WO1992015001A1 - Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren welle erfasste messgrösse - Google Patents

Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren welle erfasste messgrösse Download PDF

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    • G01D5/247—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using time shifts of pulses
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    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1421—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using optical transducers

Definitions

  • the present invention relates to an evaluation device for a measured variable recorded on a rotatable shaft with a rotation angle conversion device for converting the recorded measurement variable into a rotation angle quantity dependent thereon and with a detection device for the rotation angle quantity, a first counter circuit and a sensor device rotatable relative to the rotation angle conversion device detected, which detects the angle of rotation size and which derives the measured variable from this, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention relates to a torque detection device for determining the torque transmitted between an input-side shaft element and an output-side shaft element, with an elastic connecting device between the shaft elements, which permits a relative angular deflection of the shaft elements that is dependent on the transmitted torque , with an angle of rotation forming device connected to the two shaft elements for generating a detectable angle of rotation quantity dependent on the angular deflection of the shaft elements and with a detection and evaluation device for the angle of rotation size, which comprises a first counter circuit and a sensor device rotatable relative to the angle of rotation forming device and which detects the angle of rotation size and derives the torque therefrom, according to the preamble of patent claim 2.
  • the known torque detection device has an elastic connecting device between an input and a shaft element on the output side, which permits a relative angular deflection of the shaft elements that is dependent on the transmitted torque, the angle-of-rotation shaping device being formed by two disks that can be rotated relative to one another, each having a plurality of cutouts, which are formed on a first and second radius region of the Disks are provided.
  • the detection device comprises two light-emitting diodes for the continuous emission of light, which are arranged on one side of the two disks, and two phototransistors, which are arranged on the other side of the two disks.
  • the number of light pulses that are transmitted from the first light-emitting diode through cutouts of the two disks to the first phototransistor during one revolution of the shaft depends on the overlapping position of the respective cutouts of the two disks, the position of the cutouts being determined such that the The number of transmitted light pulses per revolution depends on the angular deflection of the shaft element.
  • the second pair of light-emitting diodes and phototransistors is used to generate reference pulses.
  • the pulse signals generated are fed to a counter which is counted up by the output signals of the first pair of light-emitting diodes and phototransistors and is reset by the output signal of the other pair of light-emitting diodes and transistors.
  • the measuring accuracy or resolution that can be determined with such a torque measuring device is limited by the number and manufacturing accuracy of the large number of window openings in the two panes.
  • This known torque detection device with an acceptable size of the two disks and an acceptable number of windows cannot therefore be used for precise torque measurements.
  • the known evaluation device is likewise not suitable for detecting variables on rotating shafts other than the torque.
  • a measured variable recorded on a rotatable shaft which can be, for example, a temperature, a pressure, a force or any other variable of interest. to be recorded in a simple yet precise manner and to be measured or evaluated by a normally stationary evaluation device.
  • the present invention is based on the object of creating an evaluation device for a measured variable recorded on a rotatable shaft which, despite its simple structure, achieves high resolution with completely digital measuring technology.
  • the present invention is based on the object of creating a torque detection device of the type mentioned at the outset which, despite its simple structure, achieves high resolution with completely digital measurement technology.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a motor vehicle wheel with a tangentially arranged pressure measuring piston for the tire air pressure as a first possible component of an evaluation device according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of the evaluation device according to the invention
  • FIG. 3 shows a bimetal temperature measuring device for a brake drum as a second possible component of the evaluation device according to the invention
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of the evaluation device according to the invention in the form of a torque detection device
  • FIG 5 shows a fourth embodiment of the evaluation device according to the invention in the form of a torque detection device.
  • a first embodiment of the evaluation device according to the invention for a measured variable detected on a rotatable shaft is explained below with reference to FIGS. 1 and 2, and is designated in its entirety by reference number 1.
  • a first essential component of the evaluation device 1 consists of a rotation angle conversion device for converting the measured variable into a rotary angle variable which is dependent on the measured variable.
  • the rotary angle conversion device has the shape of a pressure measuring piston 2, which is essentially tangential to a vehicle wheel 3 * a tire 4 is arranged in a cylindrical sight glass 5.
  • the stroke of the pressure measuring piston 2 is dependent on the tire pressure. Due to the area occupied by the piston or its stroke, a measurement angle ⁇ M is determined on the basis of the tangential orientation of the pressure measuring piston 2, which is primarily proportional to the tire pressure.
  • a reference angle ⁇ R which is determined by the tangential distance of the housing attachment portions 6 of the Druckmeßkolbens 2 in the illustrated example case, in deviation from the embodiment shown by any other Refe ⁇ Renz angular extent be replaced, for which purpose, a single mark on the circumference is contemplated if the reference angle should be 360 degrees.
  • An infrared transmitting element 10 with an associated receiving element 11 are arranged in a rotationally fixed manner with respect to the vehicle wheel 3 such that the measuring angle ⁇ 1 and the reference angle ⁇ R can be detected by the transmitting and receiving element 10, 11.
  • optically or magnetically operating elements can also be used as transmitting and receiving elements 10, 11.
  • infrared light for the application shown in FIG. 1, in which case the transmitting element 10 and the receiving element 11 either in the axial direction on both sides of the pressure measuring piston 2 for angle detection by light interruption or on the same side with respect to the pressure measuring piston 2 for angle detection Light reflection are arranged.
  • the evaluation device comprises a detection device 12 which is connected to the transmitting element 10 and to the receiving element 11 and which comprises a first pulse signal source 13.
  • this pulse signal source 13 is used to control the transmission element 10, so that the transmission element 10 emits a pulse signal in the form of a pulsed infrared light.
  • the detection device 12 comprises a first counter 14, which is connected downstream of the receiving element 11. In this embodiment of the invention, in which a pulse signal is applied to the transmission element 10, the first counter circuit 14 counts the number of pulses received by the reception element 11.
  • the detection device 12 comprises a second counter circuit 15, which counts the pulses emitted by the first pulse signal source 13 during the passage of a reference angle s ⁇ .
  • the reference angle ⁇ R can have a freely selectable size.
  • the reference angle ⁇ R is detected in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 in that the second counter in each case outputs the count value which is present in the second counter circuit 15 during a cycle of the periodic pulse signal detected by the receiving element 11.
  • the counter can be read out and the counter circuit reset, for example, in each case with the first pulse of a pulse sequence of the received pulse signal.
  • the throughput time of the reference angle ⁇ R through the second counter circuit 15 can also be detected by supplying it with counting pulses from a second pulse signal source.
  • the two counter circuits 14, 15 are followed by a quotient formation unit 16 which, from the quotient of the first counter reading of the first counter circuit 14 to the second counter reading of the second counter circuit 15, is the measured variable which corresponds to the air pressure in the exemplary embodiment according to FIG. 1. calculated.
  • the two counts circuits 14, 15 and the quotient formation unit 16 can be implemented by a microprocessor.
  • the quotient formation unit 16 is followed by a display unit 17 on which the measured variable which is the tire air pressure in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is displayed.
  • the inventive concept of the measurement quantity acquisition first requires the implementation of any physical quantity in a rotation angle quantity that can be detected by a sensor, which is formed in the exemplary embodiment shown by the stroke position of the pressure measuring piston 2.
  • This rotation angle quantity is transformed into a first time signal, which in the exemplary embodiment shown is dependent on the rotation speed and the measurement angle ⁇ M.
  • a second time signal represents the time period during which a relative rotation ⁇ ⁇ between the shaft and the sensor device 10, 11 takes place over a reference angle.
  • This second time signal corresponds to the second counter reading.
  • the quotient formation of these two digitally recorded variables gives a value which represents the measured variable.
  • the transmission element 10 is acted upon by the pulse signal generated by the first pulse signal source. It is also conceivable to have the first transmitting element 10 transmit continuously, so that the receiving element 11 continuously emits a "high" signal upon detection of the measuring angle ⁇ M , with which a gate (not shown) opens. and is controlled via which the pulse signal from the first pulse signal source 13 is fed directly to the first counter circuit 14.
  • the application of the principle according to the invention shown in FIG. 1 for evaluating the measured variable detected on a rotatable shaft in the air pressure measurement on a vehicle wheel 3 is, as is obvious to the person skilled in the art, in no way restrictive.
  • the principle according to the invention is suitable for the evaluation of each measurement variable detected on a rotatable shaft, which can be converted into a rotation angle quantity ⁇ jj .
  • FIG. 3 A part of a vehicle brake current 20 is shown schematically here, which is arranged rotatably about the axis of its hub 21.
  • the measured variable of interest here is the temperature of the vehicle brake drum 20, which is converted into an angle of rotation variable by means of a bimetal spring 21.
  • the bimetal spring 21 is shown with a solid line in a first position, which corresponds to a first brake drum temperature, and by means of a dashed line in a second position, which corresponds to a second brake drum temperature. In its second position, the bi-metal spring is designated with the reference symbol 21 '.
  • Visually detectable marks 22, 23 are also attached to the brake drum.
  • a first measuring angle ⁇ M1 corresponding to the first temperature can now be set between the first mark 22 and the bimetal spring 21 in its first position, and a measuring angle ⁇ M2 corresponding to the second temperature can be between the first mark 22 and the bimetallic spring 21 'in their second position and a reference angle ⁇ R between the two marks 22, 23 can be detected.
  • the evaluation device can have the structure shown in FIG. 2.
  • the evaluation device according to the invention for a measured variable detected on a rotatable shaft enables a measurement with a resolution which can be chosen to be practically arbitrarily high depending on the frequency of the first pulse signal source and the counting capacity of the counter circuits used can.
  • the evaluation device according to the invention works without contact and thus completely free of wear.
  • the evaluation device according to the invention works equally well at practically arbitrarily high or low speeds of the rotatable shaft.
  • Torque detection devices according to the invention are explained below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • a torque detection device which is shown in its entirety with the reference number 31, comprises a rotation angle forming device 32, which comprises two disks 33, 34.
  • Each of the panes 33, 34 can have the shape shown in the right-hand illustration according to FIG. 4 and each comprise at least one circular arc window 35, 36.
  • the first disk 33 of the rotational angle conversion device 32 is connected to an input-side shaft element 37, while the second disk 34 is attached to an output-side shaft element 38.
  • the input-side shaft element 37 is a drive element
  • the output-side shaft element 38 forms an output element.
  • the transmission element 10 is an electro-optical transmission element in the form of a light-emitting diode.
  • the receiving element 11 is an optoelectric receiving element in the form of a phototransistor.
  • the transmitting element 10 and the receiving element 11 can also be designed to transmit magnetic or electrical signals.
  • the torque detection device has a detection and evaluation device 12 connected to the transmitting element 10 and to the receiving element 11, as was described with reference to FIG. 2.
  • the quotient formation unit 16 calculates the instantaneous torque, which is transmitted between the shaft elements 37, 38, from the quotient of the first counter reading of the first counter circuit 14 to the second counter reading of the second counter circuit 15.
  • the quotient formation unit 16 is followed by a display unit 17, which displays the torque determined in a first display part 18.
  • the microprocessor 16 comprising the quotient formation unit 16 can thus also determine the speed which is displayed on a second display part of the display unit 17, and by multiplying the speed and the torque calculate the power that is displayed in a third display section.
  • the inventive concept of the torque detection first requires the conversion of the torque into a rotational angle variable which can be detected by a sensor and which, in the embodiment shown ⁇ - example of guidance corresponds to the window area defined by the two circular arc windows 35, 36 on the basis of their relative rotation.
  • This angle of rotation quantity is transformed into a first time signal, which corresponds to the first counter reading in the exemplary embodiment shown.
  • a second time signal represents the time period during which a relative rotation between the shaft and the sensor device 10, 11 takes place over a reference angle. This second time signal corresponds to the second counter reading.
  • the quotient formation of these two digitally recorded variables gives the torque.
  • the sensor device 10, 11 is stationary while the shaft elements 37, 38 are rotating.
  • the torque device according to the invention can, however, also be used for those applications in which the torque applied to a stationary shaft is to be detected.
  • the sensor device 10 is rotated with a drive device in the direction of rotation by a reference angle around the shaft.
  • the drive device is symbolized by a motor 41 for driving a worm 42, with which a toothed ring 43 is moved about the axis of the shaft, on which the sensor device 10, 11 is guided.
  • the first counter reading is formed in the same way as in the exemplary embodiment described with reference to FIG. 4.
  • the formation of the second counter reading which relates to the number of pulses or time during the passage of the reference angle, can take place in this embodiment, for example, by opening a gate between the pulse signal source 13 and the second counter circuit 15 during the period of driving the motor 41 .
  • the term used for the elastic connecting device between two shaft elements comprises the use of inherently elastic shafts, the shaft ends of which form the shaft elements and the main part of which represents the elastic connecting device.
  • the sensor device by separate sensor elements for the first and the second counter circuit.
  • the sensor elements can be provided at spaced locations on the shaft.
  • the torque detection device enables torque detection with a resolution that can be chosen to be practically arbitrarily high depending on the frequency of the first pulse signal source and the counting capacity of the counters used.
  • the torque detection device according to the invention works without contact and does not require any strain gauges or other analog sensors, since the measuring principle according to the invention is completely digital.
  • the torque detection device according to the invention can be used in all motors, drives and gears.
  • the torque detection device according to the invention is extremely simple and yet enables high measuring accuracy.
  • rotatable shaft used in the present application is intended to include all structures which enable the location of the measured variable to be detected to rotate relative to the location of the evaluation device.

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Abstract

Eine Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße umfaßt eine Drehwinkelumformeinrichtung (2-6; 21-23) zur Umformung einer Meßgröße in eine Drehwinkelgröße und eine Erfassungseinrichtung (12) zum Ableiten der Meßgröße von der Drehwinkelgröße. Zur digitalen, hochauflösenden Erfassung der Meßgröße weist die Erfassungseinrichtung eine Pulssignalquelle (13) auf, während eine Sensoreinrichtung (10, 11) derart ausgebildet ist, daß sie die erste Zählschaltung zum Zählen der Pulse von der ersten Pulssignalquelle (13) während einer der Drehwinkelgröße entsprechenden Relativbewegung veranlaßt, und umfaßt eine zweite Zählerschaltung (15) zum Zählen von Referenzpulsen während des Durchlaufes eines Referenzwinkels, wobei die Erfassungseinrichtung (12) die Meßgröße aus dem Quotienten der Zählerstände ableitet.

Description

Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auswertungseinrich¬ tung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße mit einer Drehwinkelumformeinrichtung zur Umformung der erfaßten Meßgröße in eine von dieser abhängige Drehwinkelgröße und mit einer Erfassungseinrichtung für die Drehwinkelgröße, die eine erste Zählerschaltung und eine relativ zu der Drehwinkelumformeinrichtung drehbare Sensoreinrichtung erfaßt, die die Drehwinkelgröße erfaßt und die aus dieser die Meßgröße ableitet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ferner betrifft die Erfindung eine Drehmomenterfassungs¬ einrichtung 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 Drehwinkelumformein¬ richtung zur Erzeugung einer von der Winkelauslenkung der Wellenelemente abhängigen, erfaßbaren Drehwinkelgröße und mit einer Erfassungs- und Auswertungseinrichtung für die Drehwinkelgrδße, die eine erste Zählerschaltung und eine relativ zu der Drehwinkelumformeinrichtung drehbare Sensor¬ einrichtung umfaßt und die die Drehwinkelgröße erfaßt und aus dieser das Drehmoment ableitet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Aus der DE 31 42 603 AI ist eine gattungsgemäße Auswertungs¬ einrichtung bekannt, bei der die an der drehbaren Welle er¬ faßte Meßgröße das auf die Welle einwirkende Drehmoment ist. Die bekannte Drehmomenterfassungseinrichtung hat eine ela¬ stische Verbindungsvorrichtung zwischen einem eingangssei- tigen und einem ausgangsseitigen Wellenelement, die eine von dem übertragenen Drehmoment abhängige relative Winkelauslen- kung der Wellenelemente gestattet, wobei die Drehwinkelum¬ formeinrichtung durch zwei gegeneinander verdrehbare Schei¬ ben mit jeweils einer Vielzahl von Ausschnitten gebildet ist, die an einem ersten und zweiten Radiusbereich der Scheiben vorgesehen sind. Die Erfassungseinrichtung umfaßt zwei Leuchtdioden zur ständigen Abgabe von Licht, die auf einer Seite der beiden Scheiben angeordnet sind, sowie zwei Phototransistoren, die auf der anderen Seite der beiden Scheiben angeordnet sind. Die Anzahl der Lichtpulse, die von der ersten Leuchtdiode durch Ausschnitte der beiden Scheiben zu dem ersten Phototransistor während einer Umdrehung der Welle übertragen werden, hängt von der Überdeckungsstellung der jeweiligen Ausschnitte der beiden Scheiben ab, wobei die Lage der Ausschnitte so bestimmt ist, daß die Anzahl der übertragenen Lichtpulse pro Umdrehung von der Winkelauslen- kung der Wellenelement abhängt. Das zweite Leuchtdioden-Pho¬ totransistor-Paar dient zur Erzeugung von Referenzpulsen. Die erzeugten Pulssignale werden einem Zähler zugeführt, der von den Ausgangssignalen des ersten Leuchtdioden-Phototran¬ sistor-Paares hochgezählt wird und von dem Ausgangssignal des anderen Leuchtdioden-Phototransistor-Paares rückgesetzt wird. Die mit einer derartigen Drehmomentmeßeinrichtung er¬ faßbare Meßgenauigkeit bzw. Auflösung ist durch die Anzahl und Fertigungsgenauigkeit der Vielzahl von Fensteröffnungen in den beiden Scheiben beschränkt. Für genaue Drehmoment¬ messungen ist diese bekannte Drehmomenterfassungseinrichtung bei noch hinnehmbarer Größe der beiden Scheiben und hin¬ nehmbarer .Anzahl der erforderlichen Fenster somit nicht verwendbar. Zur Erfassung anderer Größen auf sich drehenden Wellen als des Drehmomentes ist die bekannte Auswertungs¬ einrichtung gleichfalls nicht geeignet.
Allgemein besteht jedoch in vielen technischen Anwendungs¬ fällen ein Bedarf, eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße, die beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, eine Kraft oder jede andere interessierende Größe sein kann, auf einfache und dennoch genaue Weise zu erfassen und durch eine üblicherweise stillstehende Auswertungseinrichtung zu messen oder auszuwerten.
Nur beispielsweise wird darauf hingewiesen, daß es im Kfz- Bereich wünschenswert wäre, mit niedrigem Aufwand den Luft¬ druck in den Reifen eines Fahrzeuges zu erfassen und dem Fahrer im Armaturenbrettbereich zur Anzeige zu bringen. Bis¬ lang sind derartige Systeme zur Auswertung von auf einer drehbaren Welle erfaßten Meßgröße außerordentlich aufwendig und daher in aller Regel nur für Prototypen geeignet. Typi¬ sche Systeme umfassen auf der drehbaren Welle angeordnete optische oder elektronische Sendesysteme, mit denen Signale über die erfaßte Meßgröße an ein stillstehendes Empfangs¬ system übertragen werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Auswertungseinrich¬ tung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße zu schaffen, die trotz einfacher Struktur eine hohe Auflösung bei vollständig digitaler Meßtechnik erreicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Auswertungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrun¬ de, eine Drehmomenterfassungseinrichtung der eingangs genan¬ nten Art zu schaffen, die trotz einfacher Struktur eine hohe Auflösung bei vollständig digitaler Meßtechnik erreicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomenterfassungseinrich¬ tung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
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 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahr¬ zeugrades mit einem tangential angeordneten Druck¬ meßkolben für den Reifenluftdruck als ein erster möglicher Bestandteil einer erfindungsgemäßen Aus¬ wertungseinrichtung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Auswer¬ tungseinrichtung;
Fig. 3 eine Bimetall-Temperaturmeßvorrichtung für eine Bremstrommel als ein zweiter möglicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Auswertungseinrichtung;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Auswertungseinrichtung in Form einer Drehmomenterfassungseinrichtung; und
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Auswertungseinrichtung in Form einer Drehmomenterfassungseinrichtung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auswertungsein¬ richtung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße erläutert, welche in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Ein erster wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Auswertungseinrichtung 1 besteht in einer Drehwinkelumform¬ einrichtung zur Umformung der erfaßten Meßgröße in eine Drehwinkelgröße, die von der erfaßten Meßgröße abhängig ist. Bei dem Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 1, bei dem es um die Luftdruckmessung bei Kraftfahrzeugreifen geht, hat die Dreh¬ winkelumformeinrichtung die Gestalt eines Druckmeßkolbens 2, der an einem Fahrzeugrad 3 im wesentlichen tangential zu * einem Reifen 4 in einem zylindrischen Schauglas 5 angeordnet ist. Der Hub des Druckmeßkolbens 2 ist abhängig vom Reifen¬ druck. Durch den vom Kolben eingenommenen Bereich bzw. des¬ sen Hub wird aufgrund der tangentialen Ausrichtung des Druckmeßkolbens 2 ein Meßwinkel αM festgelegt, der in erster Linie proportional zum Reifendruck ist.
Ein Referenzwinkel αR, der bei dem gezeigten Beispielsfall durch den Tangentialabstand von Gehäusebefestigungsteilen 6 des Druckmeßkolbens 2 festgelegt ist, kann in Abweichung von dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch jede andere Refe¬ renzwinkelgröße ersetzt sein, wobei hierzu auch eine einzige Marke am Kreisumfang in Betracht kommt, wenn der Referenz- winkel 360 Grad betragen soll.
Ein Infrarot-Sendeelement 10 mit einem zugeordneten Em¬ pfangselement 11 sind derart drehfest gegenüber dem Fahr¬ zeugrad 3 angeordnet, daß durch das Sende- und Empfangsele¬ ment 10, 11 der Meßwinkel α^ und der Referenzwinkel αR de- tektierbar sind.
In Abweichung zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 können als Sende- und Empfangselement 10, 11 auch optisch oder magnetisch arbeitende Elemente verwendet wer¬ den.
Vorzugsweise wird man jedoch für den in Fig. 1 gezeigten An¬ wendungsfall Infrarotlicht einsetzen, wobei hier das Sende¬ element 10 und das Empfangselement 11 entweder in Axialrich¬ tung beidseitig des Druckmeßkolbens 2 zur Winkelerfassung durch Lichtunterbrechung oder gleichseitig bezüglich des Druckmeßkolbens 2 zur Winkelerfassung durch Lichtreflektion angeordnet sind.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt die Auswertungseinrichtung eine an das Sendeelement 10 sowie an das Empfangselement 11 angeschlossene Erfassungseinrichtung 12, die eine erste Pulssignalquelle 13 umfaßt. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung dient diese Pulssignalquelle 13 zur Ansteuerung des Sendeelementes 10, so daß das Sendeelement 10 ein Pulssignal in Form eines ge¬ pulsten Infrarotlichtes abgibt. Ferner umfaßt die Erfas¬ sungseinrichtung 12 einen ersten Zähler 14, der dem Em¬ pfangselement 11 nachgeschaltet ist. Bei dieser Ausgestal¬ tung der Erfindung, bei der das Sendeelement 10 mit einem Pulssignal beaufschlagt wird, zählt also die erste Zähler¬ schaltung 14 die Anzahl der von dem Empfangselement 11 em¬ pfangenen Pulse.
Ferner umfaßt die Erfassungseinrichtung 12 eine zweite Zäh¬ lerschaltung 15, die die während des Durchlaufes eines Refe¬ renzwinkels s^ von der ersten Pulssignalquelle 13 abgegebe¬ nen Pulse zählt. Wie erwähnt, kann der Referenzwinkel αR eine frei wählbare Größe haben. Der Referenzwinkel αR wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 dadurch er¬ faßt, daß der zweite Zähler jeweils den Zählwert abgibt, der bei einem Zyklus des von dem Empfangselement 11 erfaßten pe¬ riodischen Pulssignales in der zweiten Zählerschaltung 15 vorliegt. Das Zählerauslesen und das Rücksetzen der Zähler¬ schaltung kann beispielsweise jeweils mit dem ersten Puls einer Pulssequenz des empfangenen Pulssignales erfolgen.
In Abweichung von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Durchlaufzeit des Referenzwinkels αR durch die zweite Zählerschaltung 15 auch dadurch erfaßt werden, daß diese von einer zweiten Pulssignalquelle mit Zählpulsen versorgt 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 die Me߬ größe, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dem Luftdruck entspricht, errechnet.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß die beiden Zäh- lerschaltungen 14, 15 sowie die Quotientenbildungseinheit 16 durch einen Mikroprozessor implementiert werden können.
Der Quotientenbildungseinheit 16 ist eine Anzeigeeinheit 17 nachgeschaltet, auf der die erfaßte Meßgröße, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Reifenluftdruck ist, zur Anzeige gebracht wird.
Aus der obigen Beschreibung ist es ersichtlich, daß das er¬ findungsgemäße Konzept der Meßgrößenerfassung zunächst die Umsetzung einer beliebigen physikalischen Größe in einem mit einem Sensor erfaßbare Drehwinkelgröße erfordert, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Hubstellung des Druckmeßkolbens 2 gebildet wird. Diese Drehwinkelgröße wird in ein erstes Zeitsignal transformiert, das bei dem gezeig¬ ten Ausführungsbeispiel abhängig von der Drehzahl und dem Meßwinkel αM ist. Ein zweites Zeitsignal stellt die Zeit¬ dauer dar, während der eine Relativdrehung α^ zwischen der Welle und der Sensoreinrichtung 10, 11 über einen Referenz¬ winkel stattfindet. Dieses zweite Zeitsignal entspricht dem zweiten Zählerstand. Die Quotientenbildung dieser beiden di¬ gital erfaßten Größen ergibt einen Wert, der die Meßgröße darstellt.
Für die Bildung des ersten Zählerstandes ist es nicht zwin¬ gend, daß das Sendeelement 10 mit dem von der ersten Puls¬ signalquelle erzeugten Pulssignal beaufschlagt wird. Eben¬ falls ist es denkbar, das erste Sendeelement 10 kontinuier¬ lich senden zu lassen, so daß das Empfangselement 11 bei Er¬ fassung des Meßwinkels αM ein "Hoch"-Signal kontinuierlich abgibt, mit dem ein (nicht dargestelltes) Tor auf- und zu¬ gesteuert wird, über das das Pulssignal von der ersten Puls¬ signalquelle 13 direkt der ersten Zählerschaltung 14 zuge¬ führt wird.
Die in Fig. 1 gezeigte Anwendung des erfindungsgemäßen Prin- zipes zur Auswertung von auf einer drehbaren Welle erfaßten Meßgröße bei der Luftdruckmessung an einem Fahrzeugrad 3 ist, wie es für den Fachmann offenkundig ist, keineswegs be¬ schränkend. Das erfindungsgemäße Prinzip ist für die Auswer¬ tung jeder auf einer drehbaren Welle erfaßten Meßgröße ge¬ eignet, die sich in eine Drehwinkelgröße αjj umformen läßt.
Ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prinzipes, bei dem eine andere Meßgröße auf einer drehbaren Welle erfaßt wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrie¬ ben. Hier ist schematisch ein Teil einer Fahrzeugbremstrom¬ mel 20 gezeigt, die um die Achse ihrer Nabe 21 drehbar an¬ geordnet ist. Die hier interessierende Meßgröße ist die Tem¬ peratur der Fahrzeugbremstrommel 20, die mittels einer Bime¬ tallfeder 21 in eine Drehwinkelgröße umgesetzt wird. Die Bi¬ metallfeder 21 ist mit einer durchgezogenen Linie in einer ersten Lage dargestellt, die einer ersten Bremstrommeltempe¬ ratur entspricht, und mittels einer gestrichelten Linie in einer zweiten Lage dargestellt, die einer zweiten Bremstrom¬ meltemperatur entspricht. In ihrer zweiten Lage ist die Bi¬ metallfeder mit dem Bezugszeichen 21' bezeichnet.
An der Bremstrommel sind ferner optisch erfaßbare Marken 22, 23 angebracht. Mittels eines Sende- und Empfangselementes 10, 11 kann nun ein der ersten Temperatur entsprechender er¬ ster Meßwinkel αM1 zwischen der erstem Marke 22 und der Bi¬ metallfeder 21 in ihrer ersten Lage, ein der zweiten Tempe¬ ratur entsprechender Meßwinkel αM2 zwischen der ersten Marke 22 und der Bimetallfeder 21' in ihrer zweiten Lage sowie ein Referenzwinkel αR zwischen den beiden Marken 22, 23 erfaßt werden.
Die Auswertungseinrichtung kann auch in diesem Fall die in Fig. 2 gezeigte Struktur haben.
Die erfindungsgemäße Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße ermöglicht eine Mes¬ sung mit einer Auflösung, die je nach der Frequenz der Erstpulssignalquelle und der Zählkapazität der verwendeten Zählerschaltungen praktisch beliebig hoch gewählt werden kann. Die erfindungsgemäße Auswertungseinrichtung arbeitet berührungslos und somit vollständig verschleißfrei.
Ferner arbeitet die erfindungsgemäße Auswertungseinrichtung gleichermaßen gut bei praktisch beliebig hohen oder niedri¬ gen Drehzahlen der drehbaren Welle.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 Drehmomenterfassungseinrichtungen nach der Erfindung er¬ läutert.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt eine Drehmomenter¬ fassungseinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 31 dargestellt ist, eine Drehwinkelumformein¬ richtung 32, welche zwei Scheiben 33, 34 umfaßt. Jede der Scheiben 33, 34 kann die in der rechtsseitigen Darstellung gemäß Fig. 4 gezeigte Gestalt haben und jeweils zumindest ein Kreisbogenfenster 35, 36 umfassen. Die erste Scheibe 33 der Drehwinkelumformeinrichtung 32 steht mit einem eingangs- seitigen Wellenelement 37 in Verbindung, während die zweite Scheibe 34 an einem ausgangsseitigen Wellenelement 38 ange¬ bracht ist. Bei einem der möglichen Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung, welcher die Drehmomentmessung bei sich drehenden Wellen betrifft, ist das eingangsseitige Wellenelement 37 ein Antriebselement, während das ausgangs- seitige Wellenelement 38 ein Abtriebselernent bildet.
Zwischen den beiden Wellenelementen 37, 38 liegt eine diese beiden Elemente dreheleastisch verbindende Einrichtung 39, die bei der gezeigten Ausführungsform die Gestalt einer Fe¬ der hat. In Axialrichtung liegen einander im Bereich der Kreisbogenfenster 35, 36 ein Sendeelement 10 und ein Em¬ pfangselement 11 gegenüber. Bei der gezeigten Ausführungs¬ form ist das Sendeelement 10 ein elektrooptisches Sende¬ element in Form einer Leuchtdiode. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das Empfangselement 11 ein optoelektri- sches Empfangselement in Form eines Phototransistors. Diese Elemente dienen als Sensoreinrichtung zur Abgabe eines Sig- - Ab- nales, das anzeigt, ob oder ob nicht zwischen dem Sendeele¬ ment 10 und dem Empfangselement 11 eine Signalübertragung stattfindet. Eine Signalübertragung findet statt, wenn das durch die beiden Kreisbogenfenster 35, 36 gebildete Fenster, dessen Winkellänge 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.
Die Drehmomenterfassungseinrichtung hat eine an das Sende¬ element 10 sowie an das Empfangselement 11 angeschlossene Erfassungs- und Auswertungseinrichtung 12, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.
Die Quotientenbildungseinheit 16 errechnet aus dem Quotien¬ ten des ersten Zählerstandes der ersten Zählerschaltung 14 zu dem zweiten Zählerstand der zweiten Zählerschaltung 15 das momentane Drehmoment, das zwischen den Wellenelementen 37, 38 übertragen wird.
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 der Anzeigeeinheit 17 angezeigt wird, sowie durch Multiplikation der Drehzahl und des Drehmomentes die Leistung errechnen, die in einem dritten Anzeigeteil angezeigt wird.
Aus der obigen Beschreibung i'st es ersichtlich, daß das er¬ findungsgemäße Konzept der Drehmomenterfassung zunächst die Umsetzung des Drehmomentes in eine mit einem Sensor erfa߬ bare Drehwinkelgröße erfordert, die bei dem gezeigten Aus- ΛΛ - führungsbeispiel dem durch die beiden Kreisbogenfenster 35, 36 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.
Bei der unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Ausfüh¬ rungsform ist die Sensoreinrichtung 10, 11 feststehend, während sich die Wellenelemente 37, 38 drehen.
Wie aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 5 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 dieser Ausführungsform gemäß Fig. 5 versinnbildlicht durch einen Motor 41 zum Antreiben einer Schnecke 42, mit der ein Zahn¬ kranz 43 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. 4 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 41 ein Gatter zwischen der Pulssignalquelle 13 und der zweiten Zäh¬ lerschaltung 15 aufgesteuert wird.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der in der -Λ L -
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 realisiern. 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.
Unter den in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Begriff "drehbare Welle" sollen sämtliche Strukturen fallen, die eine Relativdrehung des Ortes der zu erfassenden Meßgröße gegenüber dem Ort der Auswertungseinrichtung ermöglichen.

Claims

- A I -Patentansprüche
1. Auswertungseinrichtung für eine auf einer drehbaren Welle erfaßte Meßgröße,
mit einer Drehwinkelumformeinrichtung (2 - 6; 21 - 23) zur Umformung der erfaßten Meßgröße in eine von dieser abhängige Drehwinkelgröße (αM) , und
mit einer Erfassungseinrichtung (12) für die Dreh¬ winkelgröße, die eine erste Zählerschaltung (14) und eine relativ zu der Drehwinkelumformeinrichtung (2 - 6; 21 - 23) drehbare Sensoreinrichtung (10, 11) um¬ faßt, die die Drehwinkelgröße erfaßt und die aus die¬ ser die Meßgröße ableitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassungseinrichtung eine erste Pulssignal¬ quelle (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 Drehwinkel¬ umformeinrichtung (2 - 6; 21 - 23) die Drehwinkelgröße (αM) erfaßt,
daß die Erfassungseinrichtung eine zweite Zählerschal¬ tung (15) aufweist, die die von der ersten oder einer zweiten Pulssignalquelle (13) während einer Referenz- zeit abgegebenen Pulse zählt, wobei die Referenzzeit diejenige Zeit ist, während der eine Relativdrehung der Sensoreinrichtung (10, 11) zu der Drehwinkelum¬ formeinrichtung (2 - 6; 21 - 23) über einen Referenz¬ winkel (αR) stattfindet, und - M -
daß die Erfassungseinrichtung (12) die Meßgröße aus dem Quotienten des ersten Zählerstandes zu dem zweiten Zählerstand ableitet.
2. Drehmomenterfassungseinrichtung zur Ermittlung des zwischen einem eingangsseitigen Wellenelement (37) und einem ausgangsseitigen Wellenelement (38) übertragenen Drehmomentes,
mit einer elastischen Verbindungsvorrichtung (39) zwi¬ schen den Wellenelementen (37, 38) , die eine von dem übertragenen Drehmoment abhängige relative Winkelaus¬ lenkung der Wellenelemente (37, 38) gestattet,
mit einer mit den beiden Wellenelementen (37, 38) ver¬ bundenen Drehwinkelumformeinrichtung (32) zur Erzeu¬ gung einer von der Winkelauslenkung der Wellenelemente (37, 38) abhängigen erfaßbaren Drehwinkelgröße, und
mit einer Erfassungs- und Auswertungseinrichtung (12) für die Drehwinkelgröße, die eine erste Zählerschal¬ tung (14) und eine relativ zu der Drehwinkelumform¬ einrichtung (32) drehbare Sensoreinrichtung (10, 11) umfaßt, die die Drehwinkelgröße erfaßt und die aus dieser das Drehmoment ableitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung eine erste 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 Drehwinkel¬ umformeinrichtung (32) die Drehwinkelgröße erfaßt, - 45"-
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung eine zweite Zählerschaltung (15) aufweist, die die von der ersten oder einer zweiten Pulssignalquelle (13) wäh¬ rend einer Referenzzeit abgegebenen Pulse zählt, wobei die Referenzzeit diejenige Zeit ist, während der eine Relativdrehung der Sensoreinrichtung (10, 11) zu der Drehwinkelumformeinrichtung (32) über einen Referenz¬ winkel stattfindet, und
daß die Erfassungs- und Auswertungseinrichtung (12) das Drehmoment aus dem Quotienten des ersten Zähler¬ standes zu dem zweiten Zählerstand ableitet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß die erste Pulssignalquelle (13) mit einem Sende¬ element (10) der Sensoreinrichtung (10, 11) verbunden ist,
daß die Sensoreinrichtung (10, 11) ferner ein Em¬ pfangselement (11) umfaßt,
daß die erste Zählerschaltung (14) dem Empfangselement (11) nachgeschaltet ist, und
daß das Sendeelement (10) , das Empfangselement (11) und die Drehwinkelumformeinrichtung (2 - 6; 21 - 23, 32) 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 Drehwinkelumformeinrichtung (2 - 6; 21 - 23; 32) innerhalb der Drehwinkelgröße (αM) liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, - Λ6 -
daß der Sensorsoreinrichtung (10, 11) eine Torschal¬ tung nachgeschaltet ist, die zwischen der ersten Pulssignalquelle (13) und der ersten Zählerschaltung (14) liegt und diese verbindet, wenn die Sensorein¬ richtung (10, 11) die Drehwinkelgröße (αM) erfaßt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehwinkelumformeinrichtung eine Einrichtung (21) zur Umsetzung der Temperatur in einen Winkel auf der Welle umfaßt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturumsetzungseinrichtung eine Bimetall¬ feder (21) aufweist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehwinkelumformeinrichtung eine Einrichtung (2 - 6) zur Umsetzung eines Reifenluftdruckes in einen Winkel auf einem Fahrzeugrad (3) umfaßt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reifenluftdruckumsetzungseinrichtung einen tangential zu dem Reifen (4) , dessen Luftdruck zu mes¬ sen ist, angeordneten Druckmeßkolben (2) umfaßt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehwinkelumformeinrichtung zwei Scheiben (33, 34) umfaßt, von denen je eine mit je einem Wel¬ lenelement (37, 38) verbunden ist und die miteinander ein Fenster (35, 36) festlegen, dessen Winkel die die Winkelauslenkung der Wellenelemente (37, 38) darstel¬ lende Drehwinkelgröße ist.
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