DE10208606A1

DE10208606A1 - Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen

Info

Publication number: DE10208606A1
Application number: DE10208606A
Authority: DE
Inventors: Juergen Legner; Wolfgang Rebholz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen (2, 12), insbesondere zur Erfassung von Drehmomenten und Drehzahlen an drehbar angetriebenen Wellen, mit jeweils gegeneinander gerichteten Zähnen (5) koaxialer Zahnscheiben (3, 4) an zueinander gegen Widerstand verdrehbaren ersten und zweiten Abschnitten des Bauteils (2, 12). Die Zähne (5) der einen Zahnscheibe (3) ragen in Lücken zwischen Zähne (5) der gegenüberliegenden Zahnscheibe (4) und ein Sensor (9), der über den Zahnscheiben (3, 4) sitzt, erzeugt beim Durchlauf eines Zahns (5) einer der Zahnscheiben (3, 4) jeweils mindestens ein Signal, das an eine Elektronik zur Auswertung weitergeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bekannt ist es, Dehnungsmessstreifen zur Drehmomentmessung einzusetzen und die Messergebnisse telemetrisch zu übertragen. Nachteilig hierbei ist es, dass diese Messwerterfassung teuer und nur für Versuchszwecke sinnvoll ist.

Bekannt ist aus der DE 195 19 769 A1 ein magnetorestriktiver Drehmomentsensor und eine magnetorestriktive Welle. Nachteilig ist es, dass permanent magnetisierte Bauteile dieses Standes der Technik nur mit ausgewählten Werkstoffen, wie z. B. dem Werkstoff 14 NiCr 14, möglich sind.

Bekannt ist auch aus dem VDI-Bericht 1610 von B. Stöckl ein Drehmomentfühler mit zwei Zahnscheiben und zwei Drehzahlsensoren, der aus der Phasenverschiebung von zwei Drehzahlsignalen das anliegende Drehmoment ermittelt. Nachteilig hierbei ist der hohe Aufwand, der mit zwei Drehzahlsensoren für diese Messwerterfassung notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine einfach aufgebaute und kostengünstige Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen zu schaffen.

Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen, insbesondere zur Erfassung von Drehmomenten und Drehzahlen an drehbar angetriebenen Wellen, mit jeweils gegeneinander gerichteten Zähnen versehen, die an koaxialen Zahnscheiben an einem ersten und einem zweiten Abschnitt des Bauteils angeordnet sind. Die Zähne einer Zahnscheibe ragen in Lücken zwischen Zähnen der gegenüberliegenden Zahnscheibe und die ersten und zweiten Abschnitte des Bauteils sind gegeneinander verdrehbar verbunden. Ein Sensor sitzt über den Zahnscheiben und erzeugt beim Durchlauf eines Zahns einer der Zahnscheiben jeweils mindestens ein Signal, das an eine Elektronik zur Auswertung weitergeleitet wird. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit nur einem Sensor sowohl Drehmoment als auch Drehzahl des Bauteils gemessen werden können, wobei aus der gemessenen Zeitdauer zwischen den Signalen und der gegebenen Anzahl der Zähne die Drehzahl des Bauteils und aus der Dauer ohne Signal vor und hinter einem Zahn das Drehmoment am Bauteil bestimmbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen kann zur Dämpfung von Schwingungen an den umlaufenden Bauteilen beitragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sitzt der Sensor mittig über den Zahnscheiben, so dass die Zähne beider Zahnscheiben vom Sensor gleich erfaßt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ragen die Zähne einer Zahnscheibe bei drehmomentfreiem Bauteil mittig in die Lücken zwischen den Zähnen der gegenüberliegenden Zahnscheibe, so dass die Dauer ohne Signal vor und hinter einem Zahn gleich ist, wenn das Drehmoment am Bauteil gleich Null ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lücken zwischen den Zähnen der Zahnscheiben 3-mal so breit wie ein Zahn, so dass bei drehmomentfreiem Bauteil die Lücken so breit sind wie die Zähne.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Zahnteilung der Zahnscheiben für eine vereinfachte Meßwerterfassung gleich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abschnitt des Bauteils im anderen zur Übertragung von Drehmomenten und axial verschieblich gelagert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der eine Abschnitt des Bauteils im anderen gegen eine Federkraft axial verschieblich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in beiden Zahnscheiben des Bauteils jeweils in Umfangsrichtung mindestens zwei zur linken oder rechten Seite auslaufende, schiefe Ebenen vorgesehen, zwischen denen Wälzkörper liegen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in beiden Zahnscheiben des Bauteils jeweils in Umfangsrichtung verteilte Federn eingelassen, an denen sich die Zahnscheiben jeweils gegenseitig abstützen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Messwerterfassung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Seitenansicht des umlaufenden Bauteils,
Fig. 3 eine abgewickelte Darstellung der Zähne der Zahnscheiben eines belastet umlaufenden Bauteils,
Fig. 4 eine abgewickelte Darstellung der Zähne der Zahnscheiben eines unbelastet umlaufenden Bauteils,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung des umlaufenden Bauteils und
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine um 90° gedrehte Ansicht der alternativen Ausgestaltung des umlaufenden Bauteils.
Fig. 1, 2: Eine Vorrichtung 1 zur Messwerterfassung an als drehbar angetriebene, koaxiale Wellen ausgebildeten umlaufenden Bauteilen 2, 12 weist zur Erfassung von Drehmomenten und Drehzahlen jeweils gegeneinander gerichtete Zähne 5 an koaxialen Zahnscheiben 3, 4 auf, die an den Wellen 2, 12 angeordnet sind. Die Zähne 5 einer Zahnscheibe 3 ragen in Lücken zwischen den Zähnen 5 der gegenüberliegenden Zahnscheibe 4 und umgekehrt.
Ein Sensor 9 sitzt in einem Gehäuse 11 mittig über den Zahnscheiben 3, 4 und erzeugt beim Durchlauf eines Zahns 5 einer der Zahnscheiben 3, 4 jeweils mindestens ein Signal, das über ein Kabel 10 an eine Elektronik (nicht dargestellt) zur Auswertung weitergeleitet wird.
Die als erster Abschnitt ausgebildete Welle 2 ist auf der als zweiter Abschnitt ausgebildeten Welle 12 des umlaufenden Bauteils mit einem Kugellager 13 gegeneinander verdrehbar gelagert und die Zahnscheiben 3, 4 sind auf den Wellen 2, 12 zueinander axial verschieblich verbunden. Zahnscheibe 4 ist hierzu an einem Innendurchmesser mit einer Profilverzahnung 14 auf der Welle 2 axial verschieblich geführt. Auf der Welle 2 ist ein Anschlag 8 vorgesehen. Die Zahnscheibe 4 ist über eine Tellerfeder 7 am Anschlag 8 abgestützt. Die Zahnscheiben 3, 4 weisen in Umfangsrichtung paarweise zugeordnete schiefe Ebenen 15, 16 auf, zwischen denen Wälzkörper 6 eingelegt sind.
Im drehmomentfreien Zustand liegen die Wälzkörper 6 jeweils am tiefsten Punkt an den schiefen Ebenen 15, 16 an. Bei anliegendem Drehmoment verdrehen sich die Wellen 2, 12 zueinander, wobei die paarweise zugeordneten schiefen Ebenen 15, 16 mit den Zahnscheiben 3, 4 zueinander verdreht und von den Wälzkörpern 6 auseinander gedrückt werden gegen den Widerstand der am Anschlag 8 auf der Welle 2 befestigten Tellerfeder 7. Das Maß der Verdrehung korreliert mit der axialen Verschiebung der Zahnscheiben 3, 4, so daß das anliegende Drehmoment der Kompression der Tellerfeder 7 mit bekannter Steifigkeit entspricht.
Fig. 3: Es sind schematisch die Zähne 5 der Zahnscheiben 3, 4 der mit Drehmoment belasteten Wellen 2, 12 abgewickelt und darüber ein Diagramm der vom Sensor 9 entsprechend erzeugten Signale dargestellt. Sensor 9 erzeugt ein Signal "Low" wenn keiner der Zähne 5 der Zahnscheiben 3, 4 erfaßt ist und ein Signal "High", wenn einer der Zähne 5 der Zahnscheiben 3, 4 erfaßt ist. Die Lücken zwischen den Zähnen 5 einer der Zahnscheiben 3 oder 4 sind immer 3 mal so groß wie die Breite eines der von der gegenüberliegenden Zahnscheiben 3 oder 4 in die Lücke greifenden Zähne 5.
Die Zähne 5 der Zahnscheiben 3, 4 der mit Drehmoment belasteten Wellen 2, 12 weisen von Vorderkante eines Zahns 5 bis Vorderkante des folgenden Zahns 5 der selben Zahnscheibe 3 oder 4 einen Abstand X auf. Von der Hinterkante eines Zahns 5 der Zahnscheibe 3 bis zur Vorderkante des folgenden Zahns 5 der gegenüberliegenden Zahnscheibe 4 ist eine Lücke mit der Breite Y und von der Hinterkante eines Zahns 5 der gegenüberliegenden Zahnscheibe 4 bis zur Vorderkante des folgenden Zahns 5 der Zahnscheibe 3 ist eine Lücke mit der Breite Z. Abstand X und die Breiten Y und Z werden vom mittig über den Zahnscheibe 3 und 4 angeordneten Sensor 9 mit der abgebildeten Abfolge von Signalen "Low" und "High" erfaßt und zur elektronischen Auswertung vermittelt. Das Verhältnis Y/Z ist in der elektronischen Auswertung als Maß für das an den Wellen 2, 12 übertragene Drehmoment zu verwenden, wobei aus einer Änderung des Verhältnisses von > 1 nach < 1 eine Änderung der Richtung des an den Wellen 2, 12 übertragenen Drehmoments abgeleitet werden kann.
Die Drehzahl der Wellen 2, 12 ist aus der Zeitdauer ermittelbar, die der Sensor 9 misst für das Vorbeidrehen der immer gleichen Abstände X zwischen den Zähnen 5 einer Zahnscheibe 3 oder 4 und der bekannten Anzahl dieser Zähne 5 an einer Zahnscheibe 3 oder 4.
Fig. 4: Es sind schematisch die Zähne 5 der Zahnscheiben 3, 4 der drehmomentfreien Wellen 2, 12 abgewickelt und darüber ein Diagramm der vom Sensor 9 wie in Fig. 3 entsprechend erzeugten Signale dargestellt. Sensor 9 erzeugt Signale "Low und "High mit gleichen Breiten, da alle Kanten der Zähne 5 gleiche Abstände zu einander haben.
Fig. 5, 6: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus den vorhergehenden Figuren bezeichnet. Die Zahnscheiben 3, 4 auf den Wellen 2, 12 weisen in Umfangsrichtung Federn 6 auf, die sich mit einem Ende an der Zahnscheibe 3 und mit dem anderen Ende an der Zahnscheibe 4 abstützen. Bei anliegendem Drehmoment wirken die Federn 6 der Verdrehung der Zahnscheiben 3, 4 entgegen, so daß sich Abstände Y, Z zwischen den Zähnen 5 einstellen, die dem Drehmoment entsprechen. Die Erfassung von Drehmomenten und Drehzahlen mittels Sensor 9 ergibt sich wie in den Beschreibungen zu den Fig. 1 bis 4. Bezugszeichen 1 Vorrichtung zur Messwerterfassung
2 Wellen
3 Zahnscheiben
4 Zahnscheiben
5 Zähne
6 Wälzkörper, Feder
7 Feder
8 Anschlag
9 Sensor
10 Kabel
11 Gehäuse
12 Welle
13 Kugellager
14 Profilverzahnung
15 schiefe Ebene
16 schiefe Ebene

Claims

1. Vorrichtung (1) zur Messwerterfassung an umlaufenden Bauteilen (2, 12), insbesondere zur Erfassung von Drehmomenten und Drehzahlen an drehbar angetriebenen Wellen, mit jeweils gegeneinander gerichteten Zähnen (5) koaxialer Zahnscheiben (3, 4) an zueinander gegen Widerstand verdrehbaren ersten und zweiten Abschnitten des Bauteils (2, 12), wobei die Zähne (5) der einen Zahnscheibe (3) in Lücken zwischen Zähne (5) der gegenüberliegenden Zahnscheibe (4) ragen, und einem Sensor (9), der über den Zahnscheiben (3, 4) sitzt und beim Durchlauf eines Zahns (5) einer der Zahnscheiben (3, 4) jeweils mindestens ein Signal erzeugt, das an eine Elektronik zur Auswertung weitergeleitet wird.

2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) mittig über den Zahnscheiben (3, 4) sitzt.

3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (5) einer Zahnscheibe (3, 4) bei drehmomentfreiem Bauteil (2, 12) mittig in die Lücken zwischen den Zähnen (5) der gegenüberliegenden Zahnscheibe (3, 4) ragen.

4. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken zwischen den Zähnen (5) der Zahnscheiben (3, 4) dreimal so breit sind wie einer der Zähne (5).

5. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnteilung der Zahnscheiben (3, 4) gleich ist.

6. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (2, 12) des Bauteils im anderen zur Übertragung von Drehmomenten und axial verschieblich gelagert ist.

7. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Abschnitt (2) des Bauteils zum anderen (12) gegen eine Feder (7) axial verschieblich ist.

8. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zahnscheiben (3, 4) des Bauteils (2, 12) jeweils in Umfangsrichtung mindestens zwei zur linken oder rechten Seite auslaufende, schiefe Ebenen (15, 16) vorgesehen sind zwischen denen Wälzkörper (6) anliegen.

9. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zahnscheiben (3, 4) des Bauteils (2, 12) jeweils in Umfangsrichtung verteilte Federn (6) eingelassen sind, an denen sich die Zahnscheiben (3, 4) jeweils gegenseitig abstützen.