DE4105120C1 - Torque detector for transmission between shafts - has angle of rotation indication supplying evaluator with counting circuit and sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomenterfas­ sungseinrichtung zur Ermittlung des zwischen einem eingangs­ seitigen Wellenelement und einem ausgangsseitigen Wellenele­ ment übertragenen Drehmomentes, mit einer elastischen Ver­ bindungsvorrichtung zwischen den Wellenelementen, die eine von dem übertragenen Drehmoment abhängige relative Winkel­ auslenkung der Wellenelemente gestattet, mit einer mit den beiden Wellenelementen verbundenen Drehwinkelanzeigeein­ richtung zur Erzeugung einer von der Winkelauslenkung der Wellenelemente abhängigen, erfaßbaren Drehwinkelgröße und mit einer Erfassungs- und Auswertungseinrichtung für die Drehwinkelgröße, die eine erste Zählerschaltung und eine relativ zu der Drehwinkelanzeigeeinrichtung drehbare Sensor­ einrichtung umfaßt und die die Drehwinkelgröße erfaßt und aus dieser das Drehmoment ableitet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine gattungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung ist aus der DE 31 42 603 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Drehmo­ menterfassungseinrichtung wird die Drehwinkelanzeigeeinrich­ tung durch zwei Scheiben gebildet, die mit einer Vielzahl von Ausschnitten innerhalb eines ersten und eines zweiten Radiusbereiches versehen sind. Die Erfassungs- und Auswer­ tungseinrichtung umfaßt zwei Leuchtdioden zur ständigen Ab­ gabe von Licht, die auf einer Seite der beiden Scheiben an­ geordnet sind, sowie zwei Phototransistoren, die auf der anderen Seite der beiden Scheiben angeordnet sind. Die An­ zahl der Lichtpulse, die von der ersten Leuchtdiode durch Ausschnitte der beiden Scheiben zu dem ersten Phototransi­ stor während einer Umdrehung der Welle übertragen werden, hängt von der Überdeckungsstellung der jeweiligen Ausschnit­ te der beiden Scheiben ab, wobei die Lage der Ausschnitte so bestimmt ist, daß die Anzahl der übertragenen Lichtpulse pro Wellenumdrehung abhängig von der Winkelauslenkung der Wellenelemente ist. Das zweite Leuchtdioden-Phototransistor- Paar dient zur Erzeugung von Referenzpulsen. Die so erzeug­ ten Pulssignale werden einem Zähler zugeführt, der von den Ausgangssignalen des einen Leuchtdioden-Phototransistor-Paa­ res hochgezählt wird und von dem Ausgangssignal des anderen Leuchtdioden-Phototransistor-Paares rückgesetzt wird. Die mit einer derartigen Drehmomenterfassungseinrichtung erziel­ bare Meßgenauigkeit oder Auflösung ist durch die Anzahl und Fertigungsgenauigkeit der Vielzahl von Fensteröffnungen in den beiden Scheiben beschränkt. Für genaue Drehmomentmessun­ gen ist diese bekannte Drehmomenterfassungseinrichtung bei noch hinnehmbarer Größe der Scheiben und hinnehmbarer Anzahl der erforderlichen Fenster somit nicht verwendbar.

Aus der US 38 71 215 A ist eine Drehmomentmeßeinrichtung be­ kannt, die mit zwei in Wellenrichtung einer elastischen Wel­ le zueinander versetzten, auf der Welle angebrachten Codier­ streifen arbeitet. Aus der Phasenverschiebung der Detektor­ ausgangssignale von den Codierstreifen zugeordneten Photo­ detektoren läßt sich ein Pulssignal ableiten, dessen Puls­ breite eine analoge Darstellung des zu messenden Drehmomen­ tes ist. Die mit einer derartigen Drehmomenteinrichtung er­ zielbare Genauigkeit ist gering.

Aus DE 39 16 808 A ist eine Drehmomenterfassungseinrichtung bekannt, die mit zwei Sätzen von Scheiben arbeitet, die je­ weils in Abhängigkeit von dem anliegenden Drehmoment gegen­ einander verdreht werden. Aus den Phasendifferenzen, die zwischen den Paaren von stationären, bzw. rotierenden Schei­ ben auf der Antriebsseite und der Abtriebsseite erzeugt wer­ den, können die Fensteröffnungswerte abgeleitet werden, die wiederum dem anliegenden Drehmoment entsprechen. Hier han­ delt es sich um eine Meßtechnik, die bei hinnehmbarer Kom­ plexität der beiden Scheibenpaare nur eine geringe Meßge­ nauigkeit erwarten läßt.

Aus DE 35 17 889 C2 ist eine weitere Drehmomenterfassungs­ einrichtung bekannt, bei der gleichfalls ein durch eine Wel­ le übertragenes Drehmoment zu einer Relativdrehung zweier mit Fenstern versehener Scheiben umgesetzt wird. Die Fenster haben die Form von radial verlaufenden Streifen, die mitein­ ander ein Moire-Interferenzmuster in Abhängigkeit von dem anliegenden Drehmoment erzeugen, wobei eine Drehmomentänder­ ung über eine Verschiebung des Moire-Interferenz-Musters er­ mittelt wird. Diese Meßtechnik ist in ihrer Genauigkeit ebenfalls durch die beschränkte Anzahl der Fenster in den beiden Scheiben begrenzt.

Aus DE-OS 29 19 946 ist eine optische Drehmomentmeßeinrich­ tung bekannt, die in der soeben beschriebenen Art gleich­ falls ein Muster mit Helligkeitsmaxima und Helligkeitsminima erzeugt, deren Lage dem Drehmoment entspricht. Bezüglich der auftretenden Nachteile ist diese Technik mit der zuletzt ge­ schilderten Technik gleichzusetzen.

Aus DE-OS 28 39 531 ist eine Torsionsmeßeinrichtung be­ kannt, bei der die Torsion einer Welle durch Ablenkung eines Strahles von einem Sensor zu einem anderen Sensor erfaßt wird. Eine solche Meßtechnik ist nur für stehende Wellen einsetzbar und läßt auch nur eine geringe Genauigkeit erwar­ ten.

Aus der EP 03 40 172 A1 ist eine Drehmomenterfassungsein­ richtung bekannt, bei der eine Wellentorsion in eine rela­ tive Winkelbewegung zweier Scheiben mit Fenstern umgesetzt wird. Aus der relativen Überdeckung zweier Fenstergruppen wird ein Differenzsignal abgeleitet, dessen Größe eine ana­ loge Darstellung des anliegenden Drehmomentes sein soll. Eine derartige Drehmomenterfassungseinrichtung ist nur für geringe Meßbereiche bei niedrigem Genauigkeitsanspruch ein­ setzbar.

Aus DE-OS 26 49 392 ist eine Drehmomenterfassungseinrichtung bekannt, die gleichfalls mit zwei Scheiben arbeitet, die zu­ sammen Lichtdurchtrittsfenster festlegen, wobei der Licht­ durchtritt von der relativen Winkellage der beiden Scheiben abhängt. Der Lichtdurchtritt wird mit einer Photodiode ge­ messen und in ein analoges Signal umgesetzt. Bezüglich der Beschränkungen dieser Meßtechnik wird auf die obigen Aus­ führungen verwiesen.

Aus DE-AS 21 57 551 ist eine weitere Drehmomenterfassungs­ vorrichtung bekannt, die mit zwei Paaren von Fensteröffnun­ gen umfassenden Scheiben und zwei Lichtsende-Lichtempfangs- Elemente-Paaren arbeitet, aus deren Ausgangssignalen das Drehmoment abgeleitet wird. Auch bei dieser Meßtechnik ist man trotz des hohen mechanischen Aufwandes in der erzielba­ ren Auflösung sehr beschränkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomenterfas­ sungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz einfacher Struktur eine hohe Auflösung bei vollständig digitaler Meßtechnik erreicht. Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 ge­ löst.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Drehmoment­ erfassungseinrichtung;

Fig. 2 eine wichtige Komponente einer ersten Ausführungs­ form der Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine wichtige Komponente einer zweiten Ausführungs­ form der Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß Fig. 1.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt eine Drehmo­ menterfassungseinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 dargestellt ist, eine Drehwinkelanzeigeein­ richtung 2, welche zwei Scheiben 3, 4 umfaßt. Jede der Scheiben 3, 4 kann die in der rechtsseitigen Darstellung gemäß Fig. 2 gezeigte Gestalt haben und jeweils zumindest ein Kreisbogenfenster 5, 6 umfassen. Die erste Scheibe 3 der Drehwinkelanzeigeeinrichtung 2 steht mit einem eingangs­ seitigen Wellenelement 7 in Verbindung, während die zweite Scheibe 4 an einem ausgangsseitigen Wellenelement 8 ange­ bracht ist. Bei einem der möglichen Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung, welcher die Drehmomentmessung bei sich drehenden Wellen betrifft, ist das eingangsseitige Wellenelement 7 ein Antriebselement, während das ausgangs­ seitige Wellenelement 8 ein Abtriebselement bildet.

Zwischen den beiden Wellenelementen 7, 8 liegt eine diese beiden Elemente drehelastisch verbindende Einrichtung 9, die bei der gezeigten Ausführungsform die Gestalt einer Fe­ der hat. In Axialrichtung liegen einander im Bereich der Kreisbogenfenster 5, 6 ein Sendeelement 10 und ein Empfangs­ element 11 gegenüber. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Sendeelement 10 ein elektrooptisches Sendeelement in Form einer Leuchtdiode. Bei dieser Ausgestaltung der Erfin­ dung ist das Empfangselement 11 ein optoelektrisches Em­ pfangselement in Form eines Phototransistors. Diese Elemente dienen als Sensoreinrichtung zur Abgabe eines Signales, das anzeigt, ob oder ob nicht zwischen dem Sendeelement 10 und dem Empfangselement 11 eine Signalübertragung stattfindet. Eine Signalübertragung findet statt, wenn das durch die bei­ den Kreisbogenfenster 5, 6 gebildete Fenster, dessen Winkel­ länge von dem anliegenden Drehmoment abhängt, sich zwischen den Elementen 10, 11 befindet.

Das Sendeelement 10 sowie das Empfangselement 11 können jedoch in Abweichung von dem soeben beschriebenen Beispiel auch zur Übertragung magnetischer oder elektischer Signale ausgestaltet sein.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Drehmomenterfassungs­ einrichtung eine an das Sendeelement 10 sowie an das Em­ pfangselement 11 angeschlossene Erfassungs- und Auswertungs­ einrichtung 12, die eine erste Pulssignalquelle 13 umfaßt.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung dient diese Pulssignalquelle zur Ansteuerung des Sendeelementes 10, so daß das Sendeelement 10 ein Pulssignal abgibt. Ferner umfaßt die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung 12 einen ersten Zähler 14, der dem Empfangselement 11 nachgeschaltet ist. Bei der soeben erwähnten Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Sendeelement 10 mit einem Pulssignal beaufschlagt wird, zählt also die erste Zählerschaltung 14 die Anzahl von dem Empfangselement 11 empfangenen Pulse.

Ferner umfaßt die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung 15 eine zweite Zählerschaltung, die die während des Durchlaufes eines Referenzwinkels von der ersten Pulssignalquelle 13 ab­ gegebenen Pulse zählt. Der Referenzwinkel kann praktisch eine frei wählbare Größe haben. Bei einer bevorzugten Aus­ führungsform ist der Referenzwinkel 90 Grad. Bei dieser Ausführungsform wird der Referenzwinkel dadurch erfaßt, daß der zweite Zähler jeweils den Zählwert abgibt, der bei einem Zyklus des von dem Empfangselement 11 erfaßten periodischen Pulssignales in dem zweiten Zähler vorliegt. Ein Zähleraus­ lesen und Rücksetzen des Zählers kann beispielsweise jeweils mit dem ersten Puls einer Pulssequenz des empfangenen Puls­ signales erfolgen.

Ebenfalls kann die Durchlaufzeit eines Referenzwinkels durch die zweite Zählerschaltung auch dadurch erfaßt werden, daß diese von einer zweiten Pulssignalquelle mit Zählpulsen ver­ sorgt wird.

Den beiden Zählerschaltungen 14, 15 ist eine Quotientenbil­ dungseinheit 16 nachgeschaltet, die aus dem Quotienten des ersten Zählerstandes der ersten Zählerschaltung 14 zu dem zweiten Zählerstand der zweiten Zählerschaltung 15 das mo­ mentane Drehmoment, das zwischen den Wellenelementen 7, 8 übertragen wird, errechnet. Für den Fachmann ist es offen­ sichtlich, daß die beiden Zählerschaltungen 14, 15 sowie die Quotientenbildungseinheit 16 durch einen Mikroprozessor im­ plementiert werden können.

Der Quotientenbildungseinheit 16 ist eine Anzeigeeinheit 17 nachgeschaltet, die in einem ersten Anzeigeteil 18 das er­ mittelte Drehmoment anzeigt. Mit Hilfe des zweiten Zähler­ standes, der umgekehrt proportional zur Drehzahl ist, kann der die Quotientenbildungseinheit 16 umfassende Mikropro­ zessor 16 somit auch die Drehzahl ermitteln, die auf einem zweiten Anzeigeteil 19 der Anzeigeeinheit 17 angezeigt wird, sowie durch Multiplikation der Drehzahl und des Drehmomentes die Leistung errechnen, die in einem dritten Anzeigeteil 20 angezeigt wird.

Aus der obigen Beschreibung ist es ersichtlich, daß das er­ findungsgemäße Konzept der Drehmomenterfassung zunächst die Umsetzung des Drehmomentes in eine mit einem Sensor erfaß­ bare Drehwinkelgröße erfordert, die bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel dem durch die beiden Kreisbogenfenster 5, 6 aufgrund ihrer Relativdrehung festgelegten Fensterbereich entspricht. Diese Drehwinkelgröße wird in ein erstes Zeit­ signal transformiert, das bei dem gezeigten Ausführungsbei­ spiel dem ersten Zählerstand entspricht. Ein zweites Zeit­ signal stellt die Zeitdauer dar, während der eine Relativ­ drehung zwischen der Welle und der Sensoreinrichtung 10, 11 über einen Referenzwinkel stattfindet. Dieses zweite Zeit­ signal entspricht dem zweiten Zählerstand. Die Quotienten­ bildung dieser beiden digital erfaßten Größen ergibt das Drehmoment.

Für die Bildung des ersten Zählerstandes ist es nicht zwin­ gend, daß das Sendeelement mit dem von der ersten Pulssig­ nalquelle erzeugten Pulssignal beaufschlagt wird. Ebenfalls ist es denkbar, das erste Sendeelement ständig senden zu lassen, so daß das Empfangselement 11 bei Erfassung des Fen­ sters ein "Hoch"-Signal kontinuierlich abgibt, mit dem ein (nicht dargestelltes) Tor auf- und zugesteuert wird, über das das Pulssignal von der ersten Pulssignalquelle 13 direkt der ersten Zählerschaltung 14 zugeführt wird.

Bei der unter Bezugnahme auf Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung 10, 11 festste­ hend, während sich die Wellenelemente 7, 8 drehen.

Wie aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 3 verdeutlicht wird, ist die erfindungsgemäße Drehmo­ menteinrichtung jedoch auch für solche Anwendungsfälle ein­ setzbar, bei denen es um die Erfassung des an einer still­ stehenden Welle anliegenden Drehmomentes geht. In diesem Fall wird die Sensoreinrichtung 10 mit einer Antriebsein­ richtung in Drehrichtung um einen Referenzwinkel um die Welle gedreht. Die Antriebseinrichtung ist bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3 versinnbildlicht durch einen Motor 21 zum Antreiben einer Schnecke 22, mit der ein Zahn­ kranz 23 um die Achse der Welle bewegt wird, an dem die Sen­ soreinrichtung 10, 11 geführt wird. Die Bildung des ersten Zählerstandes erfolgt ebenso wie bei dem unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Bildung des zweiten Zählerstandes, welcher die Pulszahl oder Zeit während des Durchlaufes des Referenzwinkels betrifft, kann bei dieser Ausgestaltung beispielsweise dadurch erfolgen, daß während der Zeitdauer des Antreibens des Motors 21 ein Gatter zwischen der Pulssignalquelle 13 und der zweiten Zäh­ lerschaltung 15 aufgesteuert wird.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff der elastischen Verbindungsvorrichtung zwischen zwei Wellenelementen die Anwendung von in sich elastischen Wellen umfaßt, deren Wellenenden die Wellenelemente bilden und deren Hauptteil die elastische Verbindungsvorrichtung darstellt.

Ferner ist es möglich, die Sensoreinrichtung durch getrennte Sensorelemente für die erste und die zweite Zählerschaltung zu realisieren. In diesem Fall können die Sensorelemente an voneinander beabstandeten Orten der Welle vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung ermög­ licht die Drehmomenterfassung mit einer Auflösung, die je nach Frequenz der ersten Pulssignalquelle und Zählkapazität der verwendeten Zähler praktisch beliebig hoch gewählt wer­ den kann. Die erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrich­ tung arbeitet berührungslos und erfordert keine Dehnungs­ meßstreifen oder sonstige analoge Sensoren, da das erfin­ dungsgemäße Meßprinzip vollständig digital ist.

Die erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung kann bei allen Motoren, Antrieben und Getrieben eingesetzt wer­ den. Die erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung ist ausgesprochen einfach aufgebaut und ermöglicht dennoch eine hohe Meßgenauigkeit.

Claims (4)

1. Drehmomenterfassungseinrichtung zur Ermittlung des zwi­ schen einem eingangsseitigen Wellenelement (7) und einem ausgangsseitigen Wellenelement (8) übertragenen Drehmo­ mentes,
mit einer elastischen Verbindungsvorrichtung (9) zwi­ schen den Wellenelementen (7, 8), die eine von dem über­ tragenen Drehmoment abhängige relative Winkelauslenkung der Wellenelemente (7, 8) gestattet,
mit einer mit den beiden Wellenelementen (7, 8) verbun­ denen Drehwinkelanzeigeeinrichtung (2 bis 6) zur Erzeu­ gung einer von der Winkelauslenkung der Wellenelemente (7, 8) abhängigen erfaßbaren Drehwinkelgröße, und
mit einer Erfassungs- und Auswertungseinrichtung (12) für die Drehwinkelgröße, die eine erste Zählerschaltung (14) und eine relativ zu der Drehwinkelanzeigeeinrich­ tung (2) drehbare Sensoreinrichtung (10, 11) umfaßt, die die Drehwinkelgröße erfaßt und die aus dieser das Dreh­ moment ableitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung eine er­ ste Pulssignalquelle (13) umfaßt,
daß die Sensoreinrichtung (10, 11) derart ausgebildet ist, daß sie die erste Zählerschaltung (14) zum Zählen der von der ersten Pulssignalquelle (13) abgegebenen Pulse während einer Zeitdauer veranlaßt, während der sie im Laufe ihrer Relativbewegung zu der Drehwinkelanzei­ geeinrichtung (2) die Drehwinkelgröße erfaßt,
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung eine zweite Zählerschaltung (15) aufweist, die die von der ersten oder einer zweiten Pulssignalquelle (13) während einer Referenzzeit abgegebenen Pulse zählt, wobei die Referenzzeit diejenige Zeit ist, während der eine Rela­ tivdrehung der Sensoreinrichtung (10, 11) zu der Dreh­ winkelanzeigeeinrichtung (2) über einen Referenzwinkel stattfindet, und
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung (1) das Drehmoment aus dem Quotienten des ersten Zählerstandes zu dem zweiten Zählerstand ableitet.

2. Drehmomenterfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Pulssignalquelle (13) mit einem Sendeele­ ment (10) der Sensoreinrichtung (10, 11) verbunden ist,
daß die Sensoreinrichtung (10, 11) ferner ein Empfangs­ element (11) umfaßt,
daß die erste Zählerschaltung (14) dem Empfangselement (11) nachgeschaltet ist, und
daß das Sendeelement (10), das Empfangselement (11) und die Drehwinkelanzeigeeinrichtung (2) derart angeordnet sind, daß eine Pulsübertragung von dem Sendeelement (10) zu dem Empfangselement (11) nur stattfinden kann, wenn die momentane relative Drehlage des Empfangselementes (11) bezüglich der Drehwinkelanzeigeeinrichtung (2) innerhalb der Drehwinkelgröße liegt.

3. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensoreinrichtung (10, 11) eine Torschaltung nachgeschaltet ist, die zwischen der ersten Pulssignal­ quelle (13) und der ersten Zählerschaltung (14) liegt und diese verbindet, wenn die Sensoreinrichtung (10, 11) die Drehwinkelgröße erfaßt.

4. Drehmomentmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelanzeigeeinrichtung zwei Scheiben (3, 4) umfaßt, von denen je eine mit je einem Wellenelement (7, 8) verbunden ist und die miteinander ein Fenster (5, 6) festlegen, dessen Winkel die die Winkelauslenkung der Wellenelemente (7, 8) darstellende Drehwinkelgröße ist.