DE102004039739A1

DE102004039739A1 - Verfahren und System zur Messung der Drehzahl einer Welle

Info

Publication number: DE102004039739A1
Application number: DE200410039739
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Rittler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle (1) vorgeschlagen, bei dem die momentane Drehzahl aus der Winkelgeschwindigkeit zumindest einer auf der Welle (1) angeordneten impulsgebenden Markierung (6, 6', 6'') innerhalb eines Zeitintervalls berechnet wird, wobei die impulsgebende Markierung (6, 6', 6'') an zwei, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, radial nahe beieinander stehenden und mit den Markierungen (6, 6', 6'') zusammenwirkenden und impulsgebenden Sensoren (2, 3) vorbeigeführt wird, derart, dass die Sensoren eine Impulsfolge erzeugen, wobei die Impulsfolge des zweiten Sensors (3) gegenüber der Impulsfolge des ersten Sensors (2) um eine Differenzzeit verschoben ist und wobei bei bekanntem Winkel (DELTAalpha) zwischen den Sensoren (2, 3), bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, und bekannter Differenzzeit die Winkelgeschwindigkeit berechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Messung der Drehzahl einer Welle.
In der Automobiltechnik weisen Fahrzeugantriebe/Maschinenantriebe drehzahlpulsierende Antriebsmotoren oder auch Abtriebe auf. Hierbei übertragen sich die Schwingungen auf den Antriebsstrang, so dass Kenntnisse über auftretende Drehschwingungen für die sichere Auslegung von Antriebsstrangsystemen erforderlich sind.

Nach dem Stand der Technik werden Drehzahlmessungen an Prüfständen bzw. Fahrzeugantrieben im Allgemeinen mittels Inkrementalgebern oder vergleichbaren impulsgebenden Verfahren durchgeführt. Hierbei werden, bezogen auf die Messstelle, winkeläquidistant Signalimpulse erzeugt, welche von dafür geeigneten Messsystemen ausgewertet werden. Ein derartiger Signalimpuls wird jeweils bei Vorbeibewegen einer üblicherweise auf einem Messzahnrad angeordneten geeigneten Marke, beispielsweise eines Zahnes, eines dunklen Streifens, eines Magnetpols, etc., erzeugt.

Aus dem zeitlichen Abstand zweier solcher aufeinanderfolgender Signalimpulse und dem bekannten Winkelinkrement des Inkrementalgebers (beispielsweise bei einem Messzahnrad 6 Winkelgrad bei 60 Impulsen pro Umdrehung) lässt sich die mittlere Winkelgeschwindigkeit innerhalb eines Winkelinkrements berechnen.

Voraussetzung für die Durchführung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ist die Kenntnis der Größe der Winkelinkremente, wobei bei näherungsweise konstanten Winkelinkrementen die Kenntnis eines Winkelinkrementes ausreichend ist.

In nachteiliger Weise übertragen sich bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik bei ungenau bekannten oder über eine Wellendrehung variierenden Winkelinkrementen (Teilungsfehler) Fehler beim Winkel direkt auf die zu bestimmende Winkelgeschwindigkeit. Des weiteren ist bei schwer zugänglichen Messstellen eine Applikation von Inkrementalgebern bzw. Messzahnrädern sehr aufwendig und teuer oder gar unmöglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Drehzahlmessung auch bei ungenau bekannten oder über eine Wellendrehung variierenden Winkelinkrementen ermöglicht werden. Außerdem soll das Verfahren in Situationen anwendbar sein, bei denen die Anwendung der herkömmlichen Verfahren sehr aufwendig oder unmöglich ist. Des weiteren soll ein System zur Messung der Drehzahl einer Welle angegeben werden.

Beispielsweise soll durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Drehzahlmessung an sehr großen Achsen, wie sie z.B. in der Bahntechnik vorkommen, ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Ein System zur Messung der Drehzahl einer Welle ist Gegenstand des Patentanspruchs 9.

Demnach wird ein Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle vorgeschlagen, bei dem die momentane Drehzahl aus der Winkelgeschwindigkeit zumindest einer auf der Welle angeordneten impulsgebenden Markierung innerhalb eines Zeitintervalls berechnet wird, wobei die impulsgebende Markierung an zwei, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, radial nahe beieinander stehenden und mit den Markierungen zusammenwirkenden und impulsgebenden Sensoren vorbeigeführt wird. Hierbei erzeugen die Sensoren eine Impulsfolge, wobei die Impulsfolge des zweiten Sensors gegenüber der Impulsfolge des ersten Sensors um eine Differenzzeit verschoben ist, derart, dass bei bekanntem Winkel zwischen den Sensoren, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, und bekannter Differenzzeit die Winkelgeschwindigkeit berechnet wird.

Des weiteren wird vorgeschlagen, das aus dem Stand der Technik bekannte Messzahnrad oder den Drehinkrementalgeber durch ein vorgefertigtes impulsgebendes, strukturiertes Band, das mit geringem Aufwand um eine Welle gewickelt werden kann, zu ersetzen. Die Bänder können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und sind in Kombination mit einem dem physikalischen Wirkprinzip entsprechenden Sensor Bestandteile eines Drehzahlmesssystems gemäß der Erfindung.

Geeignete impulsgebende Bänder weisen eine Strukturierung in Form von im Wesentlichen regelmäßigen Markierungen auf; bei den Markierungen kann es sich beispielsweise um Schwarz-Weiß-Farbbeschichtungen, streifenartige Magnetisierungen oder zahnartige Strukturen handeln.

Beim Auftragen eines vorgefertigten impulsgebenden Bandes auf einen Wellenumfang stoßen Anfang und Ende des Bandes aufeinander, so dass in der Regel der sogenannte Bandstoß entsteht. Nur wenn der Wellenumfang ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederhollänge der impulsgebenden Strukturie rung des Bandes annimmt, führt der Bandstoß zu keinem unterschiedlichen Winkelinkrement an dieser Stelle.

Das erfindungsgemäße Drehzahlmesssystem umfasst zwei – bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung – radial nahe beieinander stehende, impulsgebende Sensoren, an die die impulsgebende Struktur vorbeigeführt wird. Es ist auch möglich, mehr als zwei Sensoren vorzusehen, um eine redundante Messung erhalten zu können.

Bei als konstant angenommener Winkelgeschwindigkeit erzeugen beide Sensoren eine Impulsfolge, wobei die Impulsfolge des zweiten Sensors gegenüber der Impulsfolge des ersten Sensors um eine Differenzzeit verschoben ist, die über eine Umdrehung hinweg konstant ist. Bei bekanntem Winkel zwischen den Sensoren und bekannter Differenzzeit kann erfindungsgemäß die Winkelgeschwindigkeit angegeben werden und zwar unabhängig von den Winkeln zwischen den Markierungen – bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung -, da zu einem Zeitpunkt die Bewegung einer Markierung betrachtet wird.

Als problematisch erweist sich hierbei die für die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit erforderliche Bestimmung des genannten Winkels zwischen den Sensoren, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung. Dieser Winkel ist in der Regel sehr klein und kann aus der Geometrie heraus nur sehr ungenau bestimmt werden. Ferner kann ein vorgegebener Winkel bei der Montage nicht exakt eingehalten werden.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, die beiden Sensoren in ein Gehäuse einzubauen, bei dem der Winkel zwischen den Sensoren unveränderlich und genau bekannt ist. In diesem Fall muss aber der Abstand bzw. die Lage des Gehäuses bezogen auf die Welle, deren Drehgeschwindigkeiterfasst wer den soll, genau eingehalten werden, da minimale Abweichungen dieser geometrischen Parameter zu großen Messfehlern führen.

Gemäß der Erfindung kann dieser Winkel aus den Zeitpunkten der Signalimpulse beider Sensoren und der Anzahl der Winkelinkremente innerhalb einer Umdrehung berechnet werden; der Winkel wird über die Normierung einer Umdrehung bestimmt, wie im Folgenden beschrieben.

Die Winkel α₁, α₂ bis α_n seien die Winkel zwischen den Markierungen (bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung) auf dem um die Welle angebrachten impulsgebenden Band. Diese können aufgrund des Bandstoßes und den dadurch entstehenden Teilungsfehlern unterschiedlich sein. Der Winkel Δα ist der Winkel zwischen den beiden Sensoren, der nachfolgend als konstant betrachtet wird. Mit T₁, T₂ bis T_n sind die Zeiten bezeichnet, die die Welle benötigt, um den Winkelbereich α₁, α₂ bis α_n zu durchlaufen. Die Winkel sind mit den Zeiten über die Winkelgeschwindigkeit miteinander verknüpft, wobei folgende Gleichung gilt: αn = ωn Tn;mit n = 1, 2, 3, ....

Für den Winkel Δα zwischen den Sensoren gilt folgende Gleichung: Δα = ωnΔTn,wobei ΔT_n die Differenzzeit bei der Erfassung der Markierung n durch die beiden Sensoren ist.

Eine Kombination beider Gleichungen ergibt folgenden Ausdruck:

Hierbei wird als Randbedingung angenommen, dass sich die Drehgeschwindigkeit im Winkelbereich Δα und α_n nicht stark ändert. Zählt man alle Winkel α_n bei M Markierungen einer Umdrehung zusammen, muss sich genau ein voller Kreis ergeben, so dass gilt:

wobei sich folglich der Winkel zwischen den Sensoren aus der Gleichung

bestimmen lässt.

Mit diesem Winkel und den bekannten gemessenen Differenzzeiten lässt sich erfindungsgemäß die Drehzahl, unabhängig davon, ob die Markierungen regelmäßig angeordnet sind oder nicht, durch folgende Gleichung berechnen.

Versuche haben gezeigt, dass Δα nur sehr geringen bzw. für Drehschwingungsspektralanalysen vernachlässigbaren Schwankungen unterliegt, beispielsweise bei dem Anlassen eines Verbrennungsmotors, wo extreme Drehzahlgradienten und Drehschwingungen auftreten.

Um die Stabilität des Verfahrens zu gewährleisten, soll der Winkel Δα zwischen den beiden Sensoren kleiner als das kleinste Winkelinkrement sein. Ferner muss der zu einem Signalimpuls des ersten Sensors gehörende Signalimpuls des zweiten Sensors zeitlich vor dem Nachfolgeimpuls des ersten Sensors liegen.

Altemativ dazu kann jedoch auch der Winkel Δα zwischen den beiden Sensoren größer sein als das größte Winkelinkrement, so dass der zu einem Signalimpuls des ersten Sensors gehörende Signalimpuls des zweiten Sensors zeitlich nach dem Nachfolgeimpuls des ersten Sensors liegt.

Durch das hier vorgestellte Verfahren wird eine zuverlässige Drehzahlmessung auch bei ungenau bekannten oder über eine Wellendrehung variierenden Winkelinkrementen ermöglicht. Des weiteren wird die Anwendung von impulsgebenden Bändern ermöglicht, wobei der Einsatz von Messzahnrädern in vorteilhafter Weise vermieden wird.

Als Sensoren können auch optische Sensoren (z. B. geeignet für schwarz-weiß gestreifte Markierungsbänder) und Abstandssensoren, die nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten, eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es stellen dar:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Drehzahlmessung;
2 einen beispielhaften zeitlichen Signalverlauf der beiden Sensoren; und
3 eine schematische Darstellung eines Gebiets der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie 1 zu entnehmen, umfasst das erfindungsgemäße System zur Messung der Drehzahl einer Welle 1 zwei – bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung – radial nahe beieinander stehende, impulsgebende Sensoren 2, 3, an der die impulsgebende Struktur 4 vorbeigeführt wird. Vorzugsweise ist die impulsgebende Struktur 4 als ein um die Welle 1 anzubringendes impulsgebendes Band 5 mit im Wesentlichen entlang seines Umfangs regelmäßig angeordneten impulsgebenden Markierungen 6 ausgebildet. In 1 ist der Winkel Δα zwischen den Sensoren eingezeichnet; die Welle dreht sich im Uhrzeigersinn, so dass die eingezeichneten Markierungen in der Reihenfolge 6'', 6' und 6 an den Sensoren vorbeigeführt werden, um gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Quotienten
die Winkelgeschwindigkeit der Markierung n berechnen zu können.
Die Momentanaufnahme gemäß 1 entspricht dem Zeitpunkt Tx in 2. Die beiden Diagramme in 2 sind die Signalverläufe der Sensoren 2 (oberes Diagramm) und 3 (unteres Diagramm) als Funktion der Zeit. Zum Zeitpunkt Tx befindet sich die Markierung 6'' zwischen den beiden Sensoren 2, 3 und hat einen Impuls des Sensors 2 ausgelöst. Anschließend wird durch die Markierung 6'' auch ein Impuls des Sensors 3 ausgelöst, wobei ΔT₁ die Differenzzeit bei der Erfassung der Markierung 6'' durch die beiden Sensoren 2, 3 ist. Anschließend werden die Markierungen 6' und 6 an den Sensoren 2, 3 vorbeigeführt, was die Erzeugung entsprechender Signale mit den Differenzzeiten ΔT₁ bzw. ΔT₂ zur Folge hat.
T₁ entspricht dem Winkel α₁ zwischen der Markierung 6'' und der Markierung 6' gemäß der Gleichung α_n = ω_n T_n. Gemäß 1 ist der Winkel zwischen der Markierung 6'' und der Markierung 6' größer als der Winkel zwischen der Markierung 6' und der Markierung 6, so dass gilt: T1 > T2, wie aus 2 ersichtlich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und System wird die Möglichkeit geschaffen, die Drehzahl einer Welle, unabhängig davon, ob die impulsgebenden Markierungen regelmäßig angeordnet sind oder nicht, zu messen, wobei die Herstellungskosten des Systems gering sind. Des weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren einfach durchführbar, wobei in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit der Verwendung von Messzahnrädern entfällt.
Ein Anwendungsgebiet des hier vorgestellten Verfahrens ist beispielsweise die Messung der Drehzahl von Achsen und Wellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs 7, insbesondere im Getriebe 8, wie gemäß 3 veranschaulicht.

1: Welle
2: Sensor
3: Sensor
4: impulsgebende Struktur
5: impulsgebendes Band
6: impulsgebende Markierung
6': impulsgebende Markierung
6'': impulsgebende Markierung
7: Kraftfahrzeug
8: Getriebe
Δα: Winkel zwischen den Sensoren
α_n: Winkelinkrement

Claims

Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle (1), bei dem die momentane Drehzahl aus der Winkelgeschwindigkeit zumindest einer auf der Welle angeordneten impulsgebenden Markierung (6, 6', 6'') innerhalb eines Zeitintervalls berechnet wird, wobei die impulsgebende Markierung (6, 6', 6'') an zwei, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, radial nahe beieinander stehenden und mit den Markierungen (6, 6', 6'') zusammenwirkenden und impulsgebenden Sensoren (2, 3) vorbeigeführt wird, derart, dass die Sensoren (2, 3) eine Impulsfolge erzeugen, wobei die Impulsfolge des zweiten Sensors (3) gegenüber der Impulsfolge des ersten Sensors (2) um eine Differenzzeit verschoben ist, und wobei bei bekanntem Winkel (Δα) zwischen den Sensoren (2, 3), bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, und bekannter Differenzzeit die Winkelgeschwindigkeit berechnet wird.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine impulsgebende Markierung (6, 6', 6'') auf einem um die Welle (1) angebrachten Band (5) angeordnet ist.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (Δα) zwischen den Sensoren (2, 3), bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, aus der Gleichung
bestimmt wird, wobei T₁, T₂ bis T_n die Zeiten bezeichnen, die die Welle (1) benötigt, um den Winkelbereich α₁, α₂ bis α_n zu durchlaufen, wobei α₁, α₂ bis α_n die Winkel zwischen den auf der Welle (1) vorgesehenen impulsgebenden Markierungen (6, 6', 6'') bezeichnen.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl, unabhängig davon, ob die impulsgebenden Markierungen (6, 6', 6'') regelmäßig angeordnet sind oder nicht, durch folgende Gleichung berechnet wird:
wobei ΔT_n die Differenzzeit bei der Erfassung der Markierung n durch die beiden Sensoren, Δα der Winkel zwischen den Sensoren (2, 3), bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, und ω_n die Winkelgeschwindigkeit der Markierung n zum im Zeitintervall ΔT_n ist.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (Δα) zwischen den beiden Sensoren (2, 3) kleiner als der kleinste Winkel (Winkelinkrement) zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsgebenden Markierungen (6, 6', 6'') ist.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu einem Signalimpuls des ersten Sensors (2) gehörende Signalimpuls des zweiten Sensors (3) zeitlich vor dem Nachfolgeimpuls des ersten Sensors (2) aufgrund der Erfassung der aufeinanderfolgenden impulsgebenden Markierung (6, 6', 6'') liegt.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (Δα) zwischen den beiden Sensoren (2, 3) größer als der größte Winkel (Winkelinkrement) zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsgebenden Markierungen (6, 6', 6'') ist.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zu einem Signalimpuls des ersten Sensors (2) gehörende Signalimpuls des zweiten Sensors (3) zeitlich nach dem Nachfolgeimpuls des ersten Sensors (2) aufgrund der Erfassung der aufeinanderfolgenden impulsgebenden Markierung (6, 6', 6'') liegt.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als impulsgebendes Band (5) ein Band verwendet wird, welches eine Strukturierung in Form von im Wesentlichen regelmäßigen Markierungen (6, 6', 6'') aufweist, wobei als Markierungen Schwarz-Weiß-Farbbeschichtungen, streifenartige Magnetisierungen, zahnartige Strukturen oder weitere geeignete Strukturen verwendet werden, die mit entsprechenden Sensoren zusammenwirken.
Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Welle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) in ein Gehäuse fest einbaut sind.
System zur Messung der Drehzahl einer Welle, insbesondere nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein um die Welle (1) anzubringendes impulsgebendes Band (5) mit im Wesentlichen entlang seines Umfangs regelmäßig angeordneten impulsgebenden Markierungen (6, 6', 6'') und zwei, bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, radial nahe beieinan der stehende und mit den Markierungen (6, 6', 6'') zusammenwirkende und impulsgebende Sensoren (2, 3) umfasst, derart, dass die Sensoren (2, 3) bei der Drehbewegung der Welle eine Impulsfolge erzeugen, wobei die Impulsfolge des zweiten Sensors (3) gegenüber der Impulsfolge des ersten Sensors (2) um eine Differenzzeit verschoben ist, und wobei bei bekanntem Winkel (Δα) zwischen den Sensoren (2, 3), bezogen auf den Drehmittelpunkt der zu erfassenden Drehbewegung, und bekannter Differenzzeit die Winkelgeschwindigkeit berechnet wird.