DE4320834A1

DE4320834A1 - Verfahren, Einrichtung und Vorrichtung zur Drehmomenterfassung an Wellen

Info

Publication number: DE4320834A1
Application number: DE4320834A
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof Dr Ing Seeliger; Paul Dr Ing Burgwinkel; Leon Dipl Ing Dumoulin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1994-04-14

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Drehmomen tenerfassung an Wellen der in Anspruch 1 angegebenen Gat tung sowie auf eine entsprechende Einrichtung und Vorrich tung.

Bei der Erfassung von Drehmomenten an Wellen wird in der Regel der physikalische Effekt der Torsion der Wellen aus genutzt, wobei die Torsion bzw. die Verdrillung der Wellen zur Bestimmung der Höhe des Drehmomentes herangezogen wird. Es ist dabei bekannt, direkt an Wellenelementen den Dreh winkel, der durch die Verdrehung oder Verdrillung hervor gehoben wird, zwischen einer Wellenseite und der anderen Wellenseite zu ermitteln, eine Drehmomentenerfassung kann aber auch berührungslos erfolgen, indem eine Lageverände rung von an den Wellenenden aufgebrachten Meßgebern ermit telt wird.

Aus der DE-41 05 120 ist eine Drehmomentenerfassungsein richtung bekannt, die zwischen zwei Wellenelementen eine elastische Verbindungsvorrichtung aufweist, wobei dort eine durch kreisförmige, auf den gleichen radialen Abstand lie gende Schlitze in Scheiben über Sensoreinrichtungen die Pulssignale ausstoßen und empfangen die Lageveränderungen der die Schlitze aufweisenden Scheiben gemessen und daraus der Drehwinkel und daraus wiederum das Drehmoment elektro nisch errechnet wird.

Der Nachteil dieses bekannten Systemes liegt darin, daß hier zwischen den beiden belasteten Wellenenden eine beson dere Meßwelle vorgesehen werden muß, wobei die mit Schlit zen versehenen Meßwertgeberscheiben einen vergleichsweise großen Durchmesser benötigen, so daß es nicht nur zu zu sätzlichen verstärkten Belastungen der zu messenden Wel lenenden kommt, sondern auch die sonstigen baulichen Maß nahmen zum Einsatz einer solchen Meßwerteinrichtung sind erheblich. Der bekannte Meßaufbau ist daher nur bei einem Bruchteil der prinzipiell möglichen Anwendungsgebiete ein setzbar. Das bekannte System benötigt darüber hinaus zu sätzliche Referenzvorrichtungen, was zu einer weiteren Er höhung des Bauaufwandes führt.

Aus der gattungsbildenden DE-A-40 38 413 ist eine Bestim mung des Drehmomentes bekannt unter Einsatz eines Zahnrades als Geberrad und eines zweiten Zahnrades als zweites Geber rad mit entsprechenden Fühlern, wobei dort ein Zählimpuls von wenigstens einer Einheit, bestehend aus Zahn und Zahn lücke, zur Berechnung herangezogen wird. Diese bekannte Verfahrensweise hat einen ganz erheblichen Nachteil, der darin besteht, daß sich bei ändernden Drehzahlen der scheinbare Abstand zwischen zwei Zähnen ändert, womit eine derartige Meßverfahrensweise mit hohen Ungenauigkeiten ar beiten muß. Dabei können Fehler in der Zahnradgeometrie, wie z. B. Zahnbreitenfehler und Winkelfehler nicht erfaßt werden. Zudem ging man zunächst davon aus, daß sich die geometrischen Fehler bei der Messung als weißes Rauschen, d. h. statistisch gleich verteilt um den zu messenden Mit telwert verhalten. Daraus ergibt sich aber, daß eine der artige Meßweise im Echtzeitbetrieb mit herkömmlichen Fil tertechniken nur schwer zu realisieren ist.

Aus der DE-A-41 27 965 ist ein Verfahren zur Beseitigung von Zahnteilungsschwierigkeiten bekannt, bei dem mit Hilfe eines ersten Magnetlesekopfes und einer vormagnetisierten Schicht auf der einen Seite der Welle die Perioden der Markierungen dieser Schicht direkt ohne Phasenverschiebung mit Hilfe eines Magnetschreibkopfes einer sich am anderen Ende der Welle befindlichen unmagnetisierten Schicht auf magnetisiert wird. Dieses Verfahren funktioniert in der Pra xis jedoch aus zwei Gründen nicht; zum einen wird die ak tuelle Wiedergabelänge der zu magnetisierenden Schicht durch die prinzipiell in einem Antrieb vorhandenen Schwan kungen der Drehzahl mit einer dieser Drehzahlschwankungen gleichphasigen Schwingung aufmoduliert, zum anderen werden durch Drehmomentschwankungen in bezug zur vormagnetisierten Schicht gegenphasigen Schwingungen auf die noch zu magneti sierende Schicht aufmoduliert. Im folgenden werden die auf Drehzahl- und Drehmomentschwankungen verursachten Effekte mit Drehschwankungen bezeichnet.

Bei dem in der DE-A-42 32 040 beschriebenen Verfahren wird mit Hilfe zweier direkt benachbarter Magnetleseköpfe und einer auf der Welle angebrachten wieder beschreibbaren Ma gnetschicht die Geschwindigkeit einer Seite einer Welle durch Messung der Passierzeit einer zu diesem Zweck spe ziell auf der Magnetschicht aufmagnetisierten Meßmarke zwi schen beiden Magnetleseköpfen erfaßt. Aus dieser Passier zeit wird unter Berücksichtigung der Wellengeometrie und der Anzahl anzubringender Pole auf dem Umfang der Welle die Periodenlänge der Markierungen bestimmt (bzw. die Frequenz der Auftragung). Diese Markierungen werden auf der gleichen Magnetschicht mit Hilfe eines dritten räumlich zu den Lese köpfen versetzten Magnetschreibkopfes und eines vierten Ma gnetschreibkopfes auf der anderen Seite der Welle, gleich zeitig auf zwei beabstandet auf der Welle angebrachten, den Schreibköpfen gegenüberstehenden Magnetschichten aufge bracht. Aus den weiteren Ausführungen wurde nicht eindeutig klar, ob bei dieser Technik eine periodische Erfassung der aktuellen Drehzahl vorgesehen ist, da hierzu, zur Vermei dung von Überschreibungen der hierzu notwendigen Meßmarken mit dem eigentlichen Meßsignal, eine zweite Spur erforder lich wäre. Auch wenn dies der Fall wäre, würden Drehzahl schwankungen wegen der Zeitdifferenz zwischen Erfassung und Wiedergabe nicht vollständig kompensiert werden. Hinzu kommt noch, daß Drehmomentschwankungen bei einem dem dreh zahlbestimmenden Geber gegenüberliegenden Geber gegenphasi ge Schwingungen herbeiführen, so daß auch theoretisch keine vollständige Kompensation beider Meßwertgeber durch Messung der aktuellen Geschwindigkeit eines einzelnen Zahnrades möglich ist.

Weitere Vorschläge, die sich mit der Erfassung des Drehmo mentes beschäftigen, zeigen die US-3 538 762, die DE-C- 35 09 763, das DE-U-19 17 991 oder die US-4 020 685.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der berührungslos die Verdrillung bzw. Verdrehung einer Welle gemessen und daraus das Drehmoment einfach errechen bar ist, wobei gleichzeitig eine Vielzahl von möglichen Fehlereinflüssen eliminierbar sind und wobei grundsätzlich spezielle Meßwertgeber dann entbehrlich sind, wenn im zu messenden System Zahnräder eingesetzt werden.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die se Aufgabe gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Mit der Erfindung ist es u. a. möglich, mit dem zusätzlich auf der Welle angebrachten Meßgeber ein zusätzliches Trig ger-Signal zu erreichen. Dabei können die Geber beispiels weise von Zahnrädern, profilierten Bändern, abwechselnd ge polten Magnetbändern oder hell/dunkel markierten optischen Bändern bereitgestellt werden, die mit dem zusätzlichen Ge ber markierbar sind, d. h. für die elektronische Auswertung genau identifizierbar sind. Evtl. geometrische Fehler der Geber oder Fehler in deren gegenseitiger Phasenlage können mit der Erfindung vor der eigentlichen Messung während des Betriebes mittels eines Korrektur- und Kalibrierlaufes eli miniert werden. Diese Vermessung ist auch bei Schwankungen von Drehzahl und Drehmoment noch sehr genau, wobei der Ab stand von eingesetzten Meßgebern bis zu 5 mm betragen kann, was bei Lösungen nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. So müssen beispielsweise Meßaufnehmer nach der DE- 21 27 965 oder der DE-42 32 040 einen sehr geringen Abstand von 10 µ aufweisen, was naturgemäß die praktische Einsetz barkeit derartiger Systeme stark einschränkt.

Mit der erfindungsgemäßen Korrektur- und Kalibriermessung kann mit Hilfe des sich auf der Welle befindlichen dritten Gebers (Trigger-Signal) jeder einzelne Zahn beider Zahnrä der (oder vergleichbaren Geber) identifiziert werden. Dazu wird vorher in einem Trabantensystem für jeden Geber die Anzahl der Markierungen auf dem Umfang angegeben, so daß sich auf dem Umfang befindliche Markierungen der beiden Ge ber nach dem Eintreten des Trigger-Signals eindeutig iden tifizieren lassen.

Erfindungsgemäß kann eine Korrektur in drei Schritten ver laufen, diese drei Schritte sind weiter unten näher be schrieben.

Die Erfindung macht sich auch zunutze, daß das Drehmoment über eine Zeitmessung bestimmbar ist, wobei Zeitsignale von den zwei auf der Welle angebrachten Meßgebern schaltbar sind. Dabei können diese Meßgeber etwa bei Getrieben von den ohnehin vorhandenen Zahnrädern bereitgestellt werden, sie können je nach Konstruktion aber auch separat im Be reich der Wellenenden angebracht sein.

Aus den Zeitsignalen läßt sich zum einen die Momentange schwindigkeit der Meßwertgeber und zum anderen der zeitli che Versatz der Meßwertgeber, d. h. die Phasenverschiebung der Signale, bestimmen. Grundsätzlich ist es bekannt, etwa Lochscheiben oder am Umfang einer Welle aufgebrachte gleichmäßige Markierungen zur Abgabe von Impulsen heranzu ziehen und daraus die Phasenverschiebung zu ermitteln. Eine solche Methode wurde auch beispielsweise angewendet, um die Drehzahlerfassung eines Ventilators mit mehreren Ventila torflügeln zu bestimmen.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise läßt sich aber auch erreichen, daß vorhandene Phasenverschiebung bei unbe lasteten Wellen meßwerttechnisch kompensiert werden kann. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Verfahrensansprüchen. So kann zur Bestimmung der Momentangeschwindigkeit ein erster Zäh ler eingesetzt werden, der von der ansteigenden Flanke ei nes Zahnes gestartet und von der abfallenden Flanke des gleichen Zahnes gestoppt wird, wobei die Phasenverschiebung zwischen den beiden Meßgebern an den unterschiedlichen Zahnrädern dadurch bestimmt wird, daß ein zweiter Zähler vom Zahn des ersten Meßgebers gestartet und vom korrespon dierenden, benachbarten Zahn des zweiten Meßgebers gestoppt wird. Dadurch ist mit Hilfe der Zeitsignalunterschiede die Phasenverschiebung ermittelbar.

Über die Verknüpfung von Momentangeschwindigkeit und Pha senverschiebung ist die räumliche Lageveränderung der Meß wertgeber bzw. die Verdrillung der Welle und damit auch das Drehmoment bestimmbar.

Da die Meßwertgeber, wie oben schon angedeutet, nicht immer völlig synchron auf der Welle angebracht werden können, kann dies nach der Erfindung kompensiert werden, da diese im unbelasteten Zustand herrschende Phasenverschiebung er mittelbar ist unter der Voraussetzung, daß die Meßwertgeber bei unbelastetem System die gleiche Momentangeschwindigkeit aufweisen oder aber, etwa bei vorbestimmtem Durchmesserun terschied der einzusetzenden Zahnräder, ein vorbestimmbares Geschwindigkeitsverhältnis aufweisen. Bei gleicher Momen tangeschwindigkeit bei unbelasteter Welle ergeben sich fol gende Zusammenhänge:

Die Geschwindigkeit ν_z eines Zahnes ergibt sich zu

mit Z_b = Zahnbreite
t_z = Zeitdauer zum Zurücklegen der Zahnbreite.

Im unbelasteten Zustand kann die Phasenverschiebung ζ₀ bei der Zahnräder gemessen werden. Sie berechnet sich zu:

mit Δt_z0 = Zeitdifferenz zwischen zwei Zähne,
t_z0 = Zeitdauer zum Zurücklegen der Zahnbreite.

Mit Belastung der Welle wird die Phasenverschiebung ζ aus ihrer unbelasteten Lage ζ₀ verlagert. Je nach Belastungs richtung vergrößert oder verkleinert sich die Phasenver schiebung (hinten Fig. 1b). Zur Ermittlung der Phasendiffe renz Δζ, und damit der Verdrillung der Welle, werden wieder Zeiten gemessen.

Nach folgenden Formeln läßt sich nun das Drehmoment aus den gemessenen Zeiten errechnen:

Aus den Formeln ergibt sich jetzt das Drehmoment in Abhän gigkeit der Meßgrößen Δt_z, t_z und den Kalibriergrößen Δt_z0 und t_z0 zu:

mit

d_w = Durchmesser der Welle,
d_z = äußerer Durchmesser des Zahnrades.

Aus der Formel geht hervor, daß durch die Messung der Ab weichung der Differenzzeit Δt_z zwischen den Meßwertgebern und der Impulszeit direkt das absolute Drehmoment (mit sta tischem und dynamischem Anteil) vorbestimmt werden kann. Dies ist die Grundlage zur direkten Drehmomenterfassung. Voraussetzung für die direkte Drehmomenterfassung bei glei cher Drehzahl der Antriebs- und Abtriebsseite sind zwei gleiche Zahnräder und eine Winkelverdrehung der Welle, die nicht größer ist als der halbe Teilungswinkel bei gleicher Breite von Zahn und Lücke (die Zähne dürfen sich nicht überholen). Ist die Abmessung von Zahnbreite und Lücken breite unterschiedlich, ist der entsprechende Winkel zu be rücksichtigen. Bei unterschiedlichen Drehzahlen muß das Verhältnis der Zähnezahlen der beiden Meßwertgeber genau dem Kehrwert des Übersetzungsverhältnisses entsprechen.

Die hier angegebenen Zeitsignale der Meßwertgeber bei unbe lasteter und belasteter Welle sind weiter hinten als Fig. 1a und Fig. 1b dargestellt.

Eine Kalibrierung unter Last des Systems zur berührungslo sen digitalen Messung des Drehmomentes stellt ein Problem dar, weil das Verfahren grundsätzlich nicht bei Drehzahl Null funktioniert. Die normalerweise übliche Kalibrierung von Drehmomentmeßstellen im Stillstand einem mit Hilfe ei nes über einen Hebelarm in die Welle eingeleiteten Moments ist deshalb bei diesem System nicht möglich. Vor der ei gentlichen Messung mit Hilfe des vorgeschlagenen Systems muß die Ausgangsphasenlage der beiden Meßwertgeber bekannt (kalibriert) sein.

Eine mögliche Lösung dieses Problems nach der Erfindung ist, daß die Ausgangsphasenlage der beiden Meßwertgeber bei leerlaufendem Antrieb gemessen wird. Anschließend wird die se Phasenlage zur Nullage definiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, daß vorhandene Restmomente bei die sem Verfahren zu einem systematischen Fehler führen kann.

Um dieses Problem zu umgehen, schlägt die Erfindung in Aus gestaltung vor: Beim Maschinenhochlauf oder -auslauf erhält man durch Differenzierung der Drehzahl die Drehbeschleuni gung. Das Drehmoment ist direkt dieser Drehbeschleunigung proportional dem Trägheitsmoment als Proportionalitätsfaktor (Formel 2). Das Trägheitsmoment einer hochlaufenden oder auslaufenden Maschine ändert sich in der Regel nicht (außer bei Verbrennungsmotoren).

M = J + α,
M = Drehmoment,
J = Trägheitsmoment,
α = Drehbeschleunigung

mit

Der Quotient aus Drehmoment und Drehbeschleunigung ist kon stant (=Trägheitsmoment): Dieser Zusammenhang wird bei der Kalibrierung verwendet, indem beim Maschinenhoch- oder -auslauf an zwei unterschiedlichen Punkten sowohl die mit den Offset beaufschlagten drehmomentproportionalen Meßwerte als auch die Drehbeschleunigungswerte gemessen werden. Die Drehbeschleunigungswerte erhält man dabei durch Differen zierung der Drehgeschwindigkeit. Der Offset der Drehmoment meßwerte vor der Kalibrierung wird mit Δt_z0 bezeichnet, die Drehmomentmeßgrößen mit K₁ und K₂:

Es gilt
K₁ = M₁ + Δt_z0
K₂ = M₂ + Δt_z0

aus obigen Formeln folgt

Gemäß dieser Formel kann somit die Offsetverschiebung der beiden Zahnräder beim Maschinenhochlauf- oder -auslauf be stimmt werden, ohne daß vorher das Trägheitsmoment bekannt ist.

Eine weitere, oben schon angegebene Besonderheit des erfin dungsgemäßen Meßverfahrens liegt darin, daß mit Hilfe eines zusätzlichen Sensors und einer entsprechenden zusätzlichen Markierung auf der Welle eine aktuelle Lagebestimmung der Welle durchführbar ist, so daß sich ein Synchronisierungs eingang ergibt. Damit ist es möglich, evtl. Zahntrennungs fehler der beiden Meßgeber für jede Zahnkombination indi viduell zu speichern und zur späteren Korrektur der Messung heranzuziehen. Werden in der Praxis geringere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt, kann auch die Messung mit ei nem mittleren Zahnteilungsfehler durchgeführt werden. Die sich ergebenden Meßergebnisse sind weiter hinten als Fig. 2 dargestellt.

Nach der Erfindung ist in weiterer Gestaltung auch neben der direkten die indirekte Drehmomentenerfassung möglich, die sich dadurch auszeichnet, daß die Werte der beiden Meß wertgeber unabhängig voneinander mit je einem Zähler gemes sen, die Winkelgeschwindigkeitsdifferenzen erfaßt und die Drehmomentenänderung aus der Differenz der unterschiedli chen Winkelgeschwindigkeiten ermittelt wird.

Das Drehmoment wird bei dieser Methode durch Summation der Drehmomentänderungen bestimmt. Die Drehmomentänderungen er geben sich aus der Multiplikation der Winkelgeschwindig keitsdifferenzen mit der Passierzeit des Referenzzahnes, wie in den unten angegebenen Formeln dargestellt. Die Meß anordnung ist mit der direkten Drehmomenterfassung iden tisch. Beim indirekten Meßverfahren werden beide Meßwert geber zunächst unabhängig voneinander mit je einem Zähler ausgemessen. Hierdurch erhält man die momentane Winkelge schwindigkeit des jeweiligen Meßwertgebers. Die Differenz dieser Winkelgeschwindigkeiten ist ein Maß für die momenta ne Veränderung des Drehmomentes. Der Verdrehwinkel kann durch Integration dieser Differenz der momentanen Winkelge schwindigkeiten beider Meßwertgeber bestimmt werden. Wenn die Integration bei einem Drehmoment Null beginnt (anlau fende Maschine), ist der somit bestimmte (aufsummierte) Verdrehwinkel ein Maß für das anliegende absolute Drehmo ment mit statischem und dynamischem Anteil. Beispielhafte Meßergebnisse sind in Fig. 3b dargestellt.

Der Verdrehwinkel ergibt sich

Δϕ = ∫ ϕ · dt

Nach Diskretisierung ganzer Meßschritte ergibt sich:

Bei Berücksichtigung des Flankenabstandes p und einer Zahn breite b ergibt sich für die Zeitdauer t:

Wenn das nicht der Fall ist, d. h. die Messung beginnt bei schon belasteter und sich drehender Welle, kann der fehlen de Grundwert, bzw. die Integrationskonstante, durch eine zusätzliche direkte Messung bestimmt werden. Hierzu müssen die entsprechenden Meßwertgeber und Sensoren installiert werden.

Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die beiden Meßwertgeber unterschiedlich gestaltet sein kön nen. Dies gilt insbesondere für unterschiedliche Zähnezah len bei gleicher Drehzahl der Meßwertgeber oder bei unter schiedlichen Drehzahlen bei gleicher oder nicht speziell dem Übersetzungsverhältnis angepaßten Zähnezahlen (Getrie bewellen).

Zur Vermeidung der Summierung von Einzelfehlern, die bei der Integration periodischer Meßfehler verstärkt werden und damit zu Verfälschungen der Drehmomentermittlung führen können, sieht die Erfindung vor, daß bei belasteter und sich drehender Welle zusätzlich ein Grundwert bzw. eine In tegrationskonstante durch eine direkte Drehmomentenmessung vorgenommen und die ermittelten Werte der indirekten Dreh momentenerfassung zugeführt werden.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß neben der indirek ten Drehmomentenerfassung periodisch eine parallele direkte Messung vorgenommen wird und die Meßergebnisse in der elek tronischen Auswerteinheit zur Berechnung des Drehmomentes herangezogen werden.

Wie oben beim Stand der Technik schon kurz angesprochen, ergibt sich bei der Verwendung induktiver Sensoren das Pro blem, daß die Phasensignale drehzahlabhängig sind. Bei in duktiven Sensoren ist die Amplitude des Signals abhängig von der Zahngeschwindigkeit. Wird ein fester Amplituden- Diskriminator zur Digitalisierung verwendet, erhält man aufgrund der mit zunehmender Drehzahl wachsender Amplitude scheinbar breitere Zähne (Fig. 14). Desweiteren ist das Si gnal abhängig vom Abstand zwischen Meßgeber und Sensor. Auch hier kann es zu Fehlerbeeinflussungen kommen.

Ein weiteres Problem bei der berührungslosen Drehmomenter fassung auf der Basis der Phasenverschiebung zweier Meßge ber besteht in der Unterscheidung zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf. Schließlich verfälschen auch Biegeschwingun gen oder Thermobewegungen der Meßwertgeber die Meßergebnis se.

Um diesen Problemen gerecht zu werden, schlägt die Erfin dung in einer Ausgestaltung vor, daß wenigstens an einer Meßstelle zwei als Doppelsensor ausgebildete Meßwertaufneh mer eingesetzt werden. Doppelsensoren können beispielsweise zur Kompensation von Drehzahlschwankungen oder Drehzahlän derungen herangezogen werden, in der Weise, daß zwei glei che oder ähnliche Sensoren unmittelbar nebeneinander ange ordnet sind.

Durch derartige Doppelsensoren lassen sich auch problemlos, wie weiter unten näher beschrieben, die Drehrichtungen er kennen.

Um Taumelbewegungen erkennen zu können, schlägt die oben schon zitierte US-3 538 762 ein drittes Zahnrad vor, wel ches auf einer mit der Welle fest verbundenen Hülle ange bracht ist. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden die durch das Taumeln hervorgerufenen Phasenfehler zwischen den ersten beiden Zahnrädern relativ zum dritten Zahnrad aufge hoben, der hierbei ausgenutzte Effekt beruht darauf, daß sich die Phasenfehler der beiden Zahnräder relativ zum dritten, fluchtungstechnisch in der Mitte angeordneten Zahnrad gleich groß sind und unterschiedliches Vorzeichen haben. Durch Addition der beiden Signale relativ zum mitt leren Signal wird die gewünschte Korrektur erhalten. Nach teilig ist dabei, daß aufwendige Hülsen und dazugehörige Lagerstellen gefertigt werden müssen, zusätzlich können Biegeschwingungen, falls sich die Welle selbst durchbiegt, nicht korrigiert werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei gegenüberlie genden, um 180° versetzten Sensoren ist es möglich, diese Fehler zu korrigieren.

Die Erfindung sieht auch zur Lösung der eingangs bezeichne ten Aufgabe eine Einrichtung vor, die sich auszeichnet durch wenigstens zwei Zähler, zwei Meßwertgeber, zwei Sen soren sowie wenigstens eine Schalteinrichtung zur Aktivie rung der Zähler als Hochfrequenzzähler von mindestens 200 MHz und mehr, insbesondere bis maximal 1,6 GHz mit je 32 Bit.

Mit der Erfindung ist es möglich, Zahnfrequenzen zu erfas sen, die weit über den bisher beispielsweise mit optischen Sensoren erfaßbaren Möglichkeiten liegen, deren Grenze bei ca. 20 kHz liegt. Herkömmliche magnetische Sensoren vermö gen noch Zahnfrequenzen bis 100 kHz zu verarbeiten. Die vorliegende Erfindung läßt zu, Zahnfrequenzen von wenig stens 10 MHz zu erfassen.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den weiteren, auf die Einrichtung gerichteten Un teransprüchen.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Einrichtung sowohl einen Synchronisationseingang als auch einen Triggereingang be sitzt, kann die Einrichtung im direkten Meßmodus und/oder indirekten Meßmodus betrieben werden.

Mit Hilfe des Synchronisationseinganges kann die aktuelle Lage der Welle bestimmt werden, wodurch, wie oben bereits ausgeführt, Zahnteilungsfehler der beiden Meßgeber für jede Zahnkombination individuell erfaßbar, speicherbar und spä ter korrigierbar sind und daher als Bestimmungsgröße zur Verfügung stehen. Durch den Synchronisationseingang ist es darüber hinaus auch möglich, die Drehmomente bei mehreren Wellen zu erfassen und damit die Lagezuordnung der Meßgeber möglich zu machen. Durch den erwähnten Triggereingang wird es möglich, den Meßvorgang durch externe Ereignisse gezielt zu starten oder zu stoppen, wobei jeder Meßwertgeber in Verbindung mit einem Zähler erfindungsgemäß auch zur reinen Drehzahlmessung heranziehbar ist.

Zur Lösung der eingangs bezeichneten Aufgabe sieht die Er findung auch Sensorvorrichtungen spezieller angepaßter Aus gestaltungen vor.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines magnetischen Sensors wird es möglich, die Magnetveränderungen, hervorge rufen durch die durchlaufenden Zähne des Meßwertgebers zu verlässig zu erfassen und aufzulösen, wobei Frequenzen bis zu 25 MHz erfaßbar sind. Durch die sphärische Aufnahme des Hallsensors ist es darüber hinaus möglich, den Sensor ins gesamt sehr kompakt zu bauen, die geringe Anzahl der Bau komponenten macht ihn zudem in der Herstellung wirtschaft lich und führt zu einem sehr robusten Aufbau.

Neben dem magnetischen Sensor sieht die Erfindung auch ei nen optischen Sensor in alternativer Ausgestaltung vor, der sich dadurch auszeichnet, daß beidseitig eines Durchlauf schlitzes für den Meßwertgeber Spiegel zur Reflexion eines optischen Signales in Winkelstellung angeordnet sind, wobei dem einen Spiegel ein Sender und dem anderen Spiegel ein Empfänger zugeordnet ist.

Bei Vorsehen eines optischen Sensors nach der Erfindung, bei dem ein Fotoemitter in der GaA1As-Technik und eine Si licium-PIN-Fotodiode eingesetzt werden kann, ist es mög lich, Schaltzeiten von 2 ns (500 MHz) zu realisieren. Hier bei kann vorgesehen sein, die Lagerung der Sensoren über Preßelemente stufenlos in einem Gehäuse vorzusehen, um eine sehr genaue axiale Ausrichtung des Sensors relativ zum Meß wertgeber erreichen zu können.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1a Zeitsignale zweier Meßwertgeber bei unbe lasteter Welle,

Fig. 1b Zeitsignale zweier Meßwertgeber bei bela steter Welle,

Fig. 2 Signaldarstellungen bei unterschiedlichen Drehzahlübersetzungen od. dgl.,

Fig. 3 prinzipielle Darstellungen von Meßwerter fassungen über die Zeit mit
Fig. 3a direkter Drehmomentenerfassung,
Fig. 3b indirekter Drehmomentenerfassung,
Fig. 3c einer Kombination von direkter und indi rekter Drehmomentenerfassung,

Fig. 4 prinzipieller Aufbau eines magnetischen Sensors nach der Erfindung mit
Fig. 4a magnetischem Feldlinienverlauf eines Weicheisens mit sphärischer Fläche,
Fig. 4b Feldlinienverlauf bei Jochausbildung sowie in
Fig. 4c Feldlinienverlauf bei in die Feldlinien eingebrachtem Meßgeber,

Fig. 5 ein Prinzipbild im Schnitt eines optischen Sensors in einem Gehäuse,

Fig. 6 prinzipielle Darstellungen eines Hochfre quenztaktgenerators nach der Erfindung,

Fig. 7 die mit der Schaltung gemäß Fig. 6 erziel baren Taktverläufe,

Fig. 8 die Ausmessung von Teilungsfehlern an Zäh nen bzw. Lücken,

Fig. 9 eine Ausführungsform zur Erzeugung eines Trigger-Signales,

Fig. 10 eine andere Ausführungsform zur Erzeugung eines Trigger-Signales,

Fig. 11 eine vereinfachte räumliche Darstellung von Doppelsensoranordnungen,

Fig. 12 die prinzipielle Anordnung von Doppelsen soren zur Erkennung von Vorwärtslauf,

Fig. 13 die prinzipielle Anordnung von Doppelsen soren zur Erkennung von Rückwärtslauf,

Fig. 14 scheinbare Veränderungen der Zahnbreite durch unterschiedliche Drehzahlen,

Fig. 15 und 16 digitale Signale durch Doppelsensoren,

Fig. 17 die Darstellung von Bewegungsrichtungen bei Unwuchten,

Fig. 18 die Darstellung der Abstandsänderungen ei nes Sensors bei Unwuchten,

Fig. 19 die Anordnung von zwei Sensoren zur Kom pensation des Doppler-Effektes,

Fig. 20 eine Doppelsensorschaltlogistik sowie in

Fig. 21 ein Sensorsystem zur Vermeidung von Ampli tuden-Modulationen bei Unwuchten.

In Fig. 1a sind Zeitsignale zweier an unterschiedlichen Stellen einer nicht näher dargestellten Welle angebrachten Meßwertgeber, wobei t_z0 die Zeit angegeben ist, die die Zahnbreite benötigt, um die Meßstelle zu passieren. Durch Anschalten mit der ansteigenden Flanke des ersten Wertge bers und Ausschalten durch die ansteigende Flanke des Zah nes des zweiten Meßgebers ergibt sich eine Zeitdifferenz, die in Fig. 1a mit Δt_z0 angegeben ist. Dieser zeitliche Versatz bildet die Phasenverschiebung zwischen den Signa len. Aus Fig. 1b ergibt sich, daß diese Phasenverschiebung durch Verdrillung der Welle deutlich verringert wird, so daß das Differenzsignal einen Maßstab für das Drehmoment bildet.

Lassen sich direkt diese Meßergebnisse nicht entnehmen, et wa dadurch, daß die Elastizität des zu messenden Systemes dazu führt, daß einem Zahn des ersten Meßwertgebers nicht mehr exakt ein anderer Zahn des zweiten Meßgebers zuordbar ist, etwa wenn die Verdrillung ein Mehrfaches der Zahntei lung bei besonders elastischen Systemen darstellt, ist eine Umrechnung der Meßwerte nötig. Die Berücksichtigung der un terschiedlichen Übersetzung der Drehzahlen u. dgl. ist in Fig. 2 vereinfacht wiedergegeben, wobei dort auch die Mit telwertbestimmung unterschiedlicher Zähnezahlen angegeben ist.

In Fig. 3 sind lediglich qualitative Beispiele von Meßer gebnissen wiedergegeben, wobei jeweils die sich ergebenden Kurvenzüge bei der Messung mit bereits laufender Welle oder bei der Messung mit anlaufender Welle dargestellt sind.

Aus Fig. 3c wird deutlich, daß hier eine Meßfehlerkompensa tion stattfindet, wobei die Korrektur automatisch gesehen der Bestimmung der Integrationskonstante für einen bestimm ten Integrationsbereich entspricht. Die maximale Anzahl der direkten Drehmomentbestimmung zur Fehlerkorrektur ist bei dieser Anordnung vom Übersetzungsverhältnis und der genauen Konfiguration der Meßwertgeber abhängig. So kann z. B. bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 zu 2 und jeweils einem Meßwertgeber auf den Wellenenden mit je einer Markierung auf dem Wellenumfang einmal pro Umdrehung, bezogen auf die langsamste Welle, das Drehmoment gemessen werden. Wird statt dessen auf der langsamsten Welle ein Meßwertgeber mit zwei um 180° versetzten Markierungen angebracht, kann das Drehmoment zweimal pro Umdrehung direkt gemessen werden.

In Fig. 4 ist der prinzipielle Aufbau eines magnetischen Sensors dargestellt.

Fig. 4a zeigt den Magnetfeldlinienverlauf, mit 41 bezeich net, aus einem Weicheisenelement 42 mit sphärisch gekrümm ter Ausgangsoberfläche 42a im ungestörten Zustand.

In Fig. 4b ist dargestellt, wie sich die Feldlinien ändern, wenn das Element 42 zur Beeinflussung des Feldlinienverlau fes geändert wird, und zwar über eine Permanentmagneten brücke 43, die zwischen einem im Kopfbereich geänderten Element 42a einerseits und einem Jochnebenelement 44 ande rerseits liegt.

Fig. 4c zeigt die Konfiguration nach der Erfindung, wobei die Feldlinien 41c zusätzlich abgelenkt werden, beispiels weise durch einen Zahn 45 eines allgemein mit 46 bezeich neten Geberelementes. In der sphärisch gekrümmten Ausneh mung 42c ist hier ein Hallsensorelement 47 angeordnet.

Die dargestellte Konfiguration ist in der Lage, extrem schnell zu reagieren.

In Fig. 5 ist ein optischer Sensor dargestellt, allgemein mit 50 bezeichnet, mit einer Sensorhülse 51, die in einer entsprechenden Ausnehmung ein Gehäuseelement 52 durchsetzt. Sie weist einen Sender 53 und einen Empfänger 54 auf, wobei die vom Sender 53 ausgesendeten optischen Strahlen über Spiegel 55a und 55b dem Empfänger 54 zugeleitet werden, wobei zwischen den Spiegeln 55a und 55b ein Schlitz 56 für einen nicht näher dargestellten Meßgeber vorgesehen ist.

Die Sensorhülse 51 kann im Gehäuse 52 über eine Spannver schraubung befestigt sein, wobei in Fig. 5 linke Figuren hälfte und rechte Figurenhälfte unterschiedliche Varianten einer solchen Verspannung dargestellt sind.

In der linken Figurenhälfte ist ein über eine Spannschraube verpreßbarer Gummiblock 57 dargestellt (mehrere Blöcke 57 können am Umfang verteilt sein), während in der rechten Fi gurenhälfte ein umlaufender Gummiring 58 dargestellt ist, der über einen wiederum umlaufenden Gewindeverspannring 59 verpreßbar ist.

Die Meßerfassungs- und Auswerteinheit nach der Erfindung benötigt je nach Meßverfahren und der gewünschten Meßge nauigkeit zwei Zähler, zwei Meßgeber und zwei Sensoren, bei der direkten Drehmomenterfassung und bei der indirekten Drehmomenterfassung, wobei es zur kombinierten direkten/ indirekten Meßerfassung vorteilhaft ist, drei Zähler, zwei Meßwertgeber und zwei Sensoren vorzusehen. Entscheidend ist, daß die Zähler sehr hohe Frequenzen zu verarbeiten in der Lage sind, zwischen 200 MHz bis maximal 1,6 GHz, wobei ein solcher Zähler schaltungsmäßig in Fig. 6 wiedergegeben ist.

Der dargestellte Hochfrequenzzähler und der Taktgenerator sind in der sogenannten ECL-Technik (Emitter-Coupled-Logic) aufgebaut, wobei die in Fig. 6 dargestellte Schaltung wie folgt arbeitet:

Aus einem ECL-Quarz der Frequenz Fx wird über ein Oder-Gat ter (OR) 1 die Frequenz Fx und über ein invertierendes Oder-Gatter (NOR) 2 die Frequenz erzeugt, Fig. 7. Diese Frequenzen steuern jeweils ein D-Flipflop mit Reset-Eingang an, vgl. hierzu Fig. 6. Hierdurch werden die Signale Fx1 und Fx2 erzeugt, Fig. 7. Die Ausgänge dieser beiden Flip flops werden über ein Oder-Gatter 3 miteinander verknüpft und einerseits zum Rücksetzen der Ausgangsflipflops verwen det und andererseits als Signalquelle für die kaskadierten Verzögerungsleitungen benutzt.

Damit keine unerwünschten Reflexionen auftreten, werden sowohl die Rücksetzleitung als auch die Verzögerungsleitun gen mit einem dem Wellenwiderstand der Leitung entsprechen den Abschlußwiderstand versehen. Am Ausgang des Oder-Gat ters 3 liegt die Frequenz 2Fx an. Durch die Verzögerungs leitungen werden die Signalverläufe 2Fx1 bis 2Fx4 erzeugt, Fig. 7. Diese Signale werden mit Hilfe eines Oder-Gatters 4 zusammengeführt, wodurch der Signalverlauf 8Fx mit der achtfachen Ausgangsfrequenz erhalten wird. Durch Program mierung von P8 und P9 kann ausgewählt werden, ob das Signal 8Fx ungeteilt zum Ausgang (Fx_Prog) weitergegeben wird (P8=1, P9=0), oder ob das Signal zu einem programmierbaren Zähler geführt wird (P8=0, P9=1). Mit Hilfe dieses Zählers läßt sich das Teilungsverhältnis, mit dem der Takt runter gesetzt werden soll, einstellen.

Die Bauteilstreuung wird dadurch berücksichtigt, daß sowohl die verwendeten Gatter einerseits als auch die Flipflops andererseits jeweils in einem Chip integriert sind, so daß diese Bauelemente die gleichen Verzögerungszeiten haben.

Bezugnehmend auf die Fig. 8 bis 10 sei die weiter oben schon angesprochene Funktionsweise des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens beschrieben. Die Korrektur erfolgt in drei Schritten:

In Schritt eins werden von beiden Gebern mit Hilfe eines Inverters sowohl die Passierzeit der einzelnen Zähne als auch die Passierzeit der dazugehörigen Lücken gemäß Fig. 8 bei konstanter mittlerer Drehzahl der Welle getrennt aufge zeichnet. Mit dieser Information wird dann das tatsächliche mittlere Tastverhältnis zwischen "Zahn" und "Lücke" be stimmt. Diese Bestimmung ist erforderlich, weil bei magne tischen oder optischen Reflexionssensoren beim Montieren der Abstand des Sensors zum Meßwertgeber nur mit einem ho hen Montageaufwand in einem engen Toleranzfeld gehalten werden kann. Nun ist aber die Amplitude des analogen Aus gangs, d. h. vor der Digitalisierungsstufe, von diesem Ab stand abhängig. Da die Digitalisierung, sofern es keine differentiellen Sensoren betrifft, mit einem Diskriminator konstanter Amplitude erfolgt, ergeben sich je nach einge bautem Zustand Abweichungen vom mittleren geometrischen Tastverhältnis. Auch die endliche Steilheit der Sensorflan ken tragen zum Tastverhältnisfehler bei. Die geometrischen Fehler der Zähne und der Lücken sind abhängig voneinander, und zwar so, daß wenn ein Zahn länger wird, die dazugehöri ge Lücke kürzer geworden sein muß. Die Fehler in der Zahn teilung der Zähne und der Lücken sind also gegenphasig.

Bei Drehzahländerungen verändern sich die Passierzeiten der Zähne und Lücken in gleicher Richtung, d. h. wenn die Welle schneller dreht, werden sowohl die Passierzeiten der Lücken als auch die der Zähne kürzer. Anders gesagt: Die Schwan kungen in den Passierzeiten der Zähne und der Lücken auf grund von Drehzahländerungen haben gleiches Vorzeichen. Weil die Welle mit konstanter mittlerer Drehzahl dreht, kann angenommen werden, daß die Drehzahlschwankungen lang sam sind im Vergleich zu der aktuellen Passierzeit der Zäh ne und der Lücken. Deshalb kann die aktuelle Geschwindigkeit eines Zahnes und die dazugehörige Lücke gleichgesetzt wer den. Bei bekannter mittlerer Dauer der Zähne und der Lücken bei der mittleren Drehzahl kann die Größe der Passierzeit schwankung, welche durch die Drehzahlschwankung hervorgeru fen wurde, für sowohl die Zähne als auch die Lücken be stimmt werden.

Die Korrektur des Zahnfehlers wird nun derart durchgeführt, daß die Abweichung der Drehzahl eines nicht korrigierten Zahnes von der aktuellen Drehzahl, welche sowohl aus dem Verlauf der Passierzeiten der Zähne als auch aus dem Ver lauf der Passierzeiten der Lücken und deren Kombination mittels eines Algorithmus geschätzt wird, bestimmt wird. Als Schätzalgorithmus können verschiedene Verfahren verwen det werden. Diese Art der Korrektur wird für jeden Geber separat durchgeführt und ist nur abhängig von Drehzahl schwankungen und nicht von Drehmomentschwankungen. Dieser Teil der Korrektur beinhaltet die Schritte eins und zwei. Diese beiden Schritte können entweder nacheinander oder bei einer genügenden Anzahl von separaten Zeitzählern (vier Stück) parallel durchgeführt werden. Nach erfolgter Korrek tur werden die Ergebnisse gespeichert, wonach sie zur Kor rektur der Phasenlagen zwischen den jeweiligen Zähnen der beiden Meßwertgeber und bei der Drehzahlmessung während der tatsächlichen Messung herangezogen werden können. Diese Korrektur wird für jede Sensor/Meßgeber-Paarung separat durchgeführt. Voraussetzung ist jedoch, daß sich die Lage des Trigger-Signals nicht nach dieser Korrektur verändert, was jedoch in der Regel gegeben ist.

Der dritte Schritt der oben erwähnten Korrektur bezieht sich auf die Korrektur der Phasenlage zwischen den jeweili gen Zähnen beider Meßwertgeber. Bei dieser Messung werden im Anschluß an die Schritte eins und zwei die Phase zwi schen den beiden Meßwertgebern, die aktuellen Passierzeiten der Zähne beider Meßwertgeber und das Trigger-Signal zur Zahnidentifikation erfaßt. Bei dieser Messung wird ein kon stantes mittleres Drehmoment vorausgesetzt. Mit Hilfe die ser Anordnung kann die Phase zwischen beiden Zahnrädern auf zwei voneinander unabhängigen Wegen ermittelt werden. Ei nerseits kann die Phase aus dem Versatz der beiden Zahnräder ermittelt werden, andererseits ist es möglich, den Wechsel anteil der Phase durch Integration der Drehgeschwindig keitsunterschiede beider Zahnräder zu bestimmen. Bei der Korrektur werden die Unterschiede in den Wechselanteilen beider Messungen als die gesuchten Phasenfehler interpre tiert. Zur genauen Bestimmung der Drehgeschwindigkeitsun terschiede ist die Korrektur der Zahnräder gemäß den Schritten eins und zwei erforderlich. Weil bei der Messung ein konstantes mittleres Drehmoment vorausgesetzt wurde, kann der Phasenfehler der Zahnräder durch Substraktion des Wechselanteils von der aktuell gemessenen Phase bestimmt werden. Auch diese Korrekturwerte werden für die spätere Messung abgespeichert.

Die Fig. 9 und 10 zeigen mögliche Ausführungsformen des Trigger-Signales.

In Fig. 9 wird mit Hilfe einer zusätzlichen Markierung auf der Welle ein einzelner Zahn ausgezeichnet, welcher dabei keine zusätzliche Störung erfährt.

In Fig. 10 ist eine zweite Ausführungsform beschrieben, in der das Trigger-Signal in den Meßwertgeber 1 integriert wurde, in dem ein Zahn eine definierte, von den anderen Zähnen deutlich abweichende kleinere oder größere Länge aufweist.

In Fig. 11 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete Welle 60 angedeutet, auf der sich ein erstes Geberzahnrad 61 und ein zweites Geberzahnrad 62 im Abstand zueinander befinden mit Zähnen 63a bzw. 63b und Lücken 64a und 64b. Zwischen den beiden Geberrädern 61 und 62, bei denen es sich um bei spielsweise in einem Getriebe ohnehin vorhandene Zahnräder handeln kann, ist ein drittes Geberrad 65 mit einem zusätz lichen Meßwertgeber 66 angeordnet, wobei es sich hierbei auch um die Welle selbst handeln kann mit einer entspre chenden Markierung. Durch die spezielle Position des zu sätzlichen Meßgebers 66 relativ zu einem jeweiligen Zahn 63 oder einer Lücke 64 auf den Geberrädern 61 und 62 kann eine exakte Eichung bzw. Fehlerkompensation vorgenommen werden. Zusätzlich ist in Fig. 11 dargestellt, daß den jeweiligen Meßwertgebern 61, 62 und 65 Meßwertaufnehmer bzw. Sensoren, in Fig. 11 allgemein mit 67 bezeichnet, zugeordnet sind. Dabei ist dargestellt, daß ein Meßwertaufnehmer als Doppel sensor 67a ausgebildet sein kann oder mit um 180° versetz tem, gegenüberliegenden Sensor 67b einen Doppelsensor bil den kann. Auch die Sensoren 67c oder 67d können als Doppel sensoren ausgebildet sein, was nicht näher dargestellt ist.

In Fig. 12 und 13 ist in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig. 21 dargestellt, wie mittels zweier benachbarter Senso ren die Möglichkeit gegeben ist, die Vorwärts- (Fig. 12) und Rückwärtsbewegung (Fig. 13) zu erkennen und zu erfas sen.

Die Schaltung gemäß Fig. 20 verwendet analoge Signale bei der Sensoren und führt diese zu einem Amplituden-Diskrimi nator zur Erkennung des Vor- und Rückwärtslaufes. Nach er folgter Digitalisierung werden beide Signale zum Einschal ten des Flipflops einem XOR-Gatter zugeführt und zum Aus schalten des Flipflops zu einem AND-Gatter. Am Anfang des Flipflops kann dann das gewünschte digitale Signal abge griffen werden, wobei vorgesehen sein kann, daß beide Si gnale direkt zu einem einzelnen Amplituden-Diskriminator geführt werden. Dabei liegt das gewünschte Signal direkt am Ausgang des Diskriminators an. Mit dieser Anordnung erhält man ein induktives Sensorsystem mit digitalem Ausgang, des sen Ausgangssignal unabhängig von der Zahngeschwindigkeit und dem Abstand zwischen Sensor und Meßgeber ist.

Damit ist, um dies zu wiederholen, der große Vorteil ver bunden, daß ein geometrischer Zahnteilungsfehler keinen Einfluß mehr auf die Genauigkeit der Messung hat, da das Ein- und Ausschalten des jeweiligen Zählvorganges durch die selbe Zahnflanke verursacht wird. Zur Bestimmung der ak tuellen Drehzahl mit Hilfe dieser Sensorik kann nicht mehr die Zahnperiode, d. h. die Länge der Zähne und der Lücke, wie das beim Stand der Technik der Fall ist, gemessen wer den, sondern hier wird die Länge des Einschaltimpulses des Sensorsystemes gemessen.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß der Effekt zur Vermeidung von Zahnteilungsfehlern bei der Drehzahlerfassung mit Hilfe des Phasenunterschiedes zweier direkt nebeneinander pla zierten Sensoren 67a auch bei anderen Sensoren, wie z. B. Hall-Sensoren oder optischen Sensoren, die weiter oben schon beschrieben wurden, eingesetzt werden kann.

In einer Schaltung gemäß Fig. 20 ohne XOR- und AND-Gatter mit direkter Aufschaltung des Sensors 1 auf C ist unmittel bar eine Laufrichtungserkennung möglich. Das Doppelsensor system 61a wird dabei vorzugsweise an einem Meßwertgeber ausgerichtet. Wenn der Zahn in Vorwärtsrichtung am ersten Sensor vorbeiläuft, schaltet dieser Sensor einen Flipflop ein und beim Vorbeilaufen des zweiten Sensors wird dieser Flipflop wieder ausgeschaltet. In Rückwärtsrichtung jedoch wird der Zahn zuerst am zweiten Sensor vorübergeführt. Hierdurch wird der Flipflop in der Seitenschaltung bereits zurückgesetzt bevor es vom Sensor 1 gesetzt wird.

Mit Hilfe von gespeicherten Korrekturtabellen für Vorwärts- und Rückwärtslauf kann somit bei Richtungsumkehr sofort zu den der Richtung entsprechenden Korrekturwerten gesprungen werden. Das auf diese Weise erhaltene Signal wird als digi tales Signal zur Laufrichtungserkennung verwendet. Sobald sich dieser digitale Eingang ändert, wird der Rechner zu der korrespondierenden Korrekturtabelle gewechselt, so daß auch bei Drehrichtungsumkehrung keine Signalverfälschungen durch nicht mit der Drehrichtung korrespondierenden Korrek turfaktoren auftreten.

In den Fig. 17 bis 19 sind Bewegungen dargestellt, die sich bei Biegeschwingungen und Taumelbewegungen ergeben, derart, daß die Relativbewegungen der Welle zu den Sensoren zu Meß ungenauigkeiten führt. So können nach der Erfindung Biege schwingungen auch z. B. durch nachträglich angebrachte Meß geber und Sensoren kompensiert werden. So ist es z. B. mög lich, herkömmliche magnetische Sensoren einzusetzen, wobei es dann durch Veränderung des Luftspaltes zu einer Amplitu den-Modulation entsprechender Signale kommt. Zusätzlich wird durch die durch die Unwuchten hervorgerufenen zusätz lichen Relativbewegungen der Meßgeber zu den Sensoren, wie in Fig. 19 dargestellt, nach Einsetzen nur eines Sensors eine Phasen-Modulation verursacht, werden aber zwei um 180° versetzte Sensoren eingesetzt und kommt es bei analogen Si gnalen zur Addition dieser Signale, heben sich bei Summie rung die Phasenfehler auf.

Zur Kompensation einer magnetischen Amplituden-Modulation mit der erfindungsgemäßen Sensorik gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

Einmal ist es möglich, die Zähne der Zahnräder mit herkömm lichen Sensoren zu messen, wobei zusätzlich zur Vermessung der Zähne die Amplitude des Zahnradhubes an der Stelle des Sensors absolut oder differenziell mit Hilfe eines zusätz lichen (in den Figuren nicht näher dargestellten) Stützsen sors bzw. im Zahngrund gemessen wird. Unter Zuhilfenahme eines Dividierers und des vom diesbezüglichen Sensor gelie ferten Signales kann die Amplituden-Modulation korrigiert werden. Zur Korrektur der Phasen-Modulation wird auf beiden Seiten ein um 180° versetzter Sensor gemäß Fig. 19 bzw. Fig. 11 eingesetzt.

Eine andere Vorgehensweise sieht vor, daß eine Einrichtung gemäß Fig. 21 zur Kompensation herangezogen wird. Dabei be findet sich ein Teil eines weichmagnetischen Joches, welches in der Mitte mit einem Permanentmagneten versehen ist auf der einen Seite des Zahnrades und das Sensorelement eingebettet in ein weiteres Joch auf der anderen Seite des Zahnrades. Das Meßprinzip beruht darauf, daß der Magnetkreis des sich auf der einen Seite des Zahnes befindlichen Joches mit Permanentmagnet durch diesen Zahn kurzgeschlossen wird. Hierdurch wird das Sensorelement magnetisch abgeschirmt. Diese Abschirmung ist nahezu unabhängig von der Position des Zahnrades im Luftspalt. Wenn kein Zahn vorhanden ist, wird ein Teil des Magnetfeldes durch das Joch, in dem der Sensor enthalten ist, erfaßt. Zur Reduzierung des magnetischen Streuflusses wird das Sensorelement parallel zu der im Luftspalt vorherrschenden Magnetisierung angebracht, so daß nur der Fluß durch das weichmagnetische Joch vom Sen sorelement erfaßt wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, die Vorzü ge der hier vorgeschlagenen Sensorarten zur Unterdrückung von Zahnteilungsfehlern bei der Drehzahlerfassung und zur Biegeschwingungskompensation zu kombinieren, in dem die um 180° versetzten Sensoren gemäß der obigen Ausführungsform jeweils verdoppelt werden. Zur phasenrichtigen Addition der Sensorsignale werden diese kreuzweise zusammengefaßt und der bereits in Fig. 20 dargestellten Logik des Doppelsensors zu geführt.

Als Anhang A sind nachfolgend Aussagen zur Grundlage der Drehmomentenerfassung wiedergegeben und als Anhang B Ausfüh rungen zu Drehmomenten-Schwingungen.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können insbesondere die Dop pelsensoren in ihrer Einsatzweise miteinander kombiniert werden, je nach gewünschter Genauigkeit der zu erzielenden Ergebnisse. Die Unterdrückung eines Zahnteilungsfehlers kann mit der Kompensation von Drehzahländerungen kombiniert wer den, mit der Erkennung der Drehrichtungsumkehr, mit Hub- und Biegeschwingung-Erkennung auf magnetische Weise und/oder durch eine Einrichtung gemäß Fig. 21 u. dgl.

Anhang A: Grundlagen der Drehmomenterfassung

Wellenart: Vollwelle
Wellenmaterial: Stahl St-52,
E-Modul = 2.1 10⁵ [N/mm²], G-Modul = 8.0 10⁴ [N/mm²],
τ_schw

= 190 N/mm², Querkontraktionszahl ν = 0.3125 [2]
Länge der Welle: 1
Durchmesser: d
Torsionsmoment:

M_t = τ_t · W_p (1)

mit

W_p = polare Widerstandsmoment

t_t = tangentiale Schubspannung

Für den Verdrehwinkel ϕ der Welle gilt:

für die Positionsänderung Δu auf dem Umfang der Welle gilt:

aus (1) bis (3) ergibt sich:

setzt man die maximale Schubspannung

ein, so ergibt sich ein Wert von:

Δu_max = 2.4 · 10^-3 · l

Aus Formel (3) geht hervor, daß die Positionsänderungen an der Oberfläche einer Welle infolge eines Drehmomentes unabhängig vom Wellendurchmesser sind. Der Abstand der Meßstellen geht linear in der Positionsänderung ein. Dieser Zusammenhang gilt auch für Hohlwellen [1].

Gemessen wird aber nicht die Positionsänderung Δu der Welle, sondern die Positionsänderung Δζ des Zahnrades.

Es gilt:

Anhang B: Drehmomentschwingungen

Nach dem Shannonschen Theorem der digitalen Signalverarbeitung, sind bei der digitalen Drehmomentmessung maximal Frequenzen erfaßbar bis

(entsprechend der halben Impulszahl pro Sekunde). Zum Beispiel sind bei 3000 min^-1 und eine Anzahl von 100 Zähnen auf dem Umfang maximal Frequenzen bis 2,5 kHz erfaßbar (100 Zähne _* 50 s^-1/2). Wegen des Erhebungsprinzips können keine Anti-Aliasingfilter eingesetzt werden, so daß im Falle nicht zu vernachlässigender Drehschwingungen mit höherer Frequenz diese prinzipiell aufgrund des nicht zu vermeidenden Aliasing zu Fehlern im oberen darstellbaren Frequenzbereich führen. Dieser Meßfehler ist daran zu erkennen, daß der Frequenzanteil des Drehmomentes bei der Umlauffrequenz (Zähnezahl/2 _* Umdr./s) nicht verschwindet. In einem solchen Fall, muß die Zähnezahl erhöht werden. So können bei einer Zähnezahl von 200 und einer Drehzahl von 3000 min^-1 Frequenzen bis 5 kHz erfaßt werden.

Claims

1. Verfahren zur Drehmomentenerfassung an Wellen unter Einsatz von auf der zu messenden Welle an axial unterschiedlichen Positionen rotierenden Meßgebern mit gleichmäßig am Umfang verteilten Zähnen, Rippen, Streifen od. dgl. und mit den Meßgebern zugeordneten Meßwertaufnehmern, wobei von einer elektronischen Auswerteinheit die von den Meßgebern ausge lösten und von den Meßwertaufnehmern registrierten Daten zur Bestimmung des Drehmomentes ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsignal jedes Meßwertgebers die Breite eines Zah nes, einer Rippe oder eines Streifens oder die Breite einer entsprechenden Lücke herangezogen wird und daß zur Eichung und/oder zur Kompensation von Teilungsfehlern der als Meß geber herangezogenen Elemente auf der Welle ein zusätzli cher Meßwertgeber eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Einsatz von Zahnrädern als Meßwertgeber mit je einem vom Meßwertaufnehmer gesteuerten Zähler, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Momentangeschwindigkeit ein erster Zähler von der ansteigenden Flanke eines Zahnes gestartet und von der abfallenden Flanke des gleichen Zahnes gestoppt wird, wobei die Phasenverschiebung zwischen den beiden Meß wertgebern dadurch bestimmt wird, daß ein zweiter Zähler vom Zahn des ersten Meßwertgebers gestartet und vom korres pondierenden, benachbarten Zahn des zweiten Meßwertgebers gestoppt wird, wobei durch die Zeitsignalunterschiede die Phasenverschiebung ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der beiden Meßwertgeber unabhängig voneinan der mit je einem Zähler gemessen, die Winkelgeschwindig keitsdifferenzen erfaßt und die Drehmomentenänderung aus der Differenz der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei belasteter und sich drehender Welle zusätzlich ein Grundwert bzw. eine Integrationskonstante durch eine direk te Drehmomentenmessung vorgenommen und die ermittelten Wer te der indirekten Drehmomentenerfassung zugeführt werden.

5. Verfahren insbesondere zur indirekten Drehmomentenerfas sung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Fehlersummation neben der indirek ten Drehmomentenerfassung periodisch eine parallele direkte Messung vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einer Meßstelle zwei als Doppelsensor ausgebildete Meßwertaufnehmer eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein induktiver Doppelsensor zur Kompensation bei Dreh zahländerungen und sich daraus ergebender vermeintlicher Zahnlängen- oder Lückenlängenänderungen und damit zusammen hängender Phasenänderungen eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelsensor zur Unterdrückung von Zahnteilungsfeh lern bei der Drehzahlerfassung eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 oder einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelsensor zur Erkennung der Drehrichtung einge setzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelsensor zur Kompensation von durch Biege schwingungen hervorgerufenen Phasenfehlern (Doppler-Effekt) eingesetzt wird, wobei die beiden Meßwertaufnehmer an der Meßstelle um 180° versetzt gegenüberliegend angeordnet sind.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Zähler, zwei Meßwertgeber, zwei Sensoren sowie wenigstens eine Schalteinrichtung zur Aktivierung der Zähler als Hochfrequenzzähler von mindestens 200 MHz und mehr, insbesondere bis maximal 1,6 GHz mit je 32 Bit.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen ECL-Quarz der Frequenz Fx mit nachfolgend parallel beaufschlagtem Oder-Gatter (OR) und ein invertierendes Oder-Gatter (NOR) diesen zugeordneten D-Flipflop mit Reset- Eingang, wobei die Eingänge dieser beiden Flipflops über ein Oder-Gatter miteinander verknüpft sind und durch eine Anzahl von Verzögerungsleitungen am Ausgang dieses Oder- Gatters mit der Frequenz 2 Fx und durch ein weiteres, die Signale der Verzögerungsleitungen zusammenführendes Oder- Gatter mit der Ausgangsfrequenz 8 Fx.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine alternative Aufschaltung des Ausgangssignales am letz ten Oder-Gatter mit achtfacher Ausgangsfrequenz zu einem ungeteilten Ausgang oder zu einem programmierbaren Zähler zur programmierbaren Einstellung des Teilungsverhältnisses, mit dem der Takt des Taktgenerators verstellbar ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Synchronisations- und einen Triggerein gang.

15. Sensorvorrichtung zur Drehmomentenerfassung an Wellen, wo bei jeder Sensorvorrichtung auf der rotierenden Welle ein mit Zähnen versehener Meßwertgeber zugeordnet ist, wobei der Sensor als Hall-/Magnetfeldsensor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallsensor (47) in sphärisch nach innen gekrümmten Aufnahmen (42c) eines magnetischen Joches (42-44) unterge bracht ist.

16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Joch (42-44) von zwei Weicheisenelemen ten (42, 44) mit einer Hartmagnetüberbrückung (43) gebildet ist, wobei ein freies Ende eines Weicheisenelementes (42) die sphärische Aufnahme (42c) für den Hallsensor (47) bil det.

17. Optischer Sensor zum Einsatz im Meßverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schlitz (56) für den Meßwertgeber mit einem optischen Sender (53), einem Empfänger (54) und Umlenkspiegeln (55a, 55b) beidseits zum Schlitz (56).

18. Optischer Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender (53) ein Fotoemitter in GaA1As-Technik und als Empfänger (54) eine Silicium-PIN-Fotodiode vorgesehen sind mit Schaltzeiten von 2 ns (500 MHz).

19. Optischer Sensor nach Anspruch 17 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine axial verstellbare, in einer Gehäusewand (52) fixier ten Hülse (51), wobei in der Gehäusewand (52) eine die Sen sorhülse (51) umgebende Spanneinrichtung (57-59) vorgesehen ist.

20. Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (57-59) von über Spannschrauben verpreßbare, gegen Stützflächen der Gehäusewand einerseits und Flächen der Sensorhülse (51) andererseits preßbare Gum miblöcke (57) od. dgl. gebildet ist.

21. Sensorvorrichtung zum Einsatz in Meßverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Sensorvorrichtung ein auf der rotierenden Welle angeordnetes, mit nach außen weisenden Zähnen versehenes Zahnrad als Meßwertgeber zuge ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Amplituden-Modulationen bei Unwuch ten beidseitig des Zahnrades je ein weichmagnetisches Joch vorgesehen ist mit einem Permanentmagneten in einem Joch und einem Sensorelement im anderen Joch.