DE19757007A1 - Method of detecting torques on axle or shaft - Google Patents

Method of detecting torques on axle or shaft

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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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Abstract

The method involves using three measurement positions (1-3) at which rotation dependent pulse signals are generated and detected by sensors (5-7). A rotation angle and hence a torsion value corresponding to the torque are derived from the time between two sensor signals during rotation. A first time interval is determined from the detected sensor signals of two adjacent measurement positions on the axle or shaft (4). A second time interval is determined from the detected sensor signals of two axially separate measurement positions on the axle or shaft. The change in the quotient of the two time intervals is a measure of the torsion and hence the torque acting on the shaft or axle.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.The invention relates to a method and a Vorrich device for the detection of torques, in particular via a torsion measurement on axles or shafts, according to Preamble of the main claim.

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. It is already a sensor arrangement from US Pat. No. 5,501,110 voltage known, in which the transmitted on an axis Torque should be detected. The torque is off the torsion or the angle of rotation of the axle ends and ei ner constant that depends on the material and the geometry of the Axis depends, determined. There are two magnets and one Hall sensor opposite the magnet on two disks, each rotating with the axis attached that mechanically firmly attached to the axle ends pelt are.  

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.Furthermore, it is known in itself that at a Phase angle torque measuring device, of which the invention as state of the art, three in the axial direction adjacent positions by rotating one Wave electrical impulses are generated. Also here ver the torque acting on the shaft causes a torso on and thus a phase angle shift between the individual measuring points. This phase angle shift is via a corresponding pulse phase shift to the Measuring points detectable.

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.For example, for the detection of a gear axis of a motor vehicle acting torque must be very small angle changes measured in both directions of rotation will. When evaluating the measurement results are here with influences of relatively high temperatures in particular to take the measurement result into account.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The generic method for detecting the torque tes on axes or shafts is with the invention Features of the main claim in an advantageous manner educated, because here a particularly precise and tempera door stable measurement is enabled.

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. There are three measuring points in a manner known per se pulse signals dependent on the rotary movement are generated and detected by sensors. During the rotation can from the time intervals of at least two sensor signals le is an angle of rotation and thus one of the torque speaking torsion of the axis or shaft can be determined.  

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.According to the invention, a first time interval D 12 is advantageously determined from the detected sensor signals from two measuring points lying on one region of the axis or shaft, and a second time interval D 13 is derived from the sensor signals from the two outer regions lying on the axis or shaft at axially offset regions Measuring points determined. A dynamic measurement signal can thus be used in a simple manner by determining the dynamic change in the quotient D 13 / D 12 from the first and the second time interval as a measure of the torsion and thus of the torque acting on the axis or shaft . If the axis or shaft has no torsion, the quotient described above is constant; a deviation from the constant value is therefore a measure of the 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.An exact measurement can be carried out according to the invention, if the period of the at the respective measuring points generated pulse signals approximately the maximum twist angle corresponds to the axis or shaft.

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 a preferred embodiment of the invention ßen procedure is advantageously from the analog course of the sensor signals after the start of rotation of the Axis or shaft an offset signal from the sum of each divided minimum and maximum amplitude formed by the factor 2. With this offset signal a trigger signal for the signal edges of the respective Sensor signal regardless of the size of the signal won with which an exact and especially tempera stable determination of the first and the second time is possible.

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.Advantageously, a device for through implementation of the method according to the invention reali Siert that the pulse signals in a simple manner radially fixed on the axis or shaft  magnetic multipoles or soft magnetic hole disks are generated at the respective measuring points, where the magnets change depending on the field Send out rotation by the corresponding, the respective sensors associated with the measuring point can be detected.

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.In an alternative embodiment, the pulse signals from radially fixed on the axis or shaft Neten perforated disks at the respective measuring points riert, with the perforated disks depending on light impulses of the revolution, that of corresponding, detec assigned to the respective measuring point be animals.

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.As an area of application come for the invention Measuring method in particular a torque measurement on Ach sen or shafts in a transmission for a motor vehicle in question, since even with large temperature fluctuations stable and accurate measurement is required.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung als Meßaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Embodiments of a device as a test setup to carry out the method according to the invention explained using the drawing. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit jeweils einer weichmagnetischen Lochscheibe an den Meßstel­ len; Fig. 1 shows a first embodiment, each of a soft magnetic perforated disk to the Meßstel len;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit jeweils einer Scheibe mit magnetischen Multipolen an den Meßstellen und Fig. 2 shows a second embodiment, each with a disk with magnetic multipoles at the measuring points and

Fig. 3 ein Diagramm mit den an den Flanken von Sen­ sorsignalen bestimmbaren Zeitabständen zur Erfassung eines Verdrehwinkels auf der Welle. Fig. 3 is a diagram with the determinable on the flanks of Sen sorsignalen time intervals for detecting an angle of rotation on the shaft.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

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.In Fig. 1 is an arrangement for measuring torque with measuring points 1 and 2 shown at one end and a measuring point 3 at the other end of the measuring arrangement on a shaft 4. The measuring points 1 , 2 and 3 consist of magnetic field-sensitive sensors 5 , 6 and 7 and adjacent working magnets 8 , 9 and 10th The exemplary embodiment shown is a magnetic measuring principle, in which magnetic field pulses are generated by a soft-magnetic perforated disk 11 and 12 rotating at the measuring points 1 , 2 and 3 with the shaft 4 .

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.As an alternative to the exemplary embodiment according to FIG. 1, in the exemplary embodiment according to FIG. 2, disks 20 and 21 are arranged at measuring points 1 , 2 and 3 , on which there are magnetic multipoles 22 , which then have a magnetic field that changes due to the rotation corresponding sensors 5 , 6 and 7 act. With this arrangement, the assignment of working magnets to sensors 5 , 6 and 7 can be dispensed with.

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.In Fig. 3, the detected pulse waveforms at the sensors 5 , 6 and 7 as a function of time t are shown in a diagram. A first time interval D 12 is determined here from the rising edges of the detected sensor signals from sensors 5 and 6 at measuring points 1 and 2 and a second time interval D 13 from the rising edges of sensor signals from sensors 5 and 7 at measuring points 1 and 3 .

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 the exemplary embodiments, a dynamic measurement signal for determining the torque acting on the shaft 4 can be measured by determining the dynamic change in the quotient D 13 / D 12 from the first and the second time interval as a measure of the torsion of the shaft 4 . If the shaft 4 has no torsion, the quotient described above is constant over time t; a deviation from the constant value is therefore a measure of the 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.In general, with the sensors 5 , 6 and 7 , not shown here, analog curves of the sensor signals are generated. With an offset signal, a trigger signal for the signal edges of the respective signal from sensors 5 , 6 and 7 can be obtained regardless of the analog size of the signal, which enables an accurate and, in particular, temperature-stable determination of the time intervals D 13 , D 12 . This is achieved when, after the start of shaft 4, the offset signal is formed by the factor 2, from the sum of the respective minimum and maximum analog amplitudes.

Claims (7)

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.
1. Method for detecting the torque on an axis or shaft, in which
  • - At three measuring points ( 1 , 2 , 3 ) dependent on the rotary movement pulse signals are generated and each by means of sensors ( 5 , 6 , 7 ) and are detected
  • - During the rotation from the time intervals of at least two sensor signals an angle of rotation and thus a torsion of the axis or shaft ( 4 ) corresponding to the torque can be determined, characterized in that
  • - A first time interval (D 12 ) from the detected sensor signals from two on the axis or shaft ( 4 ) with each other measuring points ( 1 , 2 ) and a second time interval (D 13 ) from the sensor signals from the two axially against each other offset on the axis or shaft ( 4 ) the measuring points ( 1 , 3 ) are determined and that
  • - A change in the quotient (D 13 / D 12 ) from the first and the second time interval is used as a measure of the torsion and thus of the torque acting on the axle or shaft ( 4 ).
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.
2. The method according to claim 1, characterized in that
  • - The period of the generated at the respective measuring point ( 1 , 2 , 3 ) pulse signals approximately the same as the ma ximal angle of rotation of the axis or shaft ( 4 ) speaks ent.
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.
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that
  • - From the analog curves of the sensor signals after the start of rotation of the axis or shaft ( 4 ), an offset signal is formed from the sum of the respective minimum and maximum amplitudes divided by the factor 2 and that
  • - The respective time of occurrence of the offset signal is the trigger signal for the signal edges of the respective sensor signal for determining the first and the second time interval.
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.
4. Device for performing the method according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - The pulse signals from radially fixed on the axis or shaft ( 4 ) on disks arranged magnetic Multipo len are generated at the respective measuring points, the magnets emitting field changes as a function of the rotation, by the corresponding measuring point ( 1 , 2nd , 3 ) associated magnetic field sensitive sensors ( 5 , 6 , 7 ) can be detected.
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.
5. Device for performing the method according to one of claims 1 to 31, characterized in that
  • - The pulse signals from on the axis or shaft ( 4 ) on ordered soft magnetic perforated disks ( 11 , 12 ) are generated at the respective measuring points ( 1 , 2 , 3 ), magnetic pulses depending on the rotation with working magnets ( 8 , 9 , 10 ) can be generated and detected with respectively assigned magnetic field sensitive sensors ( 5 , 6 , 7 ).
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.
6. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that
  • - The pulse signals from radially fixed on the axis or shaft ( 4 ) arranged perforated disks are generated at the respective measuring points, the perforated disks emitting light pulses as a function of the rotation, the corresponding sensors assigned to the respective measuring point ( 5 , 6 , 7 ) can be detected.
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.
7. Device for performing the method according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - The axis or shaft ( 4 ) is mounted in a gearbox for a motor vehicle.
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