DE19757007A1

DE19757007A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten

Info

Publication number: DE19757007A1
Application number: DE1997157007
Authority: DE
Inventors: Thomas Ullmann; Anton Dukart; Klaus Dr Marx; Franz Dr Jost; Hans-Juergen Herderich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-20
Filing date: 1997-12-20
Publication date: 1998-08-20

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrich tung zur Erfassung von Drehmomenten, insbesondere über eine Torsionsmessung an Achsen oder Wellen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bereits aus der US-PS 5,501,110 eine Sensoranord nung bekannt, bei der das auf eine Achse übertragene Drehmoment erfaßt werden soll. Das Drehmoment wird aus der Torsion bzw. dem Verdrehwinkel der Achsenden und ei ner Konstante, die vom Material und der Geometrie der Achse abhängt, bestimmt. Es sind hierbei zwei Magnete und jeweils ein den Magneten gegenüberliegender Hall-Sensor auf zwei sich jeweils mit der Achse drehenden Scheiben angebracht, die an die Achsenden mechanisch fest angekop pelt sind.

Ferner ist es für sich gesehen bekannt, daß bei einer Phasenwinkel-Momentmeßeinrichtung, von der die Erfindung als Stand der Technik ausgeht, an drei in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Stellen durch die Drehung einer Welle elektrische Impulse erzeugt werden. Auch hier ver ursacht das auf die Welle wirkende Drehmoment eine Torsi on und damit eine Phasenwinkelverschiebung zwischen den einzelnen Meßstellen. Diese Phasenwinkelverschiebung ist über eine entsprechende Impulsphasenverschiebung an den Meßstellen erfaßbar.

Beispielsweise zur Erfassung des auf eine Getriebeachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen gemessen werden. Bei der Auswertung der Meßergebnisse sind hier bei insbesondere Einflüsse relativ hoher Temperaturen auf das Meßergebnis zu berücksichtigen.

Vorteile der Erfindung

Das gattungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Drehmomen tes an Achsen oder Wellen ist mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise wei tergebildet, da hier eine besonders genaue und tempera turstabile Messung ermöglicht ist.

Es werden in an sich bekannter Weise an drei Meßstellen von der Drehbewegung abhängige Impulssignale generiert und jeweils mittels Sensoren erfaßt. Während der Drehung kann aus den Zeitabständen mindestens zweier Sensorsigna le ein Verdrehwinkel und damit eine dem Drehmoment ent sprechende Torsion der Achse oder Welle bestimmt werden.

Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise ein erster Zeitabstand D₁₂ aus den detektierten Sensorsignalen von zwei an einem Bereich der Achse oder Welle beieinander liegenden Meßstellen und ein zweiter Zeitabstand D₁₃ aus den Sensorsignalen von den zwei äußeren jeweils an axial versetzten Bereichen auf der Achse oder Welle liegenden Meßstellen ermittelt. Es kann somit auf einfache Weise ein dynamisches Meßsignal durch die Bestimmung der dyna mischen Änderung des Quotienten D₁₃/D₁₂ aus dem ersten und dem zweiten Zeitabstand als ein Maß für die Torsion und damit für das auf die Achse oder Welle wirkende Drehmo ment herangezogen werden. Wenn die Achse oder Welle keine Torsion aufweist, so ist der oben beschriebene Quotient konstant; eine Abweichung vom konstanten Wert ist somit ein Maß für die Torsion.

Ein genaue Messung läßt sich erfindungsgemäß durchführen, wenn die Periodendauer der an den jeweiligen Meßstellen generierten Impulssignale in etwa dem maximalen Verdreh winkel der Achse oder Welle entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Verfahrens wird in vorteilhafter Weise aus den analo gen Verläufen der Sensorsignale nach dem Drehbeginn der Achse oder Welle ein Offsetsignal aus der Summe der je weiligen minimalen und maximalen Amplitude dividiert durch den Faktor 2 gebildet. Mit diesem Offsetsignal kann ein Triggersignal für die Signalflanken des jeweiligen Sensorsignals unabhängig von der Größe des Signals gewon nen werden, womit eine genaue und insbesonders tempera turstabile Bestimmung des ersten und des zweiten Zeitab standes möglich ist.

In vorteilhafter Weise kann eine Vorrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch reali siert werden, daß die Impulssignale auf einfache Weise von radial fest auf der Achse oder Welle angeordneten magnetischen Multipolen oder von weichmagnetischen Loch scheiben an den jeweiligen Meßstellen generiert werden, wobei die Magnete Feldänderungen in Abhängigkeit von der Umdrehung aussenden, die von entsprechenden, der jeweili gen Meßstelle zugeordneten Sensoren detektiert werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform werden die Impuls signale von radial fest auf der Achse oder Welle angeord neten Lochscheiben an den jeweiligen Meßstellen gene riert, wobei die Lochscheiben Lichtimpulse in Abhängig keit von der Umdrehung aussenden, die von entsprechenden, der jeweiligen Meßstelle zugeordneten Sensoren detek tiert werden.

Als Anwendungsgebiet kommen für die erfindungsgemäße Meßmethode insbesondere eine Drehmomentenmessung an Ach sen oder Wellen in einem Getriebe für ein Kraftfahrzeug in Frage, da hier auch bei großen Temperaturschwankungen eine stabile und genaue Messung erforderlich ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung als Meßaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit jeweils einer weichmagnetischen Lochscheibe an den Meßstel len;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit jeweils einer Scheibe mit magnetischen Multipolen an den Meßstellen und

Fig. 3 ein Diagramm mit den an den Flanken von Sen sorsignalen bestimmbaren Zeitabständen zur Erfassung eines Verdrehwinkels auf der Welle.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Drehmomentenmessung mit Meßstellen 1 und 2 an einem Ende und einer Meßstelle 3 an einem anderen Ende der Meßanordnung auf einer Welle 4 dargestellt. Die Meßstellen 1, 2 und 3 bestehen aus ma gnetfeldempfindlichen Sensoren 5, 6 und 7 und benachbart angeordneten Arbeitsmagneten 8, 9 und 10. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein magnetisches Meßprinzip, bei dem magnetische Feldimpulse durch eine sich jeweils an der Meßstelle 1, 2 und 3 mit der Welle 4 drehende weichmagnetische Lochscheibe 11 und 12 erzeugt werden.

Alternativ zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 jeweils Scheiben 20 und 21 an den Meßstellen 1, 2 und 3 angeordnet, auf denen sich magnetische Multipole 22 befinden, die dann mit ei nem durch die Drehung sich ändernden Magnetfeld auf ent sprechende Sensoren 5, 6 und 7 einwirken. Bei dieser An ordnung kann damit auf die Zuordnung von Arbeitsmagneten zu den Sensoren 5, 6 und 7 verzichtet werden.

In Fig. 3 sind die detektierten Impulsverläufe an den Sensoren 5, 6 und 7 in Abhängigkeit von der Zeit t in ei nem Diagramm gezeigt. Ein erster Zeitabstand D₁₂ wird hier aus den Anstiegsflanken der detektierten Sensorsig nale der Sensoren 5 und 6 an den Meßstellen 1 und 2 und ein zweiter Zeitabstand D₁₃ aus den Anstiegsflanken der Sensorsignalen der Sensoren 5 und 7 an den Meßstellen 1 und 3 ermittelt.

Bei den Ausführungsbeispielen kann ein dynamisches Meß signal zur Bestimmung des auf die Welle 4 wirkenden Drehmomentes durch die Bestimmung der dynamischen Ände rung des Quotienten D₁₃/D₁₂ aus dem ersten und dem zweiten Zeitabstand als ein Maß für die Torsion der Welle 4 ge messen werden. Wenn die Welle 4 keine Torsion aufweist, so ist der oben beschriebene Quotient über der Zeit t konstant; eine Abweichung vom konstanten Wert ist somit ein Maß für die Torsion.

In der Regel werden mit den Sensoren 5, 6 und 7 hier nicht gezeigte analoge Verläufe der Sensorsignale er zeugt. Mit einem Offsetsignal kann hierbei ein Triggersi gnal für die Signalflanken des jeweiligen Signals der Sensoren 5, 6 und 7 unabhängig von der analogen Größe des Signals gewonnen werden, womit eine genaue und insbeson ders temperaturstabile Bestimmung der Zeitabstände D₁₃, D₁₂ möglich ist. Dies wird erreicht, wenn nach dem Dreh beginn der Welle 4 das Offsetsignal aus der Summe der je weiligen minimalen und maximalen analogen Amplitude divi diert durch den Faktor 2 gebildet wird.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse oder Welle, bei dem

- an drei Meßstellen (1, 2, 3) von der Drehbewegung abhän gige Impulssignale generiert werden und jeweils mittels Sensoren (5, 6, 7) erfaßt werden und bei dem
- während der Drehung aus den Zeitabständen mindestens zweier Sensorsignale ein Verdrehwinkel und damit eine dem Drehmoment entsprechende Torsion der Achse oder Welle (4) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet daß
- ein erster Zeitabstand (D₁₂) aus den detektierten Sen sorsignalen von zwei auf der Achse oder Welle (4) beiein ander liegenden Meßstellen (1, 2) und ein zweiter Zeitab stand (D₁₃) aus den Sensorsignalen von den zwei axial ge geneinander versetzt auf der Achse oder Welle (4) liegen den Meßstellen (1, 3) ermittelt wird und daß
- eine Änderung des Quotienten (D₁₃/D₁₂)aus dem ersten und dem zweiten Zeitabstand als ein Maß für die Torsion und damit für das auf die Achse oder Welle (4) wirkende Drehmoment herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Periodendauer der an den jeweiligen Meßstelle (1, 2, 3) generierten Impulssignale in etwa gleich dem ma ximalen Verdrehwinkel der Achse oder Welle (4) ent spricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß

- aus den analogen Verläufen der Sensorsignale nach dem Drehbeginn der Achse oder Welle (4) ein Offsetsignal aus der Summe der jeweiligen minimalen und maximalen Amplitu de dividiert durch den Faktor 2 gebildet wird und daß
- der jeweilige Zeitpunkt des Auftretens des Offsetsignals das Triggersignal für die Signalflanken des jewei ligen Sensorsignals zur Bestimmung des ersten und des zweiten Zeitabstandes ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Impulssignale von radial fest auf der Achse oder Welle (4) an Scheiben angeordneten magnetischen Multipo len an den jeweiligen Meßstellen generiert werden, wobei die Magnete Feldänderungen in Abhängigkeit von der Umdre hung aussenden, die von entsprechenden, der jeweiligen Meßstelle (1, 2, 3) zugeordneten magnetfeldempfindlichen Sensoren (5, 6, 7) detektiert werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß

- die Impulssignale von auf der Achse oder Welle (4) an geordneten weichmagnetischen Lochscheiben (11, 12) an den jeweiligen Meßstellen (1, 2, 3) generiert werden, wobei magnetische Impulse in Abhängigkeit von der Umdrehung mit Arbeitsmagneten (8, 9, 10) erzeugbar sind und mit jeweils zugeordneten magnetfeldempfindlichen Sensoren (5, 6, 7) detektiert werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Impulssignale von radial fest auf der Achse oder Welle (4) angeordneten Lochscheiben an den jeweiligen Meßstellen generiert werden, wobei die Lochscheiben Lichtimpulse in Abhängigkeit von der Umdrehung aussenden, die von entsprechenden, der jeweiligen Meßstelle zuge ordneten Sensoren (5, 6, 7) detektiert werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Achse oder Welle (4) in einem Getriebe für ein Kraftfahrzeug angebracht ist.