DE19941683A1

DE19941683A1 - Messvorrichtung zur Ermittlung des drehmomentbedingten Torsionswinkels einer Welle

Info

Publication number: DE19941683A1
Application number: DE19941683A
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: DE19941683C2

Abstract

Meßvorrichtung zur Ermittlung des drehmomentbedingten Torsionswinkels einer Welle (1), insbesondere zur Berechnung des über die Welle (1) übertragenen Drehmoments, mit mindestens zwei an der Welle (1) angeordneten und bezüglich der Welle (1) feststehenden GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) zur Ermittlung des jeweiligen Drehwinkels der Welle (1), wobei die beiden GMR-Sensoren (2.1, 3.1 bzw. 2.2, 3.2) axial zueinander beabstandet angeordnet sind, um aus den beiden gemessenen Drehwinkeln den drehmomentbedingten Torsionswinkel der Welle (1) im Bereich zwischen den beiden GMR-Sensoren (2.1, 3.1 bzw. 2.2, 3.2) zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Ermittlung des drehmomentbedingten Torsionswinkels einer Welle, insbesondere zur Berechnung des über die Welle übertragenen Drehmomentes, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Messung des über eine Antriebswelle über tragenen Drehmomentes Dehnungsmeßstreifen auf der Mantelflä che der Antriebswelle anzubringen, wobei die Dehnungsmeß streifen durch die drehmomentbedingte Torsion der Antriebs welle verformt werden, so daß die Verformung der Dehnungsmeß streifen eine Berechnung des über die Antriebswelle übertra genen Drehmomentes ermöglicht. Hierzu ist auf der Welle eine rotierende Meßelektronik befestigt, die ihre Daten kontaktlos an eine stationäre Elektronik überträgt. Nachteilig an diesem bekannten Meßverfahren ist also die Notwendigkeit einer ro tierenden Meßelektronik mit einer aufwendigen Datenübertra gung von der rotierenden Meßelektronik zu der feststehenden Auswertungseinheit.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Messung des über eine Welle übertragenen Drehmomentes sind an der Welle in ei nem vorgegebenen axialen Abstand zueinander zwei Sensoren an gebracht, welche jeweils den Drehwinkel der Welle an den bei den Meßpunkten messen, so daß sich der Torsionswinkel und da mit indirekt auch das Drehmoment als Differenz der beiden ge messenen Drehwinkel ergibt. Als Sensoren für die Bestimmung des Drehwinkels können beispielsweise optische Inkrementalge ber (engl. rotary encoder) verwendet werden. Nachteilig an dieser Meßmethode ist jedoch die relativ geringe Drehwinke lauflösung, so daß das Drehmoment nur relativ ungenau be stimmt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Meßvor richtung zur Ermittlung des drehmomentbedingten Torsionswin kels einer Welle zu schaffen, die bei möglichst geringem bau lichen Aufwand eine möglichst genaue Drehmomentbestimmung er möglicht.

Die Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschriebenen bekannten Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, als Sensor zur Bestimmung des Drehwinkels einer Welle einen soge nannten GMR-Sensor (Giant Magneto Resistor) zu verwenden, dessen elektrischer Widerstand durch ein äußeres Magnetfeld verändert werden kann, was eine erheblich größere Drehwinke lauflösung und damit eine exaktere Drehmomentbestimmung als bei Verwendung von optischen Drehwinkelgebern erlaubt. Derar tige GMR-Sensoren sind bekannt, so daß im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung von GMR-Sensoren verzichtet und diesbezüglich auf den einschlägigen Stand der Technik verwie sen wird.

In einer Variante der Erfindung erfolgt die Ansteuerung der GMR-Sensoren jeweils durch eine an der Welle befestigte Ma gnetanordnung, die sich mit der Welle dreht, so daß sich das auf die GMR-Sensoren wirkende Magnetfeld und damit deren elektrischer Widerstand bei einer Drehung der Welle laufend ändert.

Bei einer anderen Variante der Erfindung ist dagegen zur An steuerung der GMR-Sensoren eine bezüglich der Welle festste hende Magnetanordnung vorgesehen, die neben den GMR-Sensoren angeordnet ist, wobei sich auf der Mantelfläche der Welle im Bereich der GMR-Sensoren eine zahnradartige Struktur befin det. Bei einer Drehung der Welle liegt dem GMR-Sensor also abwechselnd ein Zahn und ein Luftspalt gegenüber, so daß sich das auf den GMR-Sensor wirkende Magnetfeld und damit dessen elektrischer Widerstand bei einer Drehung der Welle laufend ändert.

Vorzugsweise sind an der Welle axial zueinander beabstandet mindestens zwei bezüglich der Welle feststehende GMR-Sensoren angeordnet, die durch zwei Magnetanordnungen angesteuert wer den, die sich mit der Welle drehen. Eine Drehung der Welle führt also zu einer Widerstandsänderung der beiden GMR- Sensoren, so daß der elektrische Widerstand der beiden Senso ren eine Berechnung des Drehwinkels erlaubt. Der Torsionswin kel und damit indirekt auch das über die Welle übertragene Drehmoment ergeben sich als Differenz der von den beiden GMR- Sensoren erfaßten Drehwinkel.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Meß vorrichtung nicht nur zwei zueinander axial beabstandete GMR- Sensoren auf, sondern es sind in einem vorgegebenen axialen Abstand zueinander an der Welle zwei bezüglich der Welle feststehende Paare von GMR-Sensoren angeordnet. Entsprechend sind auf der Welle zwei Paare von Magnetanordnungen ange bracht, die sich mit der Welle drehen und dabei die GMR- Sensoren ansteuern. Wichtig ist hierbei, daß die Magnetanord nungen eines Paares und/oder die GMR-Sensoren eines Paares bezüglich der Drehachse der Welle um einen vorgegebenen Win kel relativ zueinander verdreht angeordnet sind, damit zu sätzlich zur Bestimmung des Torsionswinkels auch die Tor sionsrichtung der Welle ermittelt werden kann. Vorzugsweise sind die Magnetanordnungen eines Paares und/oder die GMR- Sensoren eines Paares hierbei um einen Winkel von 90° relativ zueinander verdreht angeordnet.

Bei einer Drehung der Welle mit einer konstanten Winkelge schwindigkeit liefern die einzelnen GMR-Sensoren jeweils ein sinusförmiges Ausgangssignal, wobei sich der Drehwinkel di rekt aus dem Ausgangssignal des GMR-Sensors ergibt, wohinge gen die Drehrichtung aus dem Verhältnis der Ausgangssignale der beiden GMR-Sensoren eines Paars ermittelt wird. Die vor stehend beschriebene Anordnung mit um 90° relativ zueinander verdrehten GMR-Sensoren bietet den Vorteil, daß stets einer der beiden GMR-Sensoren eines Paares im weitgehend linearen Bereich ausgesteuert ist und deshalb ein relativ gutes Klein signalverhalten aufweist. Bei der Bestimmung des Drehwinkels bzw. bei der Berechnung des Torsionswinkels aus den beiden gemessenen Drehwinkeln werden deshalb vorzugsweise die Aus gangssignale derjenigen GMR-Sensoren verwendet, deren Aus gangssignal gerade im weitgehend linearen Bereich der Si nuskurve liegt. Hierzu können die Ausgangssignale der beiden GMR-Sensoren eines Paares jeweils mit einem Schwellwert ver glichen werden, wobei die Auswertungseinheit auf den anderen GMR-Sensor umschaltet, wenn der Absolutwert des Ausgangs signals des aktuellen GMR-Sensors den vorgegebenen Schwell wert überschreitet, da das Ausgangssignal des aktuellen GMR- Sensors dann in den nichtlinearen Bereich der Sinuskurve hin einläuft.

Die vorstehend erwähnten Magnetanordnungen zur Ansteuerung der GMR-Sensoren bestehen vorzugsweise aus einer auf der Man telfläche der Welle angeordneten und über den gesamten Umfang der Welle umlaufenden Magnetschicht, wobei die Polarisierung der Magnetschicht über den Umfang wechselt, so daß sich die Richtung des auf die GMR-Sensoren wirkenden Magnetfeldes bei einer Drehung der Welle ständig ändert. Vorzugsweise besteht eine derartige Magnetschicht aus einer Vielzahl von über den Umfang der Mantelfläche der Welle verteilt angeordneten Per manentmagneten, die alle im wesentlichen axial, radial oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist zur Lage rung der Welle ein Gleitlager vorgesehen, das als öl eigenförderndes Gleitlager ausgebildet ist, wobei die auf der Mantelfläche der Welle angebrachte Magnetschicht mit einem Teil ihrer Ausdehnung eine Lagerfläche dieses Gleitlagers bildet. Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr von Öl hierbei durch einen Feinstfilter.

Schließlich ist es auch möglich, die Magnetanordnung zur An steuerung der GMR-Sensoren nicht auf der Mantelfläche der Welle, sondern an deren Stirnseiten anzuordnen, was insbeson dere bei solchen Wellen in Frage kommt, bei denen die Stirn seiten der Welle frei sind.

Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist, daß die Drehwinkelauflösung und damit die Genauigkeit bei der Bestimmung des von der Welle übertragenen Drehmomen tes wesentlich größer ist als bei dem eingangs beschriebenen optischen Drehwinkelgeber, da die auf einer Mantelfläche der Welle angebrachte Magnetschicht wesentlich feiner aufgeteilt werden kann. So läßt sich beispielsweise ein Polabstand von 10-15 µm realisieren, was bei einem Wellendurchmesser von 21 mm zu einer Dipoldichte von 3,3 . 10⁶ Dipolen/mm und ent sprechend zu einer Winkelauflösung von 10^-4°/Schritt führt.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei gen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin dung eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des drehmomentbedingten Torsionswinkels einer An triebswelle,

Fig. 2 die Ausgangssignale der beiden GMR-Sensoren der Meßvorrichtung aus Fig. 1 als Diagramm,

Fig. 3 bis 5 verschiedene mögliche Magnetanordnungen zur An steuerung der GMR-Sensoren sowie

Fig. 6 eine alternative Anordnung der GMR-Sensoren mit einer feststehenden Magnetanordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßvorrichtung dient zur Bestim mung des drehmomentbedingten Torsionswinkels einer Antriebs welle 1 - beispielsweise einer Brennkraftmaschine - mit einem Durchmesser von 21 mm, um anschließend aus dem gemessenen Torsionswinkel das über die Antriebswelle 1 übertragene Drehmoment berechnen zu können.

Hierzu sind seitlich neben der Antriebswelle 1 in einem vor gegebenen axialen Abstand zueinander zwei Paare von GMR- Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 angebracht, wobei jedes Paar der GMR-Sensoren 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 jeweils den Drehwinkel und die Drehrichtung der Antriebswelle 1 an den jeweiligen Meßpunkten erfaßt. Die Ansteuerung der GMR-Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 erfolgt durch Magnetschichten 4.1, 4.2 bzw 5.1, 5.2, die auf die Mantelfläche der Antriebswelle 1 jeweils im Be reich der GMR-Sensoren 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 aufgebracht sind, wobei jede der Magnetschichten 4.1, 4.2 bzw. 5.1, 5.2 aus einer Vielzahl von über den Umfang der Mantelfläche der Antriebswelle 1 verteilt angeordneten Permanentmagneten 6 mit abwechselnder Polarität besteht. So zeigt Fig. 3 die Anord nung der einzelnen Permanentmagneten 6 in den einzelnen Ma gnetschichten 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, wobei ersichtlich ist, daß die einzelnen Permanentmagneten 6 jeweils axial ausgerichtet sind. Bei einer Drehung der Antriebswelle 1 ändert sich also laufend das auf die GMR-Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 wirkende Magnetfeld und damit der elektrische Widerstand des jeweili gen GMR-Sensors 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, so daß sich ein sinusför miger Verlauf des Ausgangssignals der einzelnen GMR-Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 ergibt, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Die einzelnen Magnetschichten 4.1, 4.2 bzw. 5.1, 5.2 eines Paares sind hierbei jeweils um einen Winkel relativ zueinan der verdreht angeordnet, welcher der halben Breite eines der Permanentmagneten 6 entspricht, so daß die Ausgangssignale der GMR-Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 eines Paares jeweils um 90° zueinander zeitlich versetzt sind, wie aus Fig. 2 er sichtlich ist. Zum einen ermöglicht dies neben der Bestimmung des Drehwinkels und damit des Torsionswinkels auch die Er mittlung der Drehrichtung und damit der Torsionsrichtung, in dem die Ausgangssignale der GMR-Sensoren 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 eines Paares miteinander verglichen werden. Zum anderen ermöglicht die Verwendung von zwei Paaren von GMR-Sensoren 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 eine exaktere Erfassung auch von kleinen Drehwinkeländerungen, da sich stets einer der beiden GMR- Sensores 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 eines Paares im weitgehend linearen Bereich der jeweiligen Sinuskurve befindet, so daß die Auswerteelektronik zur Bestimmung des Drehwinkels laufend zwischen den beiden GMR-Sensoren 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 eines Paares umschaltet.

Weiterhin zeigt Fig. 1 ein Gleitlager 7 sowie ein Notlaufla ger 8, wobei sich die Magnetschicht 4.1 bis in den Bereich des Notlauflagers 8 und des Gleitlagers 7 erstreckt und somit ein Lagerfläche für diese Lager bildet.

Fig. 4 zeigt eine alternative Anordnung der einzelnen Perma nentmagneten 6 in der Magnetschicht, wobei die Permanentma gneten 6 in der Darstellung gemäß Fig. 4 in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

Fig. 5 zeigt schließlich schematisch die Antriebswelle 1 mit einer Magnetschicht, in der die einzelnen Permanentmagneten jeweils radial ausgerichtet sind, wobei die Größenverhältnis se in der Zeichnung zur Verdeutlichung der radialen Ausrich tung der Permanentmagneten verändert wurden. Tatsächlich wei sen die einzelnen Permanentmagenten nur eine radiale Erstrec kung von einem Bruchteil des Durchmessers der Antriebswelle auf.

Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung eines GMR-Sensors 9 un terscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen im wesentlichen dadurch, daß die Ansteuerung des GMR-Sensors 9 hierbei durch einen feststehenden Permanentma gneten 10 erfolgt, der auf der der Antriebswelle abgewandten Seite des GMR-Sensors 9 angeordnet ist, wobei die Antriebs welle hierbei nur ausschnittweise im Bereich ihrer Mantelflä che dargestellt ist. Zur Modulierung des Ausgangssignals des GMR-Sensors 9 ist auf der Mantelfläche der Antriebswelle eine zahnradartige Struktur mit hervorstehenden Zähnen 11 ange bracht ist, so daß dem GMR-Sensor 9 bei einer Drehung der An triebswelle abwechselnd ein Zahn 11 und ein Luftspalt 12 ge genübersteht. Das auf den GMR-Sensor 9 wirkende Magnetfeld und damit der elektrische Widerstand des GMR-Sensors 9 ändert sich also bei einer Drehung der Antriebswelle, was eine Be rechnung des Drehwinkels aus dem elektrischen Widerstand des GMR-Sensors 9 ermöglicht.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. Meßvorrichtung zur Ermittlung des drehmomentbedingten Tor sionswinkels einer Welle (1), insbesondere zur Berechnung des über die Welle (1) übertragenen Drehmoments, mit
mindestens zwei an der Welle (1) angeordneten und bezüglich der Welle (1) feststehenden Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) zur Ermittlung des jeweiligen Drehwinkels der Welle (1),
wobei die beiden Sensoren (2.1, 3.1 bzw. 2.2, 3.2) axial zu einander beabstandet angeordnet sind, um aus den beiden ge messenen Drehwinkeln den drehmomentbedingten Torsionswinkel der Welle (1) im Bereich zwischen den beiden Sensoren (2.1, 3.1 bzw. 2.2, 3.2) zu bestimmen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) als GMR-Sensoren ausgebildet sind.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der beiden GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) zwei Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) vorgesehen sind, wobei die beiden Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) jeweils einem der beiden GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) zugeordnet sind und sich mit der Welle (1) drehen.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur zusätzlichen Bestimmung der Torsionsrichtung neben dem Torsionswinkel zwei axial zueinander beanstandete und be züglich der Welle (1) feststehende Paare von GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) vorgesehen sind, und
daß an der Welle (1) zur Ansteuerung der GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) entsprechend zwei Paare von Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) befestigt sind, die sich mit der Welle (1) drehen,
wobei die Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) eines Paares und/oder die GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) eines Paares bezüglich der Drehachse der Welle (1) um einen vorgegebenen Winkel relativ zueinander verdreht angeordnet sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) eines Paares oder die GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) eines Paares je weils um einen halben Polwinkel relativ zueinander verdreht angeordnet sind.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die GMR-Sensoren (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) jeweils zu der Man telfläche der Welle (1) benachbart angeordnet sind und die Magnetanordnungen (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) jeweils aus einer auf der Mantelfläche der Welle (1) umlaufenden Magnetschicht mit über den Umfang wechselnder Polarisierung bestehen.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Magnetschicht (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) eine Vielzahl von Permanentmagneten (6) enthält, die alle im we sentlichen axial, radial oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Welle (1) ein Gleitlager vorgesehen ist, wobei die Magnetschicht (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) mit einem Teil ihrer Ausdehnung eine Lagerfläche des Gleitlagers bildet.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetschicht (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) durch einen Schreibkopf beschreibbar ist, um die wechselnde Polarisierung zu erzeugen.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Magnetanordnungen (4.1, 4.1, 5.1, 5.2) an einer Stirnseite der Welle (1) angeordnet ist.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung der beiden GMR-Sensoren (9) eine bezüglich der Welle feststehende Magnetanordnung (10) vorgesehen ist, wobei zur Modulierung des Ausgangssignals der beiden GMR- Sensoren (9) auf der Mantelfläche der Welle ein zahnradartige Struktur (11, 12) angebracht ist, die sich mit der Welle dreht.