WO2008138369A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer drehmomentbelastung einer antriebswelle - Google Patents

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WO2008138369A1
WO2008138369A1 PCT/EP2007/004185 EP2007004185W WO2008138369A1 WO 2008138369 A1 WO2008138369 A1 WO 2008138369A1 EP 2007004185 W EP2007004185 W EP 2007004185W WO 2008138369 A1 WO2008138369 A1 WO 2008138369A1
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WO
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shaft
section
reference signal
determining
torque
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Application number
PCT/EP2007/004185
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English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Cermak
Joachim PRÖLSS
Michael Zierz
Original Assignee
Gkn Driveline Deutschland Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01L3/109—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving measuring phase difference of two signals or pulse trains

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a torque load of a torque transmitting shaft, in particular a shaft of a drive train of a motor vehicle during operation.
  • Drive shafts of a motor vehicle are drive torques and / or braking moments of ever-increasing interest.
  • a method and a device are to be specified, with which the current torque determination can be made precisely, quickly and during the torque transmission with the shaft, whereby preferably simply constructed measuring arrangements are to be used.
  • a method and a device are to be specified, with which the current torque determination can be made precisely, quickly and during the torque transmission with the shaft, whereby preferably simply constructed measuring arrangements are to be used.
  • from the evaluation and determination of the torque load should be easily implemented.
  • the inventive method for determining a torque load of a torque transmitting shaft comprises at least the following steps:
  • step (a) it should be noted that, in particular, the change in position of one (or more) first reference point of the shaft with respect to a non-shaft, fixed position (eg of the motor vehicle) is detected.
  • the first reference point rotates with the shaft.
  • the rotation speed is determined determined at least a first reference point of the wave in the first section.
  • step (b) it should be noted that the position determination of at least one second reference point remote from the first section is carried out here in a similar or even different manner.
  • a shaft is regularly bounded by two opposite end regions, wherein these end regions preferably each form a first section and a second section.
  • the distance between the first section and the second section is at least 30 centimeters, possibly even at least 50 centimeters.
  • step (a) and step (b) characteristic reference signals of the two sections of the shaft are generated, in particular for the rotational speed.
  • step (c) the two generated reference signals are compared and evaluated.
  • a relative position includes a phase shift, a mid-ply shift, an amplitude offset, a modulation, or the like.
  • the first reference signal and the second reference signal would be the same in a completely torsionally rigid shaft, but the twisting or twisting of the shaft leads to a different expression of the reference signals.
  • this modification may depend on other factors in addition to the material properties and the applied torque of the shaft, they may, if appropriate, be taken into account in the subsequent step of the evaluation.
  • step (d) now includes the evaluation of the fixed motivational position.
  • the evaluation such as the type and extent of the relative position
  • the actually applied torque can be determined.
  • schl ö SEN the shape of the shaft and / or its material
  • the shape of the shaft and / or its material can be taken into account as fixed variables, whereby a relationship between relative position and applied torque is known and stored from calculations and / or tests.
  • the torque of the shaft can now be easily and precisely deduced on the basis of the relative position detected using the method according to the invention.
  • the method is the determination of a torque load of a shaft of a drive train of a motor vehicle during operation.
  • the applied torque of side shafts and / or longitudinal shafts in motor vehicles is determined, which ultimately transmit the torque generated by the engine or the transmission to the wheels of the motor vehicle.
  • the torques transmitted by means of these waves are, for example, in the order of magnitude of-4,000 to + 5,000 Newton meters.
  • the shafts are preferably hollow shafts, e.g. with a wall thickness of 1.5 to 5 millimeters, in particular metallic hollow shafts are meant. With the method proposed here, the actual applied torque can be determined very precisely.
  • the torque can be determined with a very small tolerance, for example in the range of 2 to 7 percent.
  • the torques determined here can be evaluated for individual shafts and / or for a plurality of shafts. This information can be processed further, in particular for at least one of the following purposes: drive power, wheel load or wheel load, determine load limit utilization in order to be able to act on driving dynamics accordingly.
  • a pulse signal corresponding to the rotation of the shaft is generated and detected in step (a) or in step (b).
  • corresponding pulse signals are preferred generated.
  • a pulse signal is constructed such that pulses associated with the rotation of the shaft are generated with pauses, the duration of the pause being shortened with increasing rotational speed of the shaft.
  • Such a pulse signal can for example be generated so that over the circumference of the shaft at least one (preferably a plurality of) reference point is provided which generates a pulse in a very specific position. The same reference point thus generates one pulse per revolution of the shaft. The sum of these pulses over time thus gives the pulse signal.
  • a history signal is generated.
  • corresponding course signals are generated in both steps.
  • a propagation signal is understood to be a signal that simplifies the pulse signal and that is preferably linear.
  • the course signal can be illustrated, for example, by extreme values of the pulses, their center position, etc.
  • Such progress signals may be formed as a straight line with a slope, as a sine signal, as a rectangular signal or in any other way. Such progress signals are particularly easy to evaluate with respect to their relative position to each other.
  • a first progress signal is generated in step (a) and a second progress signal is generated in step (b), and step (c) comprises the evaluation of a phase offset between the first progress signal and the second progress signal.
  • step (a) and step (b) a pulse signal is generated in the manner of a course signal, these progress signals now being evaluated with regard to their relative position (in this case, the phase offset).
  • the progress signal has a periodic repetition of extrema, wherein the extrema of the first progression signal and the extrema of the second graduation signal do not overlap (permanently or completely). Rather, the phase offset (the distance of the extrema of the first course of signal, for example towards the adjacent extrema of the second Verlaufssig ⁇ Nals) varies depending on the torque load.
  • a calibration process is carried out, wherein during a known load state of the shaft at least the relative position or the torque load is compared with a known parameter.
  • the calibration process serves, in particular, to identify and eliminate tolerances or play in the drive train of the motor vehicle. Then, precisely the actual phase offset or the relative position of the two reference signals can be determined in a particular degree ; and therefore also very precisely the torque.
  • the inventive method can be adapted, in particular, within the scope of step (d).
  • a device which comprises at least one shaft for a drive train of a motor vehicle, wherein the shaft has an axis and a first section and a second section spaced from the first section in the direction of the axis, and wherein in each case an integral encoder is provided in the first section and in the second section, which can be connected to an evaluation unit.
  • the shaft has an axis and a first section and a second section spaced from the first section in the direction of the axis, and wherein in each case an integral encoder is provided in the first section and in the second section, which can be connected to an evaluation unit.
  • the device referred to here as an "incremental encoder” in particular represents a sensor for detecting changes in position (linear or rotary) which may possibly detect the path (and also the direction thereof) of the reference point
  • Such incremental encoders have, for example, a repetitive, periodic counting track
  • rotary electrodes acting on the photoelectric, inductive and / or magnetic principle are preferred.
  • the scanning plate or the sensor comprises, for example, magnet field-sensitive resistors which are connected in a similar manner to a multi-field optical scanning.
  • the number of pulses, the pulse frequency and / or the phase angle can be evaluated to represent the path, the speed and / or the direction of the reference points.
  • the signals generated by means of the incremental encoder are then fed (preferably via an electrically contacted conductor) to an evaluation unit, for example a controller of the motor vehicle.
  • an evaluation unit for example a controller of the motor vehicle.
  • the signals of both incremental encoders can then be evaluated, in particular with regard to their relative position, so that ultimately also a determination of the torque load can be carried out with the aid of the evaluation unit.
  • the shaft is designed at least in the first section or in the second section with a joint and the incremental encoders cooperate with a component of the joint.
  • Preference is given to the configuration of a shaft which is designed in both sections with a joint, for example with a constant velocity fixed joint.
  • the incremental encoder can now interact on the outside with the components of the joint.
  • the counting track may be positioned on the outside of the joint or inside the joint. Consequently, for example, a ring, a perforated ring, a profile ring or the like may be applied externally on the joint, but it is also possible to form the counting track, for example with an inner needle ring or comparable object. Due to the rotation of the shaft and thus also of the components of the joint, this counting track can be scanned or interrogated with a corresponding sensor.
  • At least one inductive incremental encoder is provided.
  • the invention is particularly preferably used in a motor vehicle, this having at least one of the devices described herein according to the invention, which is operable with a method described herein according to the invention.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments of the invention, but this is not limited thereto. They show schematically: 1 shows a first embodiment of a shaft in the manner of a side shaft with incremental encoders,
  • FIG. 2 shows a further embodiment variant of the device according to the invention with a shaft in the manner of a longitudinal shaft of a motor vehicle
  • FIG. 3 shows a first diagram with reference signals illustrating a first situation
  • FIG. 4 is a second diagram illustrating a second situation of the reference signals
  • Fig. 5 is a third diagram illustrating a third situation of the reference signals.
  • Fig. 6 a motor vehicle with a device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a shaft 1 in the manner of a constant velocity joint drive shaft of a motor vehicle 9.
  • the shaft 1 has an axis 5, wherein in the end regions of the shaft 1, a first portion 3 and a second portion 6 is formed.
  • a joint 13 is provided in each case, which allows bending of the shaft 1 with respect to the connecting elements 15 of the joints 13.
  • the joints 13 are each carried out with a bellows 14 which is fixed externally on the joint 13 and extends as far as the shaft 1 or axis 5.
  • the connecting element 15 is provided, which serves on the left for connection of the joint 13 to a wheel 18 and on the right for connection to a gear 19.
  • Both joints 13 are designed with a device for speed detection by means of a pulse count.
  • a device for speed detection by means of a pulse count for this purpose, on the outside of the joint 13, for example, a
  • the first reference points 2 and second reference points. 4 forms.
  • the measured pulses represent a time sequence of the change in position of the reference points, which serve as the basis for determining the speed. Since this is, for example, a constant velocity universal joint shaft, both joints 13 have the same rotational speed at all times, so that a constant ratio of the determined reference signals or pulses is given.
  • the reference points forming 24 count tracks are equally formed (for example, the same number of counters or the same number of holes) occur at a certain speed the same number of pulses in a certain time interval.
  • the temporal position of the pulses in particular depends on the angular position of the counting tracks 24 relative to the sensors 23 of the incremental encoders 11 and relative to one another.
  • the phase shift of the first reference signal and the second reference signal is constant as long as nothing changes in the relative position of the system components.
  • the shaft 1 Under load, the shaft 1 but twisted depending on the applied torque. This twisting or twisting also results in a rotation of the counting tracks 24 relative to one another, which can be seen in particular by a changed relative position, in particular a phase shift, of the reference signals. From this relative position then the currently applied torque of the shaft 1 is calculated.
  • Fig. 2 shows in another type of shaft 1 also in the end regions joints 13, in which case the sensor or transducer 17 is provided outside of the joint 13.
  • a ring 16 is provided with a plurality of recesses, which again represents a counting track for the incremental encoder. The thus identified reference signals are supplied to the higher-level evaluation unit 12.
  • FIGS. 3 to 5 show different characteristics of the reference signals during the operation of the shaft, for example during the driving operation of a shaft
  • the diagram shows over the time 21 the course of the first Re- Assuming that the diagram in Fig. 3 represents a state, such as exists in a motor vehicle, when it rolls in the position "Drive" of the automatic transmission and slightly actuated ⁇ brake or rolls.
  • the torque applied to the drive shaft is very well known, so that for this condition the relative position 4 can be matched with a specific reference torque stored in the evaluation unit, for example, so that the entire measuring system is calibrated.
  • Fig. 6 is intended to illustrate the installation of such a device in a motor vehicle 9.
  • the motor vehicle 9 has a motor 20 which is regularly connected via a transmission 19 with a plurality of shafts 1, which ultimately transmit the generated torque to the Räderl 8.
  • the shafts regularly have joints 13 which allow the drive train to bend.
  • a device 1 according to the invention is provided, for example, with respect to both side shafts near the engine 20.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Drehmomentbelastung einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges umfassend zumindest die folgenden Schritte: (a) Lagebestimmung zumindest eines ersten Referenzpunktes (2) in einem ersten Abschnitt (3) der Welle (1) und generieren eines ersten Referenzsignals (22); (b) Lagebestimmung zumindest eines zweiten Referenzpunktes (4) in einem, vom ersten Abschnitt (3) in Richtung einer Achse (5) der Welle (1) beabstandeten, zweiten Abschnitt (6) der Welle (1) und generieren eines zweiten Referenzsignals (23); (c) Bewerten der R.e!ativlage (7) des zumindest einen ersten Referenzsignals (22) zum zumindest einen zweiten Referenzsignal (23); (d) Bestimmung der Drehmomentbelastung mittels der Relativlage (7).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer
Antriebswelle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer ein Drehmoment übertragenden Welle, insbesondere einer Welle eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges im Betrieb.
In zunehmendem Maße besteht das Bedürfnis, das Fahrverhalten moderner Kraft- fahrzeuge zu beeinflussen, zu steuern oder sogar zu regeln. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, über eine Vielzahl von Anforderungen und Belastungen einzelner
Komponenten des Kraftfahrzeuges Kenntnis zu haben und diese Informationen schnell und sicher zu verarbeiten. Gerade im Hinblick bei der Überwachung von
Antriebswellen eines Kraftfahrzeuges sind Antriebsmomente und/oder Brems- momente von immer größer werdendem Interesse.
Bislang konnte jedoch noch kein Verfahren realisiert werden, mit dem effizient, sicher und online (während des Betriebes) die aktuelle Drehmomentbelastung bei Antriebswellen in Kraftfahrzeugen bestimmt werden konnte. Für eine Abschät- zung des Drehmomentes wurden ggf. Bewertungen vorgenommen, die indirekt über bestimmte Fahrverhaltenssituationen generiert werden konnten. Damit ist jedoch nur eine relativ ungenaue Abschätzung der aktuellen Drehmomentbelastung möglich.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit dem präzise, schnell und während der Drehmomentübertragung mit der Welle die aktuelle Drehmomentbestimmung vorgenommen werden kann, wobei bevorzugt einfach aufgebaute Messanordnungen zum Einsatz gelangen sollen. Darüber hin- aus soll die Auswertung und Bestimmung der Drehmomentbelastung einfach umgesetzt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können, und weitere Ausgestal- tungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, gibt Hinweise auf weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer ein Drehmoment übertragenden Welle umfasst zumindest die folgenden Schritte:
(a) Lagebestimmung zumindest eines ersten Referenzpunktes in einem ersten Abschnitt der Welle und generieren eines ersten Referenzsignals;
(b) Lagebestimmung zumindest eines zweiten Referenzpunktes in einem, vom ersten Abschnitt in Richtung einer Achse der Welle beabstandeten, zweiten
Abschnitt der Welle und generieren eines zweiten Referenzsignals;
(c) Bewerten der Relativlage des zumindest eines ersten Referenzsignals zum zumindest einen zweiten Referenzsignals;
(d) Bestimmung der Drehmomentbelastung mittels der Relativlage.
Bezüglich Schritt (a) sei angemerkt, dass insbesondere die Lageänderung eines (oder mehrerer) ersten Referenzpunktes der Welle bezüglich einer nicht zur Welle gehörenden, feststehenden Position (z.B. des Kraftfahrzeuges) erfasst wird. Damit ist insbesondere gemeint, dass der erste Referenzpunkt mit der Welle rotiert. Mit- tels der Lagebestimmung wird insoweit insbesondere die Rotationsgeschwindig- keit mindestens eines ersten Referenzpunktes der Welle im ersten Abschnitt bestimmt.
Im Hinblick auf Schritt (b) sei angemerkt, dass hier in ähnlicher bzw. sogar glei- eher Weise die Lagebestimmung mindestens eines zweiten Referenzpunktes entfernt vom ersten Abschnitt durchgeführt wird. Im Hinblick auf die Anordnung der beiden Abschnitte zueinander sei angemerkt, dass eine Welle regelmäßig von zwei gegenüberliegenden Endbereichen begrenzt ist, wobei diese Endbereiche bevorzugt jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt bilden. Be- vorzugt beträgt der Abstand zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt mindestens 30 Zentimeter, ggf. sogar mindestens 50 Zentimeter.
Insoweit werden mit Schritt (a) und Schritt (b) insbesondere für die Drehzahl charakteristische Referenzsignale der beiden Abschnitte der Welle generiert.
In Schritt (c) werden nun die beiden generierten Referenzsignale miteinander verglichen und bewertet. Von besonderem Interesse ist dabei die Relativlage beider Signale zueinander. Eine Relativlage umfasst insbesondere eine Phasenverschiebung, eine Mittellagenverschiebung, einen Amplitudenversatz, eine Modulation oder Ahnliches. Dabei wird insbesondere von der Anschauung ausgegangen, dass das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal bei einer vollkommen torsionssteifen Welle gleich wären, die Verwindung bzw. Tordierung der Welle jedoch zu einer unterschiedlichen Ausprägung der Referenzsignale führt. Diese Modifikation kann neben den Materialeigenschaften und dem anliegenden Dreh- moment der Welle zwar noch von weiteren Faktoren abhängig sein, diese können jedoch gegebenenfalls in dem nachfolgenden Schritt der Bewertung berücksichtigt werden.
Demnach umfasst nunmehr der Schritt (d) die Bewertung der festegestellten ReIa- tivlage. Zu diesem Zweck kann nach der Bewertung, wie der Art und des Um- fangs der Relativlage, auf das tatsächlich aktuell anliegende Drehmoment ge- schlössen werden. Zu diesem Zweck können insbesondere die Gestalt der Welle und/oder deren Material als feste Größen berücksichtigt werden, wobei aus Berechnungen und/oder Versuchen eine Beziehung zwischen Relativlage und anliegendem Drehmoment bekannt und hinterlegt ist. Auf Basis der vorliegenden (ab- gespeicherten) Informationen kann nun anhand der mit dem erfϊndungsgemäßen Verfahren detektierten Relativlage einfach und präzise auf das Drehmoment der Welle geschlossen werden.
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Verfahren um die Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer Welle eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges im Betrieb. Damit wird insbesondere das anliegende Drehmoment von Seitenwellen und/oder Längswellen bei Kraftfahrzeugen ermittelt, die das vom Motor bzw. dem Getriebe generierte Drehmoment letztendlich auf die Räder des Kraftfahrzeuges übertragen. Die mittels dieser Wellen übertragenen Drehmomen- te liegen beispielsweise in einer Größenordnung von - 4.000 bis + 5.000 Newtonmeter. Bei den Wellen handelt es sich bevorzugt um Hohlwellen, z.B. mit einer Wandstärke von 1,5 bis 5 Millimeter, wobei insbesondere metallische Hohlwellen gemeint sind. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren, lässt sich das tatsächlich anliegende Drehmoment besonders präzise ermitteln. Insbesondere unter Berücksichtigung auch der nachfolgend angeführten besonders bevorzugten Ausführungsvarianten ist das Drehmoment mit einer sehr kleinen Toleranz feststellbar, beispielsweise im Bereich von 2 bis 7 Prozent. Die hier ermittelten Drehmomente können für einzelne Wellen und/oder für eine Mehrzahl von Wellen bewertet werden. Diese Informationen können weiter verarbeitet werden, insbesondere zu wenigstens einem der folgenden Zwecke: Antriebsleistung, Radbelastung bzw. Radbeanspruchung, Grenzlastausnutzung bestimmen, um auf Fahrdynamik entsprechend einwirken zu können.
Einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zufolge wird in Schritt (a) oder in Schritt (b) ein der Rotation der Welle entsprechendes Impulssignal generiert und erfasst. Bevorzugt werden in beiden Schritten entsprechende Impulssignale generiert. Ein Impulssignal ist insbesondere so aufgebaut, dass mit der Rotation der Welle einhergehende Impulse mit Pausen generiert werden, wobei die Zeitdauer der Pause mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit der Welle verkürzt wird. Ein solches Impulssignal kann beispielsweise so generiert werden, dass über den Umfang der Welle mindestens ein (bevorzugt eine Mehrzahl von) Referenzpunkt vorgesehen ist, der in einer ganz bestimmten Lage einen Impuls erzeugt. Der gleiche Referenzpunkt erzeugt somit pro einer Umdrehung der Welle jeweils einen Impuls. Die Summe dieser Impulse über die Zeit ergibt somit das Impulssignal.
Gerade in diesem Zusammenhang wird als vorteilhaft erachtet, dass wenigstens in Schritt (a) oder in Schritt (b) für die Lage der Referenzpunkte ein Verlaufssignal erzeugt wird. Bevorzugt werden in beiden Schritten entsprechende Verlaufsignale generiert. Unter einem Verlaufssignal wird insbesondere ein das Impulssignal vereinfachendes, bevorzugt linienformiges, Signal verstanden. Das Verlaufssignal kann beispielsweise durch Extremwerte der Impulse, deren Mittellage, etc. veranschaulicht werden. Solche Verlaufssignale können als Gerade mit einer Steigung, als Sinus-Signal, als Rechteck-Signal oder in sonstiger Weise ausgebildet sein. Solche Verlaufssignale lassen sich besonders einfach bezüglich ihrer Relativlage zueinander bewerten.
Darüber hinaus wird hier auch vorgeschlagen, dass in Schritt (a) ein erstes Verlaufssignal und in Schritt (b) ein zweites Verlaufssignal erzeugt wird und Schritt (c) die Bewertung eines Phasenversatzes zwischen dem ersten Verlaufsignal und dem zweiten Verlaufsignal umfasst. Zu diesem Zweck ist ganz besonders bevorzugt, dass zunächst in Schritt (a) und in Schritt (b) ein Impulssignal nach Art eines Verlaufsignals erzeugt wird, wobei diese Verlaufssignale nun bzgl. ihrer Relativlage (hier konkret der Phasenversatz) bewertet werden. Dabei wird insbesondere davon ausgegangen, dass das Verlaufssignal eine periodische Wiederholung von Extrema aufweist, wobei sich die Extrema des ersten Verlaufssignals und die Ex- trema des zweiten Verlaufssignals nicht (permanent bzw. vollständig) überlagern. Vielmehr variiert der Phasenversatz (beispielsweise der Abstand der Extrema des ersten Verlaufssignals hin zum benachbarten Extrema des zweiten Verlaufssig¬ nals) in Abhängigkeit der Drehmomentbelastung.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird auch vorgeschlagen, dass ein Kalibrierprozess durchgeführt wird, wobei während eines bekannten Lastzustandes der Welle wenigstens die Relativlage oder die Drehmomentbelastung mit einem bekannten Parameter verglichen wird. Der Kalibierprozess dient insbesondere dazu, Toleranzen bzw. Spiele im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges zu identi- fizieren und eliminieren. Dann kann im besonderen Maße genau der tatsächliche Phasεnversatz bzw. die Relativlage der beiden Referenzsignale ermittelt werden; und somit auch sehr exakt das Drehmoment. Deshalb kann beispielsweise bei bekannten Lastzuständen (im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug bei Vollgas, ggf. unter Berücksichtigung bzw. Vermeidung eines Schlupfs der Räder, bei Standsituatio- nen im Drive-Modus (bei Automatik-Fahrzeugen, etc), wenn also das anliegende Drehmoment bekannt ist, die mit dem vorliegenden Verfahren bestimmte Drehmomentbelastung verglichen werden. Sollte keine ausreichende Übereinstimmung der ermittelten Drehmomentbelastung einerseits und der bekannten, ggf. gespeicherten, Drehmomentbelastung vorliegen, kann das erfmdungsgemäße Verfahren insbesondere im Rahmen des Schrittes (d) angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zumindest eine Welle für einen Antriebesstrang eines Kraftfahrzeuges umfasst, wobei die Welle eine Achse sowie einen ersten Ab- schnitt und einen vom ersten Abschnitt in Richtung der Achse beabstandeten zweiten Abschnitt hat, und wobei im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt jeweils ein Integralgeber vorgesehen ist, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind. Soweit die hier vorliegenden Begriffe und Sachzusammenhänge mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren bereits erörtert wurden, wird auf die Erläute- rang dort zurück gegriffen. Hier wird nun insbesondere dargestellt, auf welche Weise die Lagebestimmung der Referenzpunkte bzw. die Generierung eines Im- pulssignals bzw. Verlaufssignals vorgenommen werden kann. Insoweit ist diese Vorrichtung insbesondere dazu geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Das hier als „Inkrementalgeber" bezeichnete Gerät stellt insbesondere einen Sensor zur Erfassung von Lageänderungen (linear oder rotierend) dar, das ggf. die Wegstrecke (und auch deren Richtung) des Referenzpunktes erfassen kann. Solche Inkrementalgeber weisen beispielsweise eine sich wiederholende, periodische Zählspur auf. Es wird somit eine zählende Messung durchgeführt. Bevorzugt sind rotierende, nach dem fotoelektrischen, induktiven und/oder magnetischen Prinzip arbeitenden, Inkrernεntalgcber. Bezüglich Inkrernentalgebern, die eine fotoεlektri- sche Abtastung umfassen, unterscheidet man zwischen einem abbildenden Messprinzip, das für Teilungsperioden bis unter 20 μm (Mikrometer) geeignet ist, und dem interferentiellen Messprinzip, das Teilungsperioden bis herab zu 4 μm er- möglicht. Im Hinblick auf das induktive Prinzip ist anzumerken, dass Masseänderungen in einem angelegten Feld detektiert werden. Bei inkrementellen Messsystemen mit magnetischer Abtastung besteht die Zählspurverkörperung aus einem hartmagnetischem Träger, in dem eine entsprechende magnetische Teilung eingeprägt wurde. Die Abtastplatte bzw. der Sensor umfasst dabei beispielsweise mag- netfeldempfϊndliche Widerstände, die ähnlich einer optischen Mehrfeldabtastung verschaltet sind.
Als Ergebnis eines solchen Messvorgangs mit einen Inkrementalgeber können beispielsweise die Impulsanzahl, die Impulsfrequenz und/oder deren Phasenlage ausgewertet werden, um den Weg, die Geschwindigkeit und/oder die Richtung der Referenzpunkte darzustellen. Die mittels des Inkrementalgebers erzeugten Signale werden dann (bevorzugt über einen elektrisch kontaktierten Leiter) einer Auswerteeinheit zugeführt, beispielsweise einer Steuerung des Kraftfahrzeuges. In dieser Auswerteeinheit können die Signale beider Inkrementalgeber anschließend bewer- tet werden, insbesondere hinsichtlich deren Relativlage, so dass schließlich auch eine Bestimmung der Drehmomentbelastung unter Zuhilfenahme der Auswerteeinheit erfolgen kann.
Nach einer Weiterbildung der Vorrichtung ist die Welle wenigstens in dem ersten Abschnitt oder in dem zweiten Abschnitt mit einem Gelenk ausgeführt und die Inkrementalgeber wirken mit einer Komponente des Gelenks zusammen. Bevorzugt ist dabei die Ausgestaltung einer Welle, die in beiden Abschnitten mit einem Gelenk ausgeführt ist, beispielsweise mit einem Gleichlauffestgelenk. Der Inkrementalgeber kann nun außen mit den Komponenten des Gelenks zusammenwir- ken. Zu diesem Zweck kann die Zählspur außen auf dem Gelenk oder im Inneren des Gelenks positioniert sein. Folglich kann beispielsweise ein Ring, ein Lochkranz, ein Profilring oder dergleichen außen auf dem Gelenk aufgebracht sein, es ist jedoch auch möglich, beispielsweise mit einem innen liegenden Nadelkranz oder vergleichbaren Objekt die Zählspur zu bilden. Durch die Rotation der Welle und damit auch der Komponenten des Gelenkes kann diese Zählspur mit einem entsprechenden Sensor abgetastet bzw. abgefragt werden.
In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt, dass wenigstens ein induktiver Inkrementalgeber vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt findet die Erfindung Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wobei dieses zumindest eine der hier erfindungsgemäß beschriebenen Vorrichtungen aufweist, welches mit einem hier erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren betreibbar ist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch: Fig. 1: eine erste Ausführungsvariante einer Welle nach Art einer Seitenwelle mit Inkrementalgebern,
Fig. 2: eine weitere Ausfuhrungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Welle nach Art einer Längswelle eines Kraftfahrzeuges,
Fig. 3: ein erstes Diagramm mit Referenzsignalen veranschaulichend eine erste Situation,
Fig. 4: ein zweites Diagramm veranschaulichend eine zweite Situation der Referenzsignale,
Fig. 5: ein drittes Diagramm veranschaulichend eine dritte Situation der Referenzsignale, und
Fig. 6: ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Welle 1 nach Art einer Gleichlaufgelenk-Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs 9. Die Welle 1 weist eine Achse 5 auf, wobei in den Endbereichen der Welle 1 ein erster Abschnitt 3 und ein zweiter Abschnitt 6 gebildet ist. Im Bereich des ersten Abschnitts 3 und des zweiten Abschnitts 6 ist jeweils ein Gelenk 13 vorgesehen, das ein Abbeugen der Welle 1 gegenüber den Verbindungselementen 15 der Gelenke 13 ermöglicht. Die Gelenke 13 sind dabei jeweils mit einem Balg 14 ausgeführt, der außen am Gelenk 13 fixiert ist und sich bis hin zur Welle 1 bzw. Achse 5 erstreckt. Gegenüberliegend zu dem Balg 14 ist jeweils das Verbindungselement 15 vorgesehen, welches links zur Anbindung des Gelenks 13 an ein Rad 18 und rechts zur Anbindung an ein Getriebe 19 dient.
Beide Gelenke 13 sind mit einer Vorrichtung zur Drehzahlermittlung mittels einer Impulszählung ausgeführt. Dazu ist außen auf dem Gelenk 13 beispielsweise eine
Struktur eingebracht, die erste Referenzpunkte 2 bzw. zweite Referenzpunkte 4 bildet. Mit den jeweils angebrachten Inkrementalgebern 11 beziehungsweise deren Sensoren 25 kann nunmehr die Masseveränderung bei der Rotation der Gelenke 13 ermittelt werden. Die gemessenen Impulse stellen dabei einen zeitlichen Ablauf der Lageänderung der Referenzpunkte dar, die als Basis zur Ermittlung der Drehzahl dienen. Da es sich hier beispielsweise um eine Gleichlaufgelenkwelle handelt, haben beide Gelenke 13 jederzeit dieselbe Drehzahl, so dass ein konstantes Verhältnis der ermittelten Referenzsignale bzw. Impulse gegeben ist. Sind nunmehr die die Referenzpunkte bildenden Zählspuren 24 gleichermaßen ausgebildet (beispielsweise gleiche Zähleranzahl bzw. gleiche Lochanzahl), treten bei einer bestimmten Drehzahl gleichviel Impulse in einem bestimmten Zeitintervall auf. Dabei hängt die zeitliche Lage der Impulse insbesondere von der Winkellage der Zählspuren 24 relativ zu den Sensoren 23 der Inkrementalgeber 11 und relativ zueinander ab. Die Phasenverschiebung des ersten Referenzsignals und des zweiten Referenzsignals ist solange konstant, solange sich an der relativen Lage der Systembauteile nichts ändert. Unter Last verdrillt sich die Welle 1 jedoch in Abhängigkeit vom anliegenden Drehmoment. Aus dieser Verdrillung bzw. Tordie- rung resultiert auch eine Verdrehung der Zählspuren 24 zueinander, was sich insbesondere durch eine veränderte Relativlage, insbesondere eine Phasenverschiebung, der Referenzsignale entnehmen lässt. Aus dieser Relativlage wird sodann das aktuell anliegende Drehmoment der Welle 1 berechnet.
Fig. 2 zeigt bei einer anderen Art der Welle 1 ebenfalls in den Endbereichen Gelenke 13, wobei hier der Sensor bzw. Aufnehmer 17 außerhalb des Gelenks 13 vorgesehen ist. Auf dem Gelenk 13 ist ein Ring 16 mit mehreren Aussparungen vorgesehen, der erneut eine Zählspur für den Inkrementalgeber darstellt. Die so identifizierten Referenzsignale werden der übergeordneten Auswertereinheit 12 zugeführt.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausprägungen der Referenzsignale wäh- rend des Betriebes der Welle, beispielsweise während des Fahrbetriebes eines
Kraftfahrzeuges. Das Diagramm zeigt über die Zeit 21 den Verlauf des ersten Re- ferenzsignals 22 und des zweiten Referenzsignals 23. Unterstellt, das Diagramm in Fig. 3 stellt einen Zustand dar, wie er beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug vorliegt, wenn es in der Position „Drive" des Automatikgetriebes und leicht betä¬ tigter Bremse rollt bzw. ausrollt. Während dieses Lastzustandes des Kraftfahrzeu- ges ist das aufgebrachte Drehmoment auf die Antriebswelle sehr gut bekannt. Insofern kann für diesen Zustand die Relativlage 4 mit einem konkreten, in der Auswerteeinheit beispielsweise gespeicherten, Referenzdrehmoment abgestimmt werden, so dass die gesamte Messsystematik kalibriert wird.
Beispielsweise während eines Anfahrprozesses wird nun motorseitig auf die Welle ein größeres Drehmoment übertragen. Dies führt nun zu einer größeren Tordie- rung der Welle, was durch eine geänderte Relativlage 7 des ersten Referenzsignals 22 und des zweiten Referenzsignals 23 widergespiegelt wird, vergleiche Fig. 4. Hat nunmehr das Kraftfahrzeug beschleunigt und eine höhere Geschwindigkeit erreicht, liegt eine höhere Drehzahl an, was durch einen geringeren Abstand der Extrema des ersten Referenzsignals 22 und des zweiten Referenzsignals 23 ausgedrückt wird, vergleiche Fig. 5. Auch hier kann die Relativlage 7 zur Bestimmung des aktuell anliegenden Drehmoments herangezogen werden.
Schließlich soll Fig. 6 den Einbau einer solchen Vorrichtung bei einem Kraftfahrzeug 9 veranschaulichen. Das Kraftfahrzeug 9 weist einen Motor 20 auf, der regelmäßig über ein Getriebe 19 mit einer Mehrzahl von Wellen 1 verbunden ist, die das generierte Drehmoment letztendlich auf die Räderl 8 übertragen. Um nun eine Lenkung bzw. einen sicheren Kontakt der Räder mit dem Unterboden zu ge- währleisten, weisen die Wellen regelmäßig Gelenke 13 auf, die ein Abbeugen des Antriebsstranges ermöglichen. Bei dem hier gezeigten Fahrzeug 9 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 beispielsweise bzgl. beider Seitenwellen nahe dem Motor 20 vorgesehen.
Der Aufwand, der zur Ermittlung des Wellendrehmoments so betrieben werden muss, ist gerade bei den Seitenwellen relativ gering. Darüber hinaus kann aktuell, ohne großen technischen Aufwand, sehr präzise das anliegende Drehmoment bzgl. der Wellen erfasst werden.
Bezugszeichenliste
I Welle 2 erster Referenzpunkt
3 ersten Abschnitt
4 zweiter Referenzpunkt
5 Achse
6 zweiten Abschnitt 7 Relativlage
8 Antriebsstranges
9 Kraftfahrzeuges
10 Vorrichtung
I 1 Inkrementalgeber 12 Auswerteeinheit
13 Gelenk
14 Balg
15 Verbindungselement
16 Ring 17 Aufnehmer
18 Rad
19 Getriebe
20 Motor
21 Zeit 22 erstes Referenzsignal
23 zweites Referenzsignal
24 Zählspur
25 Sensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer ein Drehmo- ment übertragenden Welle (1 ) umfassend zumindest die folgenden Schritte:
(a) Lagebestimmung zumindest eines ersten Referenzpunktes (2) in einem ersten Abschnitt (3) der Welle (1) und generieren eines ersten Referenzsignals (22);
(b) Lagebestimmung zumindest eines zweiten Referenzpunktes (4) in einem, vom ersten Abschnitt (3) in Richtung einer Achse (5) der Welle (1) beabstandeten, zweiten Abschnitt (6) der Welle (1) und generieren eines zweiten Referenzsignals (23);
(c) Bewerten der Relativlage (7) des zumindest einen ersten Referenzsignals (22) zum zumindest einen zweiten Referenzsignal (23); (d) Bestimmung der Drehmomentbelastung mittels der Relativlage (7).
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Bestimmung einer Drehmomentbelastung einer Welle (1) eines Antriebsstranges (8) eines Kraftfahrzeuges (9) im Betrieb erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens in Schritt (a) oder in Schritt (b) ein der Rotation der Welle (1) entsprechendes Impulssignal generiert und erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem wenigstens in Schritt (a) oder in Schritt (b) für die Lage der Referenzpunkte (2, 4) ein Verlaufsignal (22, 23) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem in Schritt (a) ein erstes Referenzsignal (22) und in Schritt (b) ein zweites Referenzsignal (23) erzeugt wird und Schritt (c) die Bewertung eines Phasenversatzes zwischen dem ersten Referenzsignal (22) und dem zweiten Referenzsignal (23) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem ein Ka- librierprozess durchgeführt wird, wobei während eines bekannten Lastzustandes der Welle (1) wenigstens die Relativlage oder die Drehmomentbelastung mit einem bekannten Parameter verglichen wird.
7. Vorrichtung (10) umfassend zumindest eine Welle (1) für einen Antriebs- sträng (8) eines Kraftfahrzeuges (9) mit einer Achse (5) sowie mit einem ersten Abschnitt (3) und einem vom ersten .Abschnitt (3) in Richtung der Achse (5) beabstandeten zweiten Abschnitt (6), wobei im ersten Abschnitt (3) und im zweiten Abschnitt (6) jeweils ein Inkrementalgeber (11) vorgesehen ist, die mit einer Auswerteeinheit (12) verindbar sind.
8. Vorrichtung (10) nach Patentanspruch 7, wobei die Welle (1) wenigstens in dem ersten Abschnitt (3) oder in dem zweiten Abschnitt (6) mit einem Gelenk (13) ausgeführt ist und die Inkrementalgeber (11) mit einer Komponente des Gelenks (13) zusammenwirken.
9. Vorrichtung (10) nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei wenigstens ein induktiver Inkrementalgeber (11) vorgesehen ist.
10. Kraftfahrzeug (9), aufweisend zumindest eine Vorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, welches mit einem Verfahren der Patentansprüche 1 bis 6 betreibbar ist.
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