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Berührungslose Übertragungssysteme für Drehmomentmeßnaben werden
heute z B. nach dem Patent
DE
3922556 bereits realisiert. Sie bestehen aus einem rotierenden
Meßkörper mit
Meßverstärker und
Telemetriesender eine Rotorantenne und eine Signal Pick UP mit nachgeschaltetem
Empfänger. Derartige
Systeme werden im wesentlichen für
drehende Wellen ohne radiale Zusatzbewegung verwendet. Bei großen radialen
Bewegung würde
der Abstand zwischen Rotorantenne und Pick Up sehr groß werden,
was zu Signalübertragungsproblemen
wegen der notwendigen Energieübertragung
führen würde. Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung von Sensorsignalen
an drehenden Wellen, welche neben der Drehbewegung auch noch eine hohe
radiale oder/und axiale Bewegung ausführt nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. In der Regel wird an den Wellen, das Drehmoment währende der Rotation
erfasst. Bei diesen Wellen handelt es sich üblicher Weise um Gelenkwellen
an Fahrzeugen oder Prüfständen. Gerade
die Seitenabtriebswellen zu den Rädern von Autos weisen diese
starke Bewegung während
des Fahrbetriebs auf. Ähnliche
Problematik ergibt sich bei Antriebsspindeln im Stahlwerk oder bei
Schwenkantrieben.
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Anordnungen zur Übertragung von Sensorsignalen
von Gelenkwellen sind bereits bekannt und zählen zum Stand der Technik.
Eine Variante sind Schleifringe, welche auf die Wellen geschoben
werden. Sie bestehen aus einem Rotorteil und einen Statorteil welche über ein
Lager geführt
werden. Der Rotorteil des Schleifrings wird mit dem Wellenkörper verspannt.
Der Statorteil (Schleifkontakte) werden gegen Verdrehung an der
Chassis fixiert. Ein flexibles Kabel zwischen Statorteil und stationären Meßverstärker sichert
die Bewegungsfreiheit der Wellen in allen Richtungen. Der Schleifring
verschlechtert die Qualität
des Signals erheblich. Gewünscht
wird jedoch vom Meßingenieur
eine Signalqualität
auf der stationären
Seite, welche vergleichbar ist mit der Qualität einer stationären Meßstelle.
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Ein Problem der Schleifringanordung
ist der Verschleiss (Schleifringbahnen). Ein weiteres Problem ist
die unzureichende Umweltfestigkeit. Üblicher Weise wird im harten
Fahr- oder Versuchsbetrieb die Anordnung Schmutz, Wasser und hohen Stoßbeschleunigungen
ausgesetzt, was zu Signalaussetzern aufgrund des Abhebens der Schleifringkontakte
führt.
Die allgemeine Übertragungsqualität des Sensorsignals
hängt entscheidend
von der Reinheit der Schleifringoberfläche ab. Trotz Kapselung oxidiert
im Laufe der Zeit die Lauffläche,
was zu wechselnden Übergangswiderständen führt und
das Sensorsignal verfälscht.
Neben der Verfälschung wird
auch ein starkes Rauschsignal produziert, was zu einer Verringerung
der Auflösung
des Sensorsignals führt.
Diese Effekte nehmen mit zunehmendem Alter erheblich zu. Und gerade
darin liegt ein erhebliches Problem des Schleifrings.
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Um den Problemen mit den Schleifringen aus
dem Wege zu gehen, hat man häufig
telemetrische Übertragungsstrecken
eingesetzt. Derartige Verfahren sind bekannt. Diese arbeiten wegen
der notwendigen Speiseenergieübertragung
nach dem transformatorischen Prinzip und bestehen aus einer Stator-
und Rotorspule. Die Statorspule ist hierbei an der Chassis befestigt
und die Rotorspule sitzt auf der Wellen. Wegen notwendiger Freigängigkeit
der Wellen (Gelenkwellen) in allen Richtungen zu gewährleisten,
muß die
Statorspule erheblich größer sein. Um
induktiv koppeln zu können,
müssen
wegen der relativ großen
Distanz zwischen Rotorspule und Statorspule die Spulen mittels Kondensatoren
zu Schwingkreisen ergänzt
werden. Um größtmögliche Reichweite
zu überbrücken werden
die Schwingkreise auf Resonanz (Strommaximierung in der Spule) gebracht.
Leider wird jedoch die Induktivität der Statorspule von Umgebenden
Metallteilen (Chassis, Bodenplatte, Querlenker, etc.) verändert, was
wiederum zu einer Verstimmung des Statorschwingkreises führt und
damit den Wirkungsgrad der Versorgungsenergieübertragung stark beeinträchtigt und
somit die störungslose
Signalübertragung
gefährdet.
Die Auslegung der Geometrie der Statorspule ist ebenfalls problematisch,
da in der Regel die Extrempunkte für die Bewegung der Gelenkwelle
falsch eingeschätzt
werden und nicht bekannt sind. Eine großzügige Dimension der Statorspulengröße ist in
der Regel durch eng liegende Chassis oder sonstige Metallteile am
Fahrzeug nicht möglich.
Obgleich das Verfahren bei ordnungsgemäßer Auslegung eine hohe Signalübertragungsqualität garantiert,
gibt es in der Praxis erhebliche Probleme bei der Anwendung und
Montage. Die Montage und Inbetriebsetzung kann nur durch qualifiziertes
Fachpersonal erfolgen. Bei jeder Neumontage wiederholt sich der
Vorgang. Hinzukommt, das gerade die neuen Fahrzeuggenerationen deutlich
enger bauen und zudem neuerdings eine Bodenplatte aus aerodynamischen
Gründen
besitzen.
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Alternative Übertragungswege auf der Ausseite
des Rades sind oft von Kundenseite nicht erwünscht, da sie eine gewisse
Unfallträchtigkeit
auf öffentlichen
Straßen
wegen des Überstands
in sich bergen und zudem die Meßeinrichtung
an Testfahrzeugen sichtbar machen. Gerade bei Erlkönigen (Neufahrzeuge
in der Ersterprobung) ist dies äußerst unerwünscht.
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Wünschenswert
ist eine Anordnung, welche die genannten Nachteile vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei
der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, kleine Sensorsignale
(im Millivoltbereich) von der drehenden Welle mittels einer gelagerten
kompakten kontaktlosen Übertragungseinheit
bei hoher Signalübertragungsqualität zu übertragen
und gleichzeitig Sensor und Sensorsignalverstärker mit Energie zu versorgen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Kontaktlose wartungsfreie Übertragungssysteme
von gleichzeitig drehenden und radial bewegten Teilen mit qualitativ
höher Signalübertragungsqualität sind von
großem
Interesse. Die Lösung
wird einerseits durch den integrierten einstellbaren Signalverstärker (10)
und andererseits durch die klar definierten Signalübertragungsverhältnisse
in der gelagerten Transformatorischen Einheit (17) erreicht.
Da in der Regel die Sensorsignale von Drehmomentsensoren (Dehnungsmeßstreifenbrücken) äußerst gering
sind (1 Mikrovolt bis 5 Millivoft) ist bei der Übertragung mit Schleifringen über mehrere
Meter Kabel das Sensorsignal durch EMV-Störungen resultierend aus dem
Fahrzeug sehr verwundbar. Der integrierte einstellbare Sensorsignalverstärker (10)
verstärkt
die Sensorsignale unmittelbar am Sensor. Dadurch wird eine EMV-Störungseinkopplung
vermieden. Das verstärkte
Sensorsignal ist äußerst robust
gegen EMV-Störungen.
Die ummittelbar nachgeschaltete Kodierung (digital oder frequenzmoduliert)
des verstärkten
Sensorsignals für
die kontaktlose Übertragung
hebt die Störsicherheit
weiter an. Die Einstellbarkeit des Sensorsignalverstärkers erlaubt
die Anpassung an verschiedene Sensorsignalpegel, was eine optimale
Ausnutzung des Dynamikbereiches des Verstärkers ermöglicht. Dies erfolgt in der
Regel mit lötbaren
Widerständen
oder Lötbrücken oder kann
in einer vorteilhaften Ausgestaltung ferngesteuert über die
bidirektionaie Telemetriemodemstrecke (20) erfolgen. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil ist die gelagerte transformatorische
Einheit (17). Sie garantiert eine wartungsfreie Übertragung
des Sensorsignals. Durch Lagerung des Stators (3) auf dem
Rotor (2) vollzieht der Stator (3) die komplette
radiale und axiale Bewegung der Welle (11). Obgleich dadurch das
flexible Verbindungskabel (8) die Bewegung aufnehmen muß, besitzt
die Einheit bei Verwendung von hochflexiblen Kabelmaterial nahezu
unbegrenzte Lebensdauer. Der wesentliche Vorteil ist, dass durch
die Lagerung die transformatorische Einheit (17) äußerst kompakt
aufgebaut werden, da keine radialen Toleranzen abgefangen werden
müssen.
Die gesamte Aufbauhöhe
kann somit auf weniger als 12 mm reduziert werden. Damit entfallen
alle Freigangbetrachtungen zwischen Welle und Fahrzeugchassis für die extremen
Einfederungssituationen und die Einheit kann bedenkenlos montiert
werden. Ein weiterer Vorteil ist eine einfache Montage. Sie kann
durch einen Mechaniker ohne elektrische Kenntnisse ausgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil ist die enge transformatorische Kopplung mit
hohem Kopplungsgrad. Sie sorgt für
einen hohen Energieübertragungswirkungsgrad
und damit geringere Realisierungskosten. Durch die kompakte Bauweise
ist ein hohes Maß an elektromagnetischer
Schirmung der transformatorischen Einheit (17) gegeben,
sodass mehrere gleichfrequente Systeme ohne gegenseitige Beeinflussung trotz
räumlich
nahe liegender Wellen betrieben werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
gegeben.
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Die Erfindung wird an Hand folgender
Figuren beschrieben.
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Es zeigt 1 die Anordnung zur Erfassung von Sensorsignalen
an drehenden Wellen. Der Gelenkwellenübertrager (1) nach
der Erfindung montiert auf einer Welle (11) mit auf der
Welle aufgebrachtem Sensor (14).
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2 zeigt
im Schnitt den inneren Aufbau des Gelenkwellenübertragers (1) mit
Signalverstärker
(7), Stator (6) – und Rotorkoppelelement (5),
sowie die Drehzahl Pick UP (16) und die Drehzahlmarken
(15).
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3 zeigt
den teilbaren Gelenkwellenübertrager
(1) an einer Welle (11) mit den verschraubten Halbschalen.
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4 zeigt
das elektrische Blockbild des Gelenkwellenübertragers (1) mit
Sensor (13), Rotor (2) und Stator (3)
sowie die Auswerteeinheit (9).
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Der wesentliche Grundgedanke der
vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, daß der Gelenkwellenübertrager
durch die kontaktlose Übertragung
verschleissfrei und wartungsfrei ist, einfach in der Handhabung
durch die rein mechanische Montage sowie der integrierte Transmitter
mit einstellbarem Signalverstärker
(7) die Signalübertragungsqualität entscheidend
verbessert. Durch die direkte Integration des Transmitters mit einstellbarem
Signalverstärker
(7) in den Gelenkwellenübertrager
(1) entfallen zudem Verbindungsleitungen zu einer eventuell
abgesetzten Koppeleinheit, die Befestigung und der Schutz vor Schmutz,
Steinschlag und Feuchtigkeit der Sensorsignalverstärker ist
durch die Integration gelöst.
Eventuelle Unwuchtprobleme durch eine getrennte Montage des Sensorsignalverstärker ist ebenfalls
bedeutungslos. Damit vereinfacht sich die Erfassung von Sensorsignalen
an drehenden Wellen vergleichbar mit stationären Meßstellen. Der Anwender schaltet
den Sensor (13) nur an den Gelenkwellenübertrager (1) an vergleichbar
mit der Anschaltung einer stationären Sensors an einen Meßverstärker.
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Das Lager besteht in der Regel aus
Rillenlager. Sie sind in vielen Druchmessern standardmässig verfügbar. Somit
können
sämtliche
erforderliche Wellendurchmesser realisiert werden. Durch die kompakte
Ausführung
ist er mechanisch einfach und schneller zu montieren als eine Telemetriestrecke aus
getrennten Elementen wie Rotor- und Statorspule sowie der eigentliche
Transmitter.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführung ist
der Gelenkwellenübertrager
(1) teilbar. Gelenkwellenübertrager (1) sind üblicherweise
mit Kreuzgelenken an den Enden ausgeführt. Diese Kreuzgelenke besitzen
einen wesentlich größeren Durchmesser als
die Welle selbst. Normaler Weise muß zur Montage eines Gelenkwellenübertragers
(1) ein Kreuzgelenk demontiert werden. Dies ist unerwünscht. Durch die
Teilbarkeit des Gelenkwellenübertragers
(1) entfällt
der Aufwand für
Demontage des Kreuzgelenkes. Ein weiterer Vorteil entsteht durch
die Verschraubung der beiden Halbschalen. Durch die Verschraubung der
Rotorhalbschalen wird der Rotor direkt auf die Welle geklemmt und
es entfallen zusätzliche
Maßnahmen
zur Verdrehsicherung zwischen Rotor (3) gegen die Welle
(7). Teilbare Lager sind am Markt verfügbar. Allerdings muß die transformatische
Einheit (17) ebenfalls geteilt werden. Dies bedingt normaler
Weise Kontaktstellen am Rotorkoppelelement (5) und Statorkoppelelement
(6), welche eine Fehlerquelle im rauhen Umfeld darstellen
können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eines der beiden Koppelelemente
als Teilsegment mit kleiner 180 ° oder
gar als Punktelement ausgeführt
werden. Damit kann eines der beiden Koppelelemente in einer Halbschale
angeordnet werden und somit die Zahl der Kontaktstellen halbiert
werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann
trotz Teilbarkeit komplett auf Kontaktstellen verzichtet werden.
Zu diesem Zweck wird der Gelenkwellenübertrager (1) nicht
mittig geteilt, sondern z. Beispiel bei 200 Graden. Sowohl Rotor
(5) – als
auch Statorkoppelelement (6) weisen eine Bogenlänge größer als
180 Grad auf. Dadurch wird sichergestellt, dass immer unabhängig von
der Winkelstellung des Rotors (2) Signalkontakt gegeben
ist. Bei der ungünstigsten
Winkelstellung ist z. B. bei einer Teilung bei 200 Grad die Überlappungszone
nur 20 Grad. Dies ist jedoch für
eine ordnungsgemässe
Signalübertragung
ausreichend. Bei 200 Grad ist auch die mechanische Montage
problemlos noch möglich,
da in der Regel das Lager (4) mit Spiel ausgelegt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist im
Transmitter mit einstellbaren Sensorsignalverstärker (7) zusätzlich ein
fernsteuerbarer Schalter (24) integriert. Dieser Schalter
kann über
die bidirektionale Telemetriestrecke (20) ferngesteuert
werden. Zu diesem Zweck generiert die Auswerteeinheit (9)
ein spezielle Sequenz, die zum Rotor (2) übertragen
wird und vom Transmitter mit einstellbaren Signalverstärker (7)
decodiert wird und den ferngesteuerten Schalter (24) aktiviert.
Die Schalter sind in der Regel auf Halbleiterbasis in Form von FET-Transistoren
aufgebaut. Sie erlauben ein spezielles Prüfsignal aufzuschalten oder über einen
Shuntwiderstand Sensoren auf Basis von Wheatstonebrücken definiert
zu verstimmen. Mit dieser Funktion kann die Übertragungsstrecke zu jedem
Zeitpunkt überprüft werden.
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Eine weitergehende vorteilhafte Ausführung des
Transmitters mit einstellbarem Signalverstärker (7) ist dessen
fernsteuerbare Einstellbarkeit des Meßbereichs und des Nullpunkts.
Dazu muß die
Auswerteeinheit (9) spezielle Sequenzen generieren, die vom
Transmitter mit einstellbarem Signalverstärker (7) dekodiert
werden und entsprechend die programmierbaren Signalverstärker steuern.
Programmierbare Signalverstärker
sind am Markt verfügbar.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung ist
der Transmitter mit einstellbarem Signalverstärker (7) als Flexprint
ausgeführt.
Elektronische Flexprints werden heute häufig in Kameras verwendet und
erlauben sehr kompakte Bauformen und lassen eine Konturanpassung
zu. Dieser Flexprint ermöglicht
die Anpassung der elektronischen Schaltung an jeden Wellendurchmesser
bei geringstem Platzbedarf. Dadurch kann die Aufbauhöhe und Breite
der Gelenkwellenübertrager
entscheidend minimiert werden.
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Bei bestimmten Anwendung ist eine
zusätzliche
Drehzahlerfassung oder Drehwinkelerfassung erwünscht. Dies dient um einen
Zusammenhang zwischen dem Sensorsignal und der Drehzahl herzustellen.
Aus den Meßgrößen Drehmoment
und Drehzahl kann beispielsweise der Leistungsfluß in der
Welle (11) berechnet werden. In einer weiteren Vorteilhaften
Ausführung
wird in dem Gelenkwellenübertrager (1)
eine zusätzliche
Drehzahlmesseinrichtung integriert. Sie besteht aus einer oder mehrer
Drehzahlmarken (15) am Rotor (2) und einer Drehzahl
Pick Up am Stator (3). Drehzahlmarken können beispielsweise Magnete,
oder ein Stahlzahnkranz oder optische Markierungen sein. Üblicher
Weise wird als Pick Up wegen der Robustheit ein Halsensor verwendet.
Je nach Ausführung
kann er sowohl magnetisch oder induktive Drehzahlmarken abtasten.
Drehzahl Pick UP's
sind Handelsware.
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- 1
- Gelenkwellenübertrager
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Lager
- 5
- Rotorkoppelelement
- 6
- Statorkoppelelement
- 7
- Transmitter
mit einstellbarem Signalverstärker
- 8
- flexibles
Verbindungskabel
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Signalverstärker
- 11
- Welle
- 12
- bidirektionales
Telemetriemodem (Rotor)
- 13
- bidirektionales
Telemetriemodem (Stator)
- 14
- Sensor
- 15
- Drehzahlmarken
- 16
- Drehzahl
Pick UP
- 17
- Transformatorische
Einheit
- 18
- Kontaktstellen
am Rotor
- 19
- Kontaktstellen
am Stator
- 20
- bidirektionale
Telemetriemodemstrecke
- 21
- Zahnkranz
- 22
- Halsensor
- 23
- Verschraubung
- 24
- ferngesteuerter
Schalter
- 25
- flexibles
Verbindungskabel