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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung
Nr. 60/883,244 mit dem Titel "Laser
torque sensor for transmissions",
die am 3. Januar 2007 eingereicht wurde und die hiermit durch Bezug
vollständig
mit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen Sensor oder eine Vorrichtung
für die
berührungslose
Messung einer Torsionsspannung in einer kraftübertragenden Drehwelle gerichtet,
für welche
die Antriebs- oder Abtriebswelle eines Getriebes ein Beispiel ist,
wobei Änderungen
bei mindestens einer Eigenschaft von Licht gemessen werden, welches
entlang der Welle übertragen
wird, um das Drehmoment zu ermitteln, das von der Welle übertragen
wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wenn
ein Drehmoment auf eine Welle aufgebracht wird, wird eine Spannung
entlang der Oberfläche der
Welle entlang spiralförmiger
Druck- und Zuglinien aufgebracht. Es sind verschiedene Verfahren
zur Messung des Drehmoments in einer Welle bekannt. Ein Verfahren
besteht darin, Dehnungsmessstreifen an die äußere Oberfläche der Welle zu kleben, wobei
die Dehnungsmessstreifen in einer kreuzförmigen Konfiguration angeord net
sind. Die Dehnungsmessstreifen wirken als Elemente einer Widerstandsbrückenschaltung
zur Messung von Druck und Zug in der Wellenoberfläche entlang
ihrer Länge,
wenn sich die Welle durch Torsion verdreht. Es kann eine Herausforderung
sein, bei einer Drehwelle eine Drehmomentmessung zu implementieren,
wenn Dehnungsmessstreifen als die Aufnahmeelemente verwendet werden,
da die Dehnungsmessstreifen notwendigerweise mit weiterer Elektronik,
die sich nicht auf der Welle befindet, elektrisch in Kontakt stehen müssen. Die
sich nicht auf der Welle befindende Elektronik ist notwendig, um
die Widerstandsbrückenmessungen
auszuführen,
um den Zug und den Druck zu detektieren und zu quantifizieren, welche
aus einer Verdrehung der Welle durch Torsion als einem Maß für das übertragene
Wellendrehmoments resultieren.
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Ein übertragenes
Drehmoment in einer Welle kann auch durch eine Messung des Winkelversatzes zwischen
zwei Zahnrädern
ermittelt werden, welche an der Welle in einer weit beabstandeten
Beziehung entlang der Rotationsachse der Welle montiert sind. Bei
einem Verwenden dieses Verfahrens zeigt der Winkelversatz zwischen
den beabstandeten Zahnrädern
den Verdrehwinkel über
die Länge
der Welle zwischen den Zahnrädern
an, wobei der Verdrehwinkel ein Maß für das Drehmoment ist, das entlang
der Welle übertragen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen berührungslosen Sensor oder eine
berührungslose
Vorrichtung zur Messung des augenblicklichen Drehmoments oder der
Torsionsspannung/-dehnung gerichtet, welche durch ein lang gestrecktes
Kraftübertragungselement,
beispielsweise eine drehbare Welle, übertragen wird, wie (z. B.)
eine Welle, die einen Motor mit einem Fahrzeuggetriebe antreibbar
koppelt, oder innerhalb des Getriebes, oder sonst wo in einem Fahrzeugantriebsstrang.
Gemäß der offenbarten
Erfindung ist eine drehbare Welle mit einem Hohlraum in einem Abschnitt
einer Länge
der Welle zwischen einem ersten Abschnitt der Welle und einem zweiten
Abschnitt der Welle bereitgestellt. Eine Lichtquelle ist vorgesehen,
die polarisiertes Licht entlang eines Messlichtpfades in den Hohlraum
von dem ersten Abschnitt der Welle an den zweiten Abschnitt der
Welle emittiert. Ein Polarisationsfilter ist vorgesehen und in dem
Hohlraum in dem zweiten Abschnitt der Welle befestigt. Das Polarisationsfilter
dient zur Änderung
der Winkelpolarisation von Licht in dem polarisierten Lichtstrahl.
Eine Messeinheit ist vorgesehen, um die Änderung des Polarisationswinkels
in dem Lichtpfad, die durch das Polarisationsfilter eingebracht
wird, zu detektieren. Wenn ein Drehmoment von der Welle übertragen wird,
verursacht das übertragene
Drehmoment eine elastische Verdrehung in der Welle um die Rotationsachse der
Welle. Die Torsionsverdrehung der Welle führt zu einer Winkeldrehung
des Polarisationsfilters relativ zu der Polarisationsrichtung des
polarisierten Lichtstrahls und führt
damit zu einer Änderung
bei dem Polarisationswinkel des Lichts, das durch das Polarisationsfilter
hindurchgeht. Diese Änderung
des Polarisationswinkels wird detektiert und ist ein Maß für ein in
der Welle übertragenes
Drehmoment, welche die Grundlage bereitstellt, mit welcher das in
der Welle übertragene
Drehmoment berechnet werden kann, wie hierin in späteren Abschnitten
genauer erörtert
wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle,
wobei die Lichtquelle ein Lichtpolarisationsfilter umfasst, um einen
kohärenten
polarisierten Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge zur Übertragung
entlang des Messlichtpfads bereitzustellen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Drehmomentsensorvorrichtung
einen Strahlteiler, der ausgestaltet ist, um den Licht strahl von
der Lichtquelle in zwei Lichtstrahlen aufzuteilen, von denen einer
dem Messlichtpfad folgt und einer einem Referenzlichtpfad folgt.
Der Strahlteiler stellt einen Referenzlichtpfad bereit, der eine
Winkelpolarisation aufweist, die durch die Winkelpolarisation des
Lichts von der Lichtquelle bestimmt ist. Bei diesem Aspekt der Erfindung
detektiert die Messeinrichtung die Polarisationswinkeländerung
als einen detektierten Unterschied bei der Winkelpolarisation des
Referenzlichtpfads und der Winkelpolarisation des Lichts nach dem
Polarisationsfilter. Der detektierte Unterschied bei der Winkelpolarisation
ist ein Maß für die Torsionsverdrehung
in der Welle und daher für
das von der Welle übertragene
Drehmoment.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist die Lichtquelle in der Drehmomentsensorvorrichtung eine
Laserlichtquelle, die ein zweites Lichtpolarisationsfilter umfasst,
um das Licht zu polarisieren, das von der Lichtquelle emittiert
wird. Die Lichtquelle ist außerhalb
der Welle statt innerhalb des Hohlraums der Welle angeordnet. Polarisiertes
Licht von dem zweiten Polarisationsfilter wird zum Eintreten in
den Wellenhohlraum durch eine Eintrittsöffnung in dem ersten Abschnitt
der Welle gelenkt. Die Eintrittsöffnung
erstreckt sich durch die Wellenwand zwischen dem Hohlraum und der
Außenfläche der
Welle. Die Drehmomentsensorvorrichtung umfasst ferner ein erstes
Reflexionselement, das in dem ersten Abschnitt des Wellenhohlraums
befestigt ist und ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von
der Eintrittsöffnung
in eine Richtung umzulenken, so dass es das Polarisationsfilter
abfängt,
das in dem Hohlraum in dem zweiten Abschnitt des Wellenhohlraums
bereitgestellt ist. Ein zweites Reflexionselement ist auch in dem
Wellenhohlraum befestigt und ausgestaltet, um polarisiertes Licht,
welches das Polarisationsfilter in dem Hohlraum verlässt, so
umzuleiten, dass es die Welle durch eine Austrittsöffnung in
der Welle verlässt.
Die Messeinrichtung ist außerhalb
der Welle angeordnet und ist ausgerichtet, um polarisiertes Licht
zu detektieren, das durch die Austrittsöffnung emittiert wird. Die
Eintrittsöffnung
und die Austrittsöffnung
sind an der Welle ausgerichtet, um zu ermöglichen, dass Licht von der
Lichtquelle, die außerhalb
der Welle angebracht ist, durch den Hohlraum umgelenkt wird und
die Messeinrichtung erreicht, wenn sich die Welle in mindestens
einer Winkelposition der Wellenrotation befindet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das erste Reflexionselement
ein erstes metallisches Rohr, in welchem das erste Reflexionselement
montiert ist. Auf ähnliche
Weise umfasst das zweite Reflexionselement ein zweites metallisches
Rohr, in welchem das zweite Reflexionselement montiert ist. Das
erste und zweite metallische Rohr sind zur Befestigung an der Welle
in dem Hohlraum der Welle ausgelegt und eingepasst.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist der Wellenhohlraum ein Abschnitt
einer axialen Bohrung durch ein Ende der Welle, wobei die axiale
Bohrung einen Zugang zu dem Hohlraum zur Installation des ersten
Reflexionselements und des zweiten Reflexionselements durch die
Endbohrung der Welle bereitstellt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das erste Reflexionselement
eine erste reflektierende Oberfläche,
die ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von der Eintrittsöffnung durch
Reflexion entlang einer Länge
des Wellenhohlraums an das Polarisationsfilter in dem Wellenhohlraum
umzulenken. Das zweite Reflexionselement umfasst eine zweite reflektierende
Oberfläche,
die ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von dem Polarisationsfilter
in dem Hohlraum so umzulenken, dass es den Wellenhohlraum durch eine
Austrittsöffnung
in der Welle durch Reflexion verlässt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Oberflächen der
ersten und zweiten Reflexionselemente im Wesentlichen ebene reflektierende
Oberflächen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Oberflächen sowohl
des ersten als auch des zweiten Reflexionselements jeweils konische
reflektierende Oberflächen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist eine Halbwellenplatte bereitgestellt
und nach der Lichtquelle und dem zweiten Polarisationsfilter und
vor dem Strahlteiler angeordnet. Die Wirkung der Halbwellenplatte
liefert eine Verdopplung bei der Empfindlichkeit der Messeinrichtung
bei der Detektion eines Wellendrehmoments, wie später genauer
erläutert
wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung führt
die Änderung
beim Polarisationswinkel von Licht, welches das in dem Wellenhohlraum
gelegene Polarisationsfilter verlässt, zu einer Änderung
bei der Intensität von
Licht, das die Austrittsöffnung
der Welle verlässt
und die Messeinrichtung erreicht. Bei diesem Aspekt der Erfindung
ist die Messeinrichtung ausgestaltet und angepasst, um diese Änderung
bei der Lichtintensität
zu detektieren und zu verwenden, um die Änderung bei dem Polarisationswinkel
von Licht zu ermitteln, das die Messeinrichtung von der Wellenaustrittsöffnung erreicht.
Zusätzlich
ist die Messeinrichtung ausgestaltet, um Änderungen bei der Lichtintensität in dem
Referenzlichtpfad zu detektieren und die gemessene Intensität von Licht
von der Wellenaustrittsöffnung
gemäß den gemessenen Änderungen
bei der Referenzlichtpfadintensität zu korrigieren, um Schwankungen
bei der Intensität
von Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, auszugleichen.
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Zusätzlich ist
ein Verfahren für
die Messung eines Drehmoments offenbart, das von einer Welle gemäß der voranstehenden
erfindungsgemäßen Vorrichtung übertragen
wird, wie hierin später
genauer erläutert
wird.
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Die
voranstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen
Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen leicht offenbar werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen zeigen eine Form der Erfindung, die gegenwärtig bevorzugt
ist; die Erfindung ist jedoch nicht auf die genaue Anordnung begrenzt,
die in den Zeichnungen gezeigt ist.
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1 stellt
eine schematische perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform
eines zur Messung eines übertragenen
Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors dar,
die Reflexionselemente, welche in einer Bohrung befestigt sind,
sowie andere Komponenten des Laserdrehmomentsensors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 stellt
eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
des zur Messung eines übertragenen
Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dar;
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3 stellt
eine schematische Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform
eines zur Messung eines übertragenen
Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors dar,
bei welcher die Reflexionselemente angepasst sind, um in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung die Verwendung mehrerer Eintritts-
und Austrittsöffnungen
in der Welle zu ermöglichen;
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4 stellt
eine schematische Ansicht des Laserdrehmomentsensors von 2 dar,
der ferner eine Halbwellenplatte umfasst, um die Empfindlichkeit
des Drehmomentsensors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung effektiv zu verdoppeln;
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5 stellt
eine schematische Schnittansicht dar, die durch die Welle von 3 (ohne
die Reflexionselemente) geschnitten ist, welche eine Anordnung der
Lichteintrittslöcher
oder Lichtaustrittslöcher
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 ist
ein Graph, der die allgemeine Beziehung zwischen einer normierten
Intensität
von Licht, das an dem Lichtdetektor/Sensor empfangen wird, und einem
Wellenverdrehwinkel aufgrund der Abschwächung der Intensität von polarisiertem
Licht in dem Messpfad, nachdem es durch das Polarisationsfilter
in dem Wellenhohlraum gegangen ist, gemäß mindestens einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7a ist
eine schematische Darstellung einer Welle, die mit Merkmalen der
vorliegenden Erfindung zur Drehmomentmessung ausgerüstet ist,
welche hierin dargestellt ist, um die Erörterung der mathematischen Beziehung
zwischen dem Wellenverdrehwinkel und dem übertragenen Drehmoment zu unterstützen;
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7b ist
eine schematische Darstellung des Querschnitts entlang B-B der Welle
in 7A, bei welcher nur die Wellenwand dargestellt
ist, um Parameter deutlich zu bezeichnen, die bei der Berechnung
des Trägheitsmoments
des zylindrischen Wellenabschnitts verwendet werden, um den Verdrehwinkel
zu dem übertragenen
Drehmoment in Beziehung zu setzen; und
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8 stellt ein Verfahren zur berührungslosen
Messung von Drehmoment, das in einer Welle übertragen wird, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dar.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 stellt
eine schematische perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform
eines Laserdrehmomentsensors 10 dar, der zur Messung eines
augenblicklichen Drehmoments oder einer Torsionsspannung/-dehnung verwendet
ist, welche von einer drehbaren Welle 12 übertragen
wird. Gemäß der offenbarten Erfindung
ist die drehbare Welle 12 mit einem Hohlraum 14 in
einem Abschnitt einer Länge
der Welle zwischen einem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 und
einem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 versehen.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Hohlraum 14 ein Abschnitt der axialen Bohrung 62 in
der Welle 12. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst
ferner ein erstes Reflexionselement 38 und ein zweites
Reflexionselement 42, die beide in dem Hohlraum 14 in
der Welle 12 befestigt sind. Die Reflexionselemente 38, 42 sind
durch die Öffnung
der Bohrung 62, welche an einem ersten Ende 66 der
Welle 12 vorgesehen ist, in den Hohlraum 14 der
Welle 12 installierbar. Das erste Reflexionselement 38 ist
in dem Hohlraum 14 an einem ersten Abschnitt 20 der
Welle 12 befestigt, während
das zweite Reflexionselement 42 in dem Hohlraum 14 in
einem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 befestigt
ist, wobei der zweite Abschnitt 22 von dem ersten Abschnitt 20 durch
eine gewisse definierte Distanz beabstandet ist. Die Welle 12 umfasst
eine Lichteintrittsöffnung 16 in
dem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 und eine
Lichtaustrittsöffnung 18 in
dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12. Jede Öffnung 16, 18 erstreckt
sich von einer äußeren Oberfläche 70 der
Welle 12 in den Hohlraum 14 der Welle 12. Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform weisen sowohl das
erste Reflexionselement 38 als auch das zweite Reflexionselement 42 ein
allgemein "C"-förmiges Gehäuse auf.
Die Verwendung eines "C"-förmigen Gehäuses ist
für die
beispielhafte Ausführungsform
von 1 spezifisch und ist nicht beschränkend. Die
Reflexionselemente 38, 42 können eine beliebige Gehäusegestalt
umfassen oder alternativ überhaupt
kein Gehäuse,
solange die Reflexionselemente 38, 42 in dem Hohlraum 14 an
der Welle 12 befestigt werden können. Das "C"-förmige Gehäuse des ersten Reflexionselements 38 ist
in dem Hohlraum 14 befestigt, wobei die Öffnung 68 des "C" mit der Lichteintrittsöffnung 16 der
Welle 12 ausgerichtet ist. Auf ähnliche Weise ist das "C"-förmige
Gehäuse
des zweiten Reflexionselements 42 in dem Hohlraum 14 befestigt,
wobei die Öffnung 72 des "C" mit der Lichtaustrittsöffnung 18 ausgerichtet
ist.
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Der
Laserdrehmomentsensor 10 umfasst eine Lichtquelle 24,
die Licht entlang eines ersten Lichtpfads 30 emittiert.
In 1 ist die Lichtquelle 24 nahe bei und
getrennt von der Welle 12 befestigt, so dass die Welle 12 um
eine Rotationsachse 48 unabhängig von der Lichtquelle 24 frei
rotieren kann. Der Laserdrehmomentsensor umfasst ein Polarisationsfilter 26,
das nahe bei der Lichtquelle 24 angeordnet ist. Bei gewissen
Ausführungsformen
der Lichtquelle 24 kann das Polarisationsfilter 26 als
Teil der Lichtquelle 24 umfasst sein. Das Polarisationsfilter 26 ist
angeordnet, um den ersten Lichtpfad 30, der von der Lichtquelle 24 emittiert
wird, abzufangen, und um das Licht, welches das Polarisationsfilter 26 verlässt, entlang
des polarisierten Abschnitts 74 des ersten Lichtpfads 30 in
einer Winkelrichtung einer ersten Polarisationsachse 28 zu
polarisieren. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst ferner
einen Strahlteiler 32, beispielsweise (als ein nicht einschränkendes Beispiel)
eine lichtdurchlässige
ebene Platte mit einer teilweise reflektierenden spiegelähnlichen
Beschichtung. Der Strahlteiler 32 ist angepasst, um einen
definierten Prozentsatz des Lichts, das auf den Strahlteiler 32 fällt, in
einen ersten Messlichtpfad 34 zu übertragen und um im Wesentlichen
den verbleibenden Prozentsatz des einfallenden Lichts entlang eines
Referenzlichtpfads 36 zu reflektieren. Der erste Messlichtpfad 34 ist angeordnet
und zu der Welle 12 hin gerichtet, so dass er mit der Eintrittsöffnung 16 durch
eine Drehung der Welle 12 um die Rotationsachse 48 ausgerichtet
werden kann, wobei der erste Messlichtpfad 34 in den Hohlraum 14 durch
die Lichteintrittsöffnung 16 eintritt.
In dem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 umfasst
das erste Reflexionselement 38 eine erste reflektierende
Oberfläche 40,
die ausgestaltet ist, um polarisiertes Licht in dem ersten Messlichtpfad 34 auf
einen zweiten Messlichtpfad 46 zu reflektieren, der entlang
einer Länge
des Hohlraums 14 in eine Richtung gerichtet ist, die im
Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 48 der Welle 12 ist,
so dass es auf die zweite reflektierende Oberfläche 44 des zweiten
Reflexionselements 42 auftrifft, das in dem zweiten Abschnitt 22 der
Welle 12 befestigt ist. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst
zusätzlich
ein Polarisationsfilter 52, das in dem zweiten Abschnitt 22 der
Welle 12 angeordnet ist und an dem "C"-förmigen Gehäuse des zweiten Reflexionselements 42 befestigt
ist. Wieder ist die "C"-Gestalt des Gehäuses für die in 1 dargestellte
beispielhafte Ausführungsform
spezifisch und nicht beschränkend,
wie voranstehend erörtert
wurde. Das Polarisationsfilter 52 ist angeordnet, um polarisiertes
Licht in dem zweiten Messlichtpfad 46 abzufangen, bevor
es die zweite reflektierende Oberfläche 44 erreicht. Da
das Polarisationsfilter 52 an dem zweiten Reflexionselement 42 befestigt
ist, welches dann in dem zweiten Abschnitt 42 der Welle 12 befestigt ist,
ist das Polarisationsfilter 52 dadurch auf eine Drehung
in Übereinstimmung
mit dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 beschränkt. Das
Polarisationsfilter 52 weist eine zweite Polarisationsachse 54 auf,
durch welche es Licht in dem zweiten Messlichtpfad 46 polarisiert,
das durch das Polarisationsfilter 52 hindurchgeht. Die zweite
Reflexionsoberfläche 44 ist
ausgestaltet, um Licht, das von dem Polarisationsfilter 52 polarisiert
ist, entlang eines dritten Messlichtpfads 50 zu reflektieren,
welcher die Welle 12 durch die Lichtaustrittsöffnung 18 verlässt. Die
Austrittsöffnung 18 ist
angeordnet und ausgestaltet, um den dritten Messlichtpfad 50 mit
einem Messlichterfassungsabschnitt 76 einer Messeinrichtung 56 durch
eine Drehung der Welle 12 um die Rotationsachse 48 auszurichten.
Die Austrittsöffnung 18 und
die Eintrittsöffnung 16 sind
gemeinsam ausgerichtet, so dass, wenn die Eintrittsöffnung 16 drehend
ausgerichtet ist, um es einem Licht in dem ersten Messlichtpfad 34 zu
ermöglichen,
in die Eintrittsöffnung 16 einzutreten,
dann auch die Austrittsöffnung 18 ausgerichtet
ist, um es einem Licht in dem dritten Messlichtpfad 50 zu
ermöglichen,
den Messlichterfassungsabschnitt 76 der Messeinrichtung 56 zu
erreichen, so dass das Licht den Messkreis von der Lichtquelle 24 durch
den Wellenhohlraum 14 an die Messeinrichtung 56 vervollständigen kann.
Auf ähnliche
Weise fällt
Licht von dem Referenzlichtpfad 36 auf den Referenzlichterfassungsabschnitt 78 der
Messeinrichtung 56. Die Messeinrichtung 56 ist angeordnet,
um Licht von dem dritten Messlichtpfad 50 zu empfangen
und um einen Unterschied bei dem Polarisationswinkel des Lichts
zwischen dem dritten Messpfad 50 und dem Referenzlichtpfad 36 zu
detektieren. Ein von der Welle 12 übertragenes Drehmoment führt zu einer
Winkelverdrehung der Welle 12, welche zu einer Änderung
bei dem Polarisationswinkel von Licht in dem dritten Messpfad 50 führt, die
durch die Winkelausrichtung der Polarisationsachse 54 des
zweiten Polarisationsfilters 52 induziert ist. Eine Torsionsverdrehung
in der Welle 12 wird als ein Unterschied bei dem Polarisationswinkel
zwischen dem Referenzlichtpfad 36 und dem dritten Messlichtpfad 50 von
der Messeinrichtung 56 detektiert. Diese Änderung
beim Polarisationswinkel steht in direkter Beziehung zu dem von
der Welle 12 übertragenen
Drehmoment, wie in einem späteren
Abschnitt dieser Anmeldung genau erörtert wird. Das gemessene Drehmoment,
das aus dem gemessenen Unterschied beim Polarisationswinkel ermittelt
wird, wird als ein elektronisches Messsignal 80 ausgegeben.
Das elektronische Messsignal 80 kann ein beliebiges sein
von: ein digitales elektronisches Signal, das ein Drehmoment darstellt,
ein analoges Spannungssignal, das ein Drehmoment darstellt, ein
analoges Stromsignal, das ein Drehmoment darstellt sowie andere
Ausgangssignaltypen, die einem Fachmann bekannt sind. Das Drehmomentsignal
kann beispielsweise von einem analogen oder digitalen Drehmomentanzeiger 82 in
einer für
den Menschen lesbaren Form dargestellt werden oder als ein Eingang
an einen fahrzeugeigenen Motorverwaltungs- oder Getriebeverwaltungscomputer
bereitgestellt werden, sowie als ein Eingang an andere Einrichtungen
oder für
andere Verwendungen bereitgestellt werden, die einem Fachmann bekannt
sind. Die Lichtquelle 24 ist vorzugsweise eine Laserlichtquelle.
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Es
ist zu verstehen, dass der Hohlraum 14 nur einen Abschnitt
der Länge
der Welle 12 belegen kann, wobei der Hohlraum 14 einen
Raum in der Welle 12 bereitstellt, um die Reflexionselemente 38, 42 aufzunehmen.
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Zusätzlich verringert
das Vorhandensein des Hohlraums 14 in der Welle 12 bei
der dargestellten Ausführungsform
sowie bei anderen Ausführungsformen
notwendigerweise den Materialquerschnitt der Welle 12 um
den Hohlraum 14 herum, was der Hohlraumabschnitt der Welle 14 für Torsionsverdrehungen
anfälliger macht
und dadurch die Genauigkeit und Empfindlichkeit von Wellendrehmomentmessungen
verbessert.
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2 stellt
eine schematische Ansicht der Komponenten des Laserdrehmomentsensors
von 1 angewandt auf eine rohrförmige Welle dar, wobei sich
der Hohlraum 114 vollständig
durch die Länge
der Welle 112 erstreckt. Wie in 1 umfasst
der Laserdrehmomentsensor 110 die Lichtquelle 24,
das Polarisationsfilter 26, den Strahlteiler 32,
eine Lichteintrittsöffnung 116,
eine Lichtaustrittsöffnung 118,
das erste Reflexionselement 38, das in dem ersten Abschnitt 120 der
Welle 112 befestigt ist, das zweite Reflexionselement 42,
das in dem zweiten Abschnitt 122 der Welle 112 befestigt
ist, das Polarisationsfilter 52 und die Messeinrichtung 56, die
ausgestaltet ist, um ein Signal 80 eines gemessenen Drehmoments
als einen Ausgang bereitzustellen. 2 stellt
eine bessere Darstellung der bevorzugten Montage des zweiten Polarisationsfilters 52 bereit,
das unmittelbar vor der reflektierenden Oberfläche 44 des zweiten
Reflexionselements 42 in dem zweiten Abschnitt 122 der
Welle befestigt ist. Die Messeinrichtung 56 ist ausgestaltet,
um eine Torsionsverdrehung der Welle 112 im Wesentlichen über die
Länge L
zwischen dem ersten Abschnitt 120 und dem zweiten Abschnitt 122 der
Welle zu messen. Diese gemessene Winkelverdrehung wird in eine Wellendrehmomentmessung
umgewandelt, wie nachstehend in dieser Anmeldung erörtert wird.
Anders als voranstehend angemerkt wurde, ist die Arbeitsweise des
Laserdrehmomentsensors 110 identisch mit den voranstehenden
Laserdrehmomentsensorerörterungen,
die mit 1 dargestellt wurden.
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3 stellt
eine schematische Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform
eines Laserdrehmomentsensors 210 dar, der zur Messung eines übertragenen
Drehmoments in einer Welle 212 verwendet ist, bei welcher
die Reflexionselemente 238, 242 lichtreflektierende
Oberflächen 84 bzw. 86 aufweisen.
Die Reflexionselemente 238, 242 können aus
einem Kunststoff oder einem metallischen Material bestehen. Bei
einer Ausführungsform
sind die lichtreflektierenden Oberflächen 84, 86 kegelförmig gestaltete
Oberflächen,
die auf den Reflexionselementen 238, 242 maschinell
bearbeitet, ausgebildet oder anderweitig angeordnet wurden. Bei
einer anderen Ausführungsform
besteht jede der reflektierenden Oberflächen 84, 86 aus
zwei gewinkelten ebenen Oberflächen,
die ein Dreiecksprofil aufweisen, wenn sie, wie in 3 dargestellt
ist, von einer Seite betrachtet werden. Bei noch einer anderen Ausführungsform
besteht jede der reflektierenden Oberflächen 84, 86 aus
vier gewinkelten ebenen Oberflächen,
die eine Pyramidengestalt bilden und ein Seitenprofil aufweisen, wie
in 3 gezeigt ist. In allen Fällen bilden die reflektierenden
Oberflächen 84,
86 im Wesentlichen einen Winkel von 45 Grad relativ zu der Rotationsachse 248 der
Welle 212, so dass der Winkel θ1 zwischen dem ersten Messlichtpfad 234 und
dem reflektierten zweiten Messlichtpfad 246 im Wesentlichen
90 Grad beträgt. Die
gleiche Winkelbeziehung existiert auch zwischen dem zweiten Messlichtpfad 246 und
dem dritten Messlichtpfad 250. Wie voranstehend mit 2 erörtert wurde,
tritt die gemessene Winkelverdrehung der Welle 212 über die
Länge L
zwischen dem ersten Abschnitt 220 und dem zweiten Abschnitt 222 der
Welle 212 auf. Wie bei 1 und 2 erörtert wurde,
umfasst der Laserdrehmomentsensor 210 eine Lichtquelle 24,
ein Polarisationsfilter 26, einen Strahlteiler 32,
Lichteintrittsöffnungen 216, 217,
Lichtaustrittsöffnungen 218, 219,
ein Polarisationsfilter 252 und eine Messeinrichtung 56,
die ausgestaltet und angepasst ist, um ein Signal 80 eines gemessenen
Drehmoments als einen Ausgang bereitzustellen. Die Verwendung reflektierender
Oberflächen 84, 86,
die ein Dreiecksprofil aufweisen, ist besonders nützlich,
wenn die Welle 212 mit einem Paar Lichteintritts-/-austrittsöffnungen 216 bzw. 218 versehen
ist oder mit zwei gegenüberliegenden
Paaren von Lichteintritts-/-austrittsöffnungen
(216, 217) bzw. (218, 219).
Auf ähnliche
Weise ist die Verwendung reflektierender Oberflächen 84, die jeweils
eine Pyramidengestalt mit vier gewinkelten ebenen Oberflächen aufweisen,
besonders nützlich,
wenn die Welle 212 mit bis zu vier Paaren von Lichteintritts-/-austrittsöffnungen
(nicht gezeigt) versehen ist, bei welchen benachbarte Öffnungspaare
an Positionen vorgesehen sind, die radial um den Umfang der Welle 212 herum
um 90 Grad beabstandet liegen. Wenn die reflektierenden Oberflächen 84, 86 kegelförmig gestaltet
sind, sind sie zur Verwendung in Wellen geeignet, die eine beliebige
Anzahl von Eintrittsöffnungen
(nicht gezeigt) und Austrittsöffnungen
(nicht gezeigt) aufweisen.
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4 stellt
eine schematische Ansicht des Laserdrehmomentsensors 110 von 2 dar,
der ferner eine Halbwellenplatte 64 umfasst, die zwischen
dem Polarisationsfilter 26 und dem Strahlteiler 32 positioniert ist.
Die Halbwellenplatte 64 verdoppelt effektiv die Empfindlichkeit
der Messeinrichtung 56 bei der Detektion einer Winkelverdrehung
in der Welle 112 über
die Länge
L. Dies kann wie folgt dargestellt werden. Bei dem Laserdrehmomentsensor 110 von 2 führt eine
Torsionswinkelverdrehung in der Welle über die Länge L von θT Grad
(siehe 7A) zu einem Unterschied beim
Polarisationswinkel zwischen dem Referenzlichtpfad 336 und
dem dritten Messlichtpfad 350 von θT Grad.
Das Vorsehen der Halbwellenplatte 64 zwischen dem Polarisationsfilter 26 und
dem Strahlteiler 32 hat die Auswirkung, dass eine Torsionswinkelverdrehung
in der Welle 112 über
die Länge
L von θT Grad nun zu einem Unterschied beim Polarisationswinkel
zwischen dem Referenzlichtpfad 336 und dem dritten Messlichtpfad 350 von
2 θT Grad führt,
also genau dem Zweifachen der tat sächlichen Winkelverdrehung der
Welle. Die Halbwellenplatte 64 kann, wie voranstehend erörtert, in
einer beliebigen Ausführungsform
des Laserdrehmomentsensors der vorliegenden Erfindung umfasst sein,
um die Empfindlichkeit einer Drehmomentmessung zu verbessern. Anders
als voranstehend angemerkt, ist die Arbeitsweise des Laserdrehmomentsensors 110 von 4 identisch
zu den mit 1 dargestellten voranstehenden
Laserdrehmomentsensorerörterungen.
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Obwohl 3 nur
zwei Eintrittsöffnungen 216, 217 und
zwei Austrittsöffnungen 218, 219 darstellt,
ist zu verstehen, dass es beabsichtigt ist und in gewissen Fällen vorteilhaft
ist, über
mehrere Eintritts- und Austrittsöffnungen
zu verfügen,
die in einem Band um den Umfang der Welle 212 herum positioniert
sind. Beispielsweise stellt 5 eine schematische
Schnittansicht dar, die durch die Welle 212 von 3 geschnitten ist,
welche eine beispielhafte Anordnung mit vier Öffnungen 88 darstellt,
die um den Umfang der Welle 212 herum verteilt sind, wobei
die radial um die Welle 212 herum dargestellten Positionen
der Öffnungen 88 die Winkelpositionen
der Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnungen anzeigen. Wie voranstehend
angemerkt ist, wird die Verwendung mehrerer Paare von Lichteintritts-
und -austrittsöffnungen
als vorteilhaft angesehen. Die Verwendung von vier Öffnungspaaren
beispielsweise ermöglicht,
dass Licht durch die Welle 212 gelenkt wird, wenn sich
die Welle 212 bei irgendeiner der vier Positionen der Wellendrehung
befindet, wodurch bei jeder vollständigen Drehung der Welle 212 die
Durchführung
von vier Messungen eines Wellenverdrehwinkels ermöglicht wird.
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6 ist
ein Graph, der die allgemeine Beziehung zwischen dem Verdrehwinkel θT (siehe 7A) und der
normierten Intensität
des Lichts darstellt, das durch das Polarisationsfilter 52 (siehe 1)
hindurchgeht. In 6 ist angenommen, dass die Polarisation
eines Lichts in den Messlichtpfa den 34, 46 (siehe 1)
mit der Polarisationsachse 54 (siehe 1)
des Polarisationsfilters 52 (siehe 1) übereinstimmt,
wenn der Verdrehwinkel θT 0 Grad beträgt. 7A stellt
einen Verdrehwinkelbereich von –90
bis 0 Grad dar, obwohl zu verstehen ist, dass das Vorzeichen des
Verdrehwinkels die Richtung des Drehmoments anzeigt, welche positiv oder
negativ sein kann. Die Größe des Verdrehwinkels
ist ein Maß für die vorzeichenlose
Größe des aufgebrachten
Drehmoments gemäß den voranstehend
bereitgestellten Gleichungen. Es ist zu verstehen, dass die Kurve
des Verdrehwinkels über
der normierten Intensität
für positive
Verdrehwinkel die gleiche allgemeine Kurve ist, wie sie in 6 dargestellt
ist, gespiegelt um die Achse mit Verdrehwinkel = 0.
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7A und 7B dienen
zur weiteren Darstellung des Verdrehwinkels, der in die Welle 412 durch ein
aufgebrachtes Drehmoment T induziert wird, und der Beziehung zwischen
dem Verdrehwinkel θT und dem aufgebrachten Drehmoment T. Ein
Verständnis
dieser Beziehung ist wichtig für
ein Umwandeln des gemessenen Wellenverdrehwinkels, um zu dem Drehmoment
zu gelangen, das auf die Welle aufgebracht ist. Die Welle 412 in 7A und 7B ist
mit mindestens zwei beabstandeten Öffnungen 88 versehen,
beispielsweise Lichteintritts- und -austrittsöffnungen, die voranstehend
bei verschiedenen Ausführungsformen
erörtert
wurden. In 7A kann jede Öffnung 88 entweder
als Lichteintritts- oder Lichtaustrittsöffnung dienen. Um eine Erörterung
der Konzepte zu erleichtern, ist ein Ende der Welle 412 so
dargestellt, dass es mit Masse 90 verbunden ist, um einer
Drehung zu widerstehen, während
ein Drehmoment T auf das gegenüberliegende
Ende der Welle 412 aufgebracht wird. Das Drehmoment T erzeugt
eine Torsionsverdrehung in der Welle 412 in dem zylindrischen
Abschnitt der Welle zwischen den beabstandeten Öffnungen 88. Jede Öffnung 88 weist
eine Achse auf, die als 92, 94 dargestellt ist,
welche sich durch den Mittelpunkt der Öffnung 88 erstreckt
und die Rotations achse 448 der Welle 412 schneidet.
In 7A ist die Achse 94 als Achse 194 auch
an die Öffnung 88,
die in der Nähe
des aufgebrachten Drehmoments T liegt, verschoben oder dorthin kopiert,
um einen leichten Winkelvergleich mit der Achse 94 zu ermöglichen.
Bei der in 7A dargestellten Ausführungsform
ist der Verdrehwinkel zwischen den Achsen 194 und 94 Null,
wenn kein Drehmoment auf die Welle 412 aufgebracht wird.
Wenn ein Drehmoment T mit ansteigender Größe auf die Welle 412 aufgebracht
wird, steigt der Verdrehwinkel θT proportional mit dem aufgebrachten Drehmoment
an.
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Der
beobachtete Verdrehwinkel θT (in der nachfolgenden Gleichung 1 als θ gezeigt)
steht in Bezug zu dem Elastizitätsmodul
G, dem Abstand L zwischen den Lichteintritts-/-austrittslöchern, dem
Trägheitsmoment J
des zylindrischen Wellenabschnitts und dem aufgebrachten Drehmoment
T durch die folgende Gleichung.
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Für einen
zylindrischen Wellenabschnitt ist das Trägheitsmoment gegeben durch:
wobei
r
e und r
i in
7B definiert
sind, wobei r
i der Innenradius der Bohrung
oder des Hohlraums
414 ist und r
e der
Außenradius
der Welle
412 ist, der von der äußeren Oberfläche
470 der
Welle bis zum Mittelpunkt der Welle gemessen wird.
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Dann
steht das Drehmoment in Beziehung zu dem Wellenverdrehwinkel θ
T durch die folgende Gleichung:
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Es
wird wieder auf die 1 und 7A Bezug
genommen. Die Polarisation der Lichtpfade 34, 46, 50 und 36 ist
bei allen gleich, wenn kein Drehmoment auf die Welle aufgebracht
wird (Drehmoment wie mit 7A erörtert und
dargestellt). Nachdem ein Drehmoment auf die Welle 12 in 1 aufgebracht
ist, induziert das Drehmoment eine Winkelverdrehung in der Welle 12 über die
Länge L
(in 7A gezeigt), welche eine Veränderung beim Polarisationswinkel
in dem dritten Messlichtpfad 50 induziert. Diese Polarisationswinkeländerung
beträgt
entweder θT bei der Drehmomentmesssensorkonfiguration
von 1, oder sie beträgt 2 θT, wenn
die Halbwellenplatte 64 vorhanden ist, wie in 4 gezeigt
ist.
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Diese
Information zusammen mit der Kurve von 6 ermöglicht ein
alternatives Verfahren zur indirekten Detektion der Änderung
bei der Winkelpolarisation zwischen dem dritten Messlichtpfad 50 und
dem Referenzlichtpfad 36, der in 1 dargestellt
ist. 6 stellt dar, dass die normierte Intensität des Lichts
abnimmt, das durch das Polarisationsfilter 52 hindurchgeht,
wenn die absolute Größe des Verdrehwinkels
zunimmt. In 1 ist der Verdrehwinkel exakt äquivalent
zu der Änderung
bei der Winkelpolarisation zwischen dem dritten Messlichtpfad 50 und
dem Referenzlichtpfad 36, wie voranstehend früher erörtert wurde.
Die Kurve von 6 stellt eine Beziehung bereit,
die anzeigt, wie die Intensität
des Lichts, welches die Messeinrichtung 56 erreicht, abnimmt,
wenn die absolute Größe des Wellenverdrehwinkels
zunimmt. Unter Verwendung dieser Erkenntnis kann die Messeinrichtung 56 alternativ
ausgestaltet sein, um den Wellenverdrehwinkel oder die Änderung
beim Polarisationswinkel indirekt statt direkt zu messen, indem Änderungen
bei der Intensität
des Lichts, das den Detektor entlang des dritten Messlichtpfads 50 erreicht,
gemessen werden. Bei dieser Ausgestaltung überwacht die Messeinrichtung 56 die
Intensität
von Licht in dem Referenzlichtpfad 36 und kompensiert die
detektierte Intensität
von Licht in dem dritten Messlichtpfad 50 gemäß den Änderungen
bei der Intensität
in dem Referenzlichtpfad 36, um Schwankungen bei der emittierten
Lichtintensität
der Lichtquelle 24 auszugleichen.
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8 stellt ein Verfahren einer berührungslosen
Messung von Drehmoment dar, welches gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer Welle übertragen
wird. Das Verfahren beginnt bei Block 802, indem eine Lichtquelle
bereitgestellt wird, die einen polarisierten Lichtstrahl emittiert.
Die polarisierte Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserlichtquelle.
Das Verfahren fährt
bei Block 804 fort mit dem Abspalten eines Referenzlichtstrahls von
dem polarisierten Lichtstrahl, der von der Lichtquelle emittiert
wird. Bei Block 806 wird der polarisierte Lichtstrahl entlang
einer Länge
der Welle gelenkt. Bei Block 808 wird die Winkelpolarisation
des Lichts, das entlang der Welle übertragen wird, gemäß der Torsionsverdrehung
der Welle geändert.
Bei Block 810 wird die Winkeländerung bei der Polarisation
aufgrund der Torsionsverdrehung der Welle relativ zu dem Referenzlichtstrahl
gemessen. Bei Block 812 wird das Drehmoment dann aus der
gemessenen Polarisationsänderung
ermittelt.
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Obwohl
die besten Arten zur Ausführung
der Erfindung genau beschrieben wurden, werden Fachleute, welche
diese Erfindung betrifft, verschie dene alternative Entwürfe und
Ausführungsformen
zur Ausführung
der Erfindung im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erkennen.