichert, sie können auch veränderbar gemacht werden.If successively determined torques are compared with one another, a statement about the occurrence of combustion misfires can be obtained from the comparison results, since when such combustion misfires occur, the torque drops so far that the comparison results exceed predefinable limit values. The comparisons again take place in the microcomputer 19 , limit values are either predefined and stored, and they can also be made changeable.
Claims (9)
αT=t4×t5×360°.6. Device according to claim 5, characterized in that the torsion angle (α T ) is determined according to the equation:
α T = t4 × t5 × 360 °.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19904038413 DE4038413A1 (en) | 1990-12-01 | 1990-12-01 | Arrangement for measuring torque exerted on shaft by motor - using transducer wheels on actual shaft requiring no additional shaft |
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| Publication Number | Publication Date |
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| DE4038413A1 true DE4038413A1 (en) | 1992-06-04 |
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