WO2002082031A2 - Einrichtung zum ermitteln des drehmoments an einer rotierbaren metallischen welle - Google Patents

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Werner Dorsch
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/105—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving inductive means

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the torque on a rotatable metallic shaft by means of a stationary sensor, which detects changes in the shaft that are dependent on torsional stress without contact.
  • Such a device is e.g. become known from EP 0208892, in which two nested slotted bushings are anchored to both sides of a torsion section of the shaft. Due to the torsion of the shaft, the bushings are rotated against each other and the slots in the bushings are shifted accordingly. A stationary coil encircling the sockets produces eddy currents in the sockets, the coupling strength of which changes with the displacement of the slots and is evaluated accordingly.
  • Such a device requires considerable structural interventions on the shaft, which are associated with corresponding manufacturing costs, in particular when the two bushings have to be adjusted to a precisely defined angular position relative to one another.
  • the invention has for its object to reduce the design effort.
  • the greatest deformation of the material in the outer skin of the shaft changes the conductivity of the cladding layer.
  • the eddy currents have a low penetration depth, so that they capture the most affected material layer.
  • the coupling strength changes analogously to the electrical conductivity or the impedance of the outer layer of the shaft and can be evaluated by suitable electronics, with which the temperature compensation is also carried out.
  • Mat 'erialde can be detected before rupture.
  • the electrical conductivity in the unloaded state must be measured or the maximum sensor signal values must be monitored and evaluated separately.
  • the sensor can advantageously be mounted at the most heavily loaded point.
  • the sensor can be arranged at a location on the shaft receiving housing where there is sufficient space anyway. But it is also e.g. Casting technology possible without great effort to create a suitable installation space.
  • the wave section required for the detection can be shortened to the effective width of the sensor. The wave need not be changed for this purpose.
  • the arrangement according to claim 2 induces the current vortices substantially perpendicular to the coil axis in the outer layer of the shaft, which increases the sensitivity of the device.
  • the further development according to claim 3 further increases the sensitivity of the device.
  • the layer according to claim 4 can be applied, for example, galvanically or by vapor deposition with little effort, the design of the shaft being hardly changed.
  • the sensitivity of the device is particularly increased by the suitable conductivity of this outer layer.
  • the sensitivity of the material layer can be further increased by the pattern according to claim 5.
  • patterns of different thickness, shape or density can be selected in order to optimize the sensor properties.
  • the marking according to claim 6 is formed as a pulse when the shaft rotates, e.g. can be used for speed measurement without incurring any significant additional effort.
  • a second, asymmetrically arranged marking also makes it possible to recognize the direction of rotation of the shaft.
  • the different sensitivity of several sensor heads used according to claim 7 can be determined by different operating parameters such as by different distances to the shaft or different operating frequencies. This makes it possible to dispense with precise positioning of the sensor heads.
  • the development according to claim 8 summarizes all functional parts of the device in a completely prefabricated and correspondingly easy to install module that also contains the power supply of the device.
  • the temperature sensor according to claim 9 makes it possible to compensate for temperature-related changes in the conductivity of the shaft material.
  • the use of the sensor according to claim 10 enables the detection of essential functional values of an engine, one Transmission, the drive shafts, the wheel axles, and the steering.
  • the figure shown shows a schematic perspective view of a shaft 1, (in particular the drive shaft of a transmission which can be coupled to a crankshaft of an engine in a motor vehicle.
  • a shaft 1 in particular the drive shaft of a transmission which can be coupled to a crankshaft of an engine in a motor vehicle.
  • two diametrically arranged sensor heads 2 are shown at different distances from the shaft 1 form a common eddy current sensor 4.
  • the sensor heads 2 are directed approximately radially towards the outer skin of the shaft 1 with the central axis of their electrical coil 1.
  • a high-frequency alternating electromagnetic field generated by the magnetic coil induces eddy currents in the outer skin of the shaft 1.
  • the shaft 1 is under a torsional stress that is particularly pronounced in the outer skin of the shaft 1.
  • the electrical conductivity of the outer skin changes due to structural shifts, particularly in the outer skin.
  • the coupling strength of the electromagnetic waves changes accordingly, which leads to a change e.g. of the feed current of the electrical coil.
  • An evaluation device not shown, detects these changes and can thus determine the torque applied to the shaft.
  • the shaft is coated with an applied material layer 3, the conductivity of which is lower than that of the shaft. This layer leads to stronger changes in the coupling strength of the electromagnetic sensor waves, which increases the sensitivity of the device.

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Abstract

Ein Sensorkopf (2) eines Wirbelstromsensors (4) ist radial auf eine Welle (1) gerichtet. Die elektrische Leitfähigkeit der Welle (1) verändert sich entsprechend eines an der Welle anliegenden Drehmoments. Diese Änderung führt zu einer Änderung der Einkoppelstärke des Wirbelstromsensors (4), was in einer Auswerteelektronik erfasst wird. Dadurch ist es möglich, das Drehmoment der Welle (1) ohne erhebliche konstruktive Eingriffe an der Welle sicher zu erfassen.

Description

Einrichtung zum Ermitteln des Drehmoments an einer rotierbaren metallischen Welle •
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ermitteln des Drehmoments an einer rotierbaren metallischen Welle mittels eines stationären Sensors, der torsionsspannungsabhängige Veränderungen der Welle kontaktlos erfasst.
Eine derartige Einrichtung ist z.B. durch die EP 0208892 bekannt geworden, bei der zwei sich ineinander gesteckte geschlitzte Buchsen zu beiden Seiten eines Torsionsabschnittes der Welle an dieser verankert sind. Durch die Torsion der Welle werden die Buchsen gegeneinander verdreht und die Schlitze in den Buchsen zueinander entsprechend verschoben. Eine die Buchsen ringförmig umgreifende stationäre Spule erzeugt in den Buchsen Wirbelströme deren Einkoppelstärke sich mit der Verschiebung der Schlitze verändert und entsprechend ausgewertet wird. Eine solche Einrichtung erfordert erhebliche konstruktive Eingriffe an der Welle, die mit entsprechendem Fertigungsaufwand verbunden sind, insbesondere als die beiden Buchsen auf eine zueinander eine genau definierte Winkellage justiert werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufwand zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. An der Welle sind nun keinerlei Änderungen zum Zwecke der Drehmomentmessung erforderlich. Es werden nun unmittelbare physikalische Effekte an der Welle ausgewertet. Bei Torsionsbelastung Ast die Torsionsspannung und damit die
Materialverformung in der Außenhaut der Welle am stärksten. Diese Verformung verändert die Leitfähigkeit der Mantelschicht. Insbesondere bei hohen Sensorfrequenzen haben die Wirbelströme eine geringe Eindringtiefe, so daß sie gerade die am stärksten beeinflusste Materialschicht erfassen. Die Einkoppelstärke verändert sich analog zur elektrischen Leitfähigkeit bzw. zur Impedanz der Mantelschicht der Welle und kann durch eine geeignete Elektronik, mit der auch die Temperaturkompensation durchgeführt wird, ausgewertet werden.
Es ist weiterhin bekannt, daß Fehlstellen im Material die elektrische Leitfähigkeit reduzieren. Daher liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß auch ein
Mat'erialdefekt, wie der durch Überbeanspruchung oder Ermüdung entsteht, rechtzeitig vor dem Bruch erkannt werden kann. Hierzu muss z.B. die elektrische Leitfähigkeit im unbelasteten Zustand gemessen werden oder die maximalen Sensorsignalwerte müssen gesondert überwacht und ausgewertet werden. Der Sensor kann vorteilhafter an der am stärksten belasteten Stelle montiert werden.
Der Sensor kann an einer Stelle des die Welle aufnehmenden Gehäuses angeordnet sein, wo ohnehin hinreichend Platz vorhanden ist. Es ist aber auch z.B. gießtechnisch ohne großen Aufwand möglich, einen passenden Einbauraum zu schaffen. Der für die Detektion benötigte Wellenabschnitt kann auf die Wirkbreite des Sensors verkürzt werden. Die Welle braucht zu diesem Zweck nicht verändert zu werden.
Daher ist es ohne Änderungsaufwand möglich, eine Gerätschaft gegebenenfalls auch ohne Sensor zu liefern, ohne daß dabei ein vorgehaltener Mehraufwand verloren geht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Ansprüchen 2 bis 10 gekennzeichneten Merkmalen.
Durch die Anordnung nach Anspruch 2 werden die Stromwirbel im wesentlichen senkrecht zur Spulenachse in der Außenschicht der Welle induziert, wodurch sich die Sensitivität der Einrichtung erhöht.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 3 wird die Sensitivität der Einrichtung weiter erhöht. Die Schicht nach Anspruch 4 kann z.B. galvanisch oder durch Bedampfen mit geringem Aufwand aufgebracht werden, wobei die Welle konstruktiv kaum verändert wird. Durch die geeignete Leitfähigkeit dieser Außenschicht wird die Sensitivität der Einrichtung besonders erhöht.
Durch das Muster nach Anspruch 5 kann die Sensitivität der Materialschicht weiter erhöht werden. Je nach den Gegebenheiten des Einsatzes können Muster von unterschiedlicher Dicke, Form oder Dichte gewählt werden, um die Sensoreigenschaften zu optimieren.
Die Markierung nach Anspruch 6 bildet sich bei drehender Welle im Sensor als Impuls ab, der z.B. zur Drehzahlmessung genutzt werden kann, ohne daß dafür ein nennenswerter Mehraufwand entsteht. Durch eine zweite, asymmetrisch angeordnete Markierung ist es außerdem möglich, die Drehrichtung der Welle zu erkennen.
Die unterschiedliche Sensitivität mehrerer verwendeten Sensorköpfe nach Anspruch 7 kann durch unterschiedliche Betriebsparameter wie z.B. durch unterschiedliche Abstände zur Welle oder unterschiedliche Betriebsfrequenzen eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, auf eine genaue Positionierung der Sensorköpfe zu verzichten.
Die Weiterbildung nach Anspruch 8 fasst sämtliche Funktionsteile der Einrichtung in einem komplett vorgefertigten und entsprechend leicht einbaufähigen Modul zusammen, daß auch die Stromversorgung der Einrichtung enthält .
Der Temperaturfühler nach Anspruch 9 ermöglicht es, temperaturbedingte Änderungen der Leitfähigkeit des Wellenmaterials zu kompensieren.
Die Verwendung des Sensors nach Anspruch 10 ermöglicht die Erfassung wesentlicher Funktionswerte eines Motors, eines Getriebes, der Antriebswellen, der Radachsen, sowie der Lenkung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Die dargestellte Figur zeigt in einer schematisierten perspektivischen Ansicht eine Welle 1 ,( insbesondere Antriebswelle eines Getriebes, das mit einer Kurbelwelle eines Motors in einem Kraftfahrzeug koppelbar ist. Seitlich der Welle 1 sind zwei diametral angeordnete Sensorköpfe 2 in unterschiedlichem Abstand zur Welle 1 gezeigt, die einen gemeinsamen Wirbelstromsensor 4 bilden. Die Sensorköpfe 2 sind mit der Mittelachse ihrer elektrischen Spule annähernd radial auf die Außenhaut der Welle 1 gerichtet. Ein von der Magnetspule generiertes hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld induziert in der Außenhaut der Welle 1 Wirbelströme .
Die Welle 1 steht entsprechend dem Motordrehmoment unter einer Torsionsspannung, die in der Außenhaut der Welle 1 besonders stark ausgeprägt ist. Die elektrische Leitfähigkeit der Außenhaut verändert sich aufgrund von Gefügeverschiebungen insbesondere in der Außenhaut. Die Einkoppelstärke der elektromagnetischen Wellen verändert sich entsprechend, was zu einer Änderung z.B. der Speisestromstärke der elektrischen Spule führt. Eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung erfasst diese Änderungen und kann so das an der Welle anliegende Drehmoment ermitteln.
Im Sensorbereich ist die Welle mit einer aufgebrachten Materialschicht 3 überzogen, deren Leitfähigkeit geringer ist als die der Welle . Diese Schicht führt zu stärkeren Änderungen der Einkoppelstärke der elektromagnetischen Sensorwellen, wodurch sich die Sensitivität der Einrichtung erhöht .

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum Ermitteln des Drehmoments an einer rotierbaren metallischen Welle (1) mittels eines stationären Wirbelstromsensors (4), der torsionsspannungsabhängige Veränderungen der Welle (1) erfasst, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelstromsensor (4) zumindest einen Sensor öpf (2) mit zumindest einer elektrischen Spule aufweist und daß der Wirbelstromsensor (4) die torsionsabhängigen
Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit bzw. Impedanz der Welle (1) in seinem Wirkbereich erfasst.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse der Spule annähernd radial auf die Welle (1) gerichtet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz de Spule mehr als 50 kHz beträgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) im Bereich der Sensorköpfe (2) mit einer Materialschicht von relativ zum Basismaterial der Welle (2) veränderter Leitfähigkeit bzw. Impedanz überzogen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht in einem engmaschigen geometrischen Muster aufgebracht ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) in ihrem Mantelbereich zumindest eine Markierung in Form einer wirbelstromsensitiven Unstetigkeit aufweist.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Welle (1) zumindest zwei Sensorköpfe (2) von unterschiedlicher Sensitivität gerichtet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorköpfe (2) und eine gemeinsame Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen auf die Welle (1) gerichteten Temperaturfühler aufweist, der mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle als Antriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes, als Antriebswelle, als Lenkelemente oder als Radachse ausgebildet und derart dimensioniert ist, daß die maximalen Torsionsspannungen nahe an der zulässigen Belastungsgrenze liegen.
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