DE2752080A1

DE2752080A1 - Drehmoment- und drehzahlmessanzeigegeraet

Info

Publication number: DE2752080A1
Application number: DE19772752080
Authority: DE
Inventors: Edwin Joseph Meixner
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-22
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373045B1; JPS6142439U; IT1088035B; AU3058577A; SE7713852L; US4100794A; FR2373045A1; AU510063B2; NL7712666A; SE420948C; DE2752080B2; JPS5377572A; SE420948B; CA1078213A; GB1586080A; DE2752080C3

Description

Drehmoment- und Drehzahlmeßanzeigegerät

Seit einiger Zeit ist es bekannt, daß ein Magnetfeld an einer durchlässigen Drehwelle erzeugt werden kann, sowie daß Änderungen in diesem Magnetfeld durch an der Welle angeordnete Mittel abgegriffefi werden können. Wenn somit die Welle belastet ist, um an eine geeignete Last Abtriebsleistung abzugeben, wird die Welle gespannt oder beansprucht, da sich bei einer bestimmten Drehzahl der Welle ein Drehmoment aufbaut. Dies bewirkt in verschiedenen Teilen der Welle Druck und Zug, welche die magnetische Durchlässigkeit der Welle und damit das magnetische Flußbild verändern. Die theoretischen Grundlagen hierfür sind beispielsweise in der üS-Patentschri Nr. 2 912 642 von Dahle dargestellt. Zur Erkennung der Veränderungen in dem sich ergebenden Magnetfeld wurden verschiedene Verfahren und Konstruktionen entwickelt, um ein Maß für die Torsionsspan nungen in der drehenden Welle zu erhalten. Die frühe Entwicklung ist weiter in der US-PS 3 011 340 von Dahle aufgezeigt. Selbst bei diesen frühen theoretischen Darstellungen der Erscheinung selbst wie einiger Vorrichtungen zur Messung der Veränderungen des Magnet

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Eeldes gibt es noch keinen wirtschaftlichen Meßwertwandler für ein »ich drehende Welle zur Abgabe von Signalen für sowohl das Drehnoment als auch für die Abtriebsdrehzahl.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen kompakten wir chaftlichen Meßwertwandler zur Anzeige des Drehmomentes oder der
Wellenabtriebsdrehzahl oder beiden einer Drehwelle zu schaffen. Er findungsgemäß ist sodann vorgesehen, eine Signalverarbeitungsschal tung für diesen Wandler zu schaffen, um Drehmoment- bzw. Drehzahlsignale (ü/min) zu erzeugen. Weiter soll erfindungsgemäß eine Signalverarbeitungsschaltung zur Anzeige der Richtung der Drehmoment bzw. Drehzahlsignale geschaffen werden. Erfindungsgemäß ist auch
eine Signalverarbeitungsschaltung zur Anzeige der durch die Welle
erzeugten Kraft (PS,kw) vorgesehen. Schließlich soll erfindungsgemäß eine Einrichtung geschaffen werden, deren Meßwertwandler von
robustem Aufbau ist und sich zum Einsatz unter ungünstigen Umweltbedingungen eignet, wie in der Kraftfahrzeugindustrie, wo Extremwerte von Temperatur, Schwingung und Schmutz auftreten.

Die Erfindung umfaßt eine Abtast- und Anzeigeeinrichtung zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signals, das sich in Abhangigkei von einem auf eine Drehwelle einwirkenden Drehmoment ändert sowie
ein zweites sich in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl veränderndes elektrisches Signal. Die Einrichtung umfaßt einen Meßwertwandler mit einem ersten Magnetkern, der einen im allgemeinen kreisförmigen Außenteil und mindestens vier radiale Polstücke besitzt,
die sich vom ringförmigen Außenteil nach innen gegen die Außenfläche der Drehwelle erstrecken. Diese Anordnung läßt auch für die
Welle genügend Platz, sich durch den Raum zu erstrecken, der durch

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die Enden der Polstücke gebildet wird. Eine Anzahl von elektrischefi Wicklungen ist vorgesehen, wobei eine Wicklung auf jedem Polstück im ersten Magnetkern angeordnet ist und alle Wicklungen in einem ersten elektrischen Kreis zusammengeschlossen sind.

Auch ein zweiter und dritter Magnetkern ist vorgesehen, die beide mit dem ersten Magnetkern identisch sind. Auch dieser zweite und dritte Magnetkern besitzt jeweils eine Anzahl von elektrischen Wicklungen, die entsprechend auf den einzelnen Polstücken angeordnet sind und ebenfalls in Reihenschaltung ausgelegt sind. Die einzelnen Polstücke des zweiten und dritten Magnetkerns sind gegenüber den benachbarten Polstücken des ersten Kerns winkelmäßig versetzt, d.h., daß jedes Polstück des zweiten und dritten Magnetkerns in einer Winkelstellung halbwegs zwischen zwei benachbarten Polstücken des ersten Kerns angeordnet sind. Eine Vorrichtung zur Abgabe eines Wechselspannungssignals an den elektrischen Kreis ist vorgesehen, um einen Erregerfluß des ersten Magnetkerns auszulösen

Erfindungsgemäß ist eine Signalverarbeitungsanlage vorgesehen. Die se umfaßt einen mit einem Erzeugerkreis für das erste elektrische Signal in Reihe geschalteten Summierkreis sowie einen mit dem Erzeugerkreis für das zweite elektrische Signal in Reihe geschaltete Differenzierkreis. Einrichtungen wie ein oder mehrere elektrische Meßgeräte sind mit dem Summier- und dem Differenzierkreis gekoppelt, um entsprechende Daten über das Wellendrehmoment und die WeI lendrehzahl (U/min) zu liefern, wenn das erste bzw. das zweite elektrische Signal von der Signalverarbeitungs- oder Signalgeberanlage her anliegen.

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Nach einem anderen bedeutenden Merkmal der Erfindung ist ein Schalter zwischen dem Oszillator zur Erzeugung des dem Meßwertwandler zugeführten Wechselspannungssignals und der Signalverarbeitungsschaltung vorgesehen. Eine Betätigung des Schalters dient der Veränderung einiger Eigenschaften (wie der Phase) des Wechselspannungssignals mit einer entsprechenden Richtungsänderung der Signale für das Abtriebsdrehmoment bzw. der Drehzahl. Damit kann die Anlage die Richtung der Daten sowohl für das Drehmoment als auch für die Wellendrehzahl bestimmen, die von der erfindungsgemäßen Anlage erzeugt werden.

Ein weiterer bedeutender Punkt der Erfindung ist der zwischen der Reihenschaltung (Sekundärwicklung des Meßwertgebers) und der Signalverarbeitungsanlage angeordnete Umpolungsschalter. Eine Betätigung des Schalters dient zur Umpolung des an der Signalverarbeitungsschaltung anliegenden Signals, wodurch auf einem einzigen Meßgerät entweder das Drehmoment oder die Drehzahl angezeigt werden können.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Slgnalverarbeiiungsanlage eine mit der Summier- und der Differenzierschaltung gekoppelte Multiplizierschaltung umfassen. Dieses Multiplizierwerk ^:

erzeugt ein drittes elektrisches Signal, das sich in Abhängigkeit |

I on der durch die Welle abgegebenen Leistung (PS,kw) verändert. Ei nie

Vorrichtung wie ein Meßgerät ist an das Multiplizierwerk gekoppelt,!

die Leistungsdaten abzugeben, wenn das dritte elektrische Signal) Von der Signalverarbeitungsanlage her anliegt. , '

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschrei bung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesent

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licher Bedeutung sein. Die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile kennzeichnen, zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Abtast- und Anzeigeeinrichtung;

Fig. 2 eine Sprengzeichnung bestimmter Bauteile des Meßwertwandlers ;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan aufgeführt, mit Darstellung weiterer Einzelheiten der Schaltung des Meßwertwandlers und der Datenverarbeitungsanlage ;

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Ausschnitt, mit Darstellung der Montage eines Drehmomentwandlers auf einer Drehwelle;

Fig. 5 einen Stromlaufplan einer Abtast- und Anzeigeeinrichtung zur Verwendung mit normaler Wechselspannung;

Fig. 6 einen Stromlaufplan einer Abtast- und Anzeigeeinrichtung mit Schwerpunkt für Kraftfahrzeuge oder andere ι Anlagen, bei welchen Kraft nicht durch eine herkömmliche Wechselspannungsdose bezogen werden kann, son-

I dern durch eine Hilfsquelle geliefert wird; ,

Fig. 7 ein Kurvenbild mit Darstellung des Drehmomentes über ;

j I

I der Drehzahl zur Erläuterung der Erfindung; I

jFig. 8 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispieli der Erfindung.

Fig. 1 bietet eine allgemeine Übersicht der erfindungsgemäßen Abtast- und Anzeigeeinrichtung. Ein Meßwertwandler 10 ist um eine Drehwelle 11 herum angeordnet. Die Antriebsanlage für die Welle sowie die durch die Welle betriebene Last sind nicht angezeigt, da

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sie für die Erfindung keine Bedeutung haben. Wie nachstehend näher erläutert wird, umfaßt der Meßwertwandler Primärwicklungen zur Erzeugung eines Magnetflusses in dem ihm benachbarten Teil der Welle 11. Zur Erregung der Primärwicklungen des Meßwertwandlers kann eine Eingangswechselspannung von einem herkömmlichen Netz, 110 V, 60 Hz (nicht gezeigt) über Leitungen 15,16 eingespeist werden. Natürlich könnte ebenso Gleichspannung mit einem Umsetzer (nicht gezeigt) zur Lieferung eines Wechselspannungserregersignals auf den Leitungen 15,16 verwendet werden. Ein Ausgangssignal des Meßwertwandlers gelangt über Ausgangsleitungen 17,18 an eine Signalverarbeitungsschaltung 20. Getrennte Ausgangsleitungen 21,22 und 23 leiten elektrische Signale an entsprechende Meßgeräte 24,25 und 26 zur Anzeige des Drehmomentes, der Leistung (PS,kw) und der Drehzahl (U/min) der Welle. Es ist leicht zu erkennen, daß der Ausdruck "Einrichtung zur Abgabe einer Anzeige" nicht notwendigerweise für eine Sichtanzeigeeinrichtung wie ein Meßgerät gelten muß, sondern ebenso ein Registriergerät oder ein anderes Gerät zur Datenaufnahme bezeichnen kann. Außerdem brauchen keine drei getrennten Leitungen oder Leitungspaare vorhanden zu sein, um zwei oder drei Ausgangsgrößen darzustellen. Ein einziges Meßgerät kann zur Anzeige verschiedener Parameter in Verbindung mit einem Schalter oder einer Multiplex-Schaltung verwendet werden, die für die Auswahl verschiedener Größen von der Signalverarbeitungsschaltung zu verschiedenen Zeitpunkten zwecks Anzeige oder Aufzeichnung beaufschlagt wird. Die vereinfachte Anordnung der Fig. 1 bietet jedoch eine hinreichende Erläuterung der möglichen Anzeigeformen der Signalverarbeitungsanlage, ohne die Erfindung durch dieses Beispiel einzuschränken oder einzuengen.

In der Sprengzeichnung der Fig. 2 sind die drei verschiedenen Ma-

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gnetkerne 30,31 und 32 des Meßwertwandlers 10 gezeigt. Der erste Magnetkern 30 umfaßt einen im allgemeinen kreisförmigen Außenteil 33 und eine Anzahl von nach innen ragenden radialen Polstücken 34, die bis nahe der Außenfläche der Welle reichen, wenn der Meßwertwandler nach Fig. 1 um die Welle herum angeordnet ist. In einem mit Erfolg geprüften Ausführungsbeispiel bestand der Magnetkern aus Lamellen von zirka 1/64 Zoll Dicke (0,3969 mm) aus Elektrostahl (M15). Eine Anzahl von elektrischen Wicklungen 35 ist vorgesehen, wobei jedes der sechs Polstücke (34) mit je einer Wicklung 35 umwickelt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel bestanden die Primärwicklungen auf den Polstücken 3 4 aus Draht Nr. 26 mit 160 Windungen auf jedem Polstück. Die sechs einzelnen Wicklungen wurden dann zu einer vollständigen elektrischen Schaltung zusammengeschaltet wie nachstehend anhand der Fig. 3 näher erläutert wird. Der zweite und dritte Magnetkern 31 und 32 sind im allgemeinen dem Aggregat 30 gleich. Beispielsweise umfaßt der zweite Magnetkern 31 ebenso einen Außenteil 36 sowie eine Anzahl einzelner Polstücke 37 mit einzelnen Windungen 38 auf den Polstücken. Auch der dritte Magnetkern 3 2 umfaßt eine äußere Magnetfläche 40, von welcher aus eine Anzahl von einzelnen Polstücken 41 nach innen gegen die normale Wellenstellung ragt. Die einzelnen Wicklungen 42 sind entsprechend auf den Polstücken 41 des dritten Aggregats angeordnet. Bei dem erfolgreich geprüften Ausführungsbeispiel bestanden die Wicklungen 38 und 42 aus zweihundert Windungen je Polstück aus Draht Nr. 32 oder 34. Die technischen Daten für den Draht und die Lamellen sind hier nur aus Erläuterungs- und Darstellungsgründen gegeben. Der Fachmann erkennt, daß andere Drahtgrößen und andere Lamellen oder selbst ein Aufbau aus Festmaterial bzw. aus Sintermetall verwendet werden können, um die Magnetkreise des ersten, zweiten und dritten

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Aggregates zu bilden. Die einzelnen Kernstücke werden dann wie gezeigt aneinandergelegt. Es sei bemerkt, daß die Polstücke 37 und 41 im zweiten und dritten Magnetkern gegenüber der Lage der Polstücke 34 im ersten Magnetkern 30 winkelmäßig versetzt sind. D.h., im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedes Polstück 37,41 halbwegs zwischen zwei benachbarten Polstücken 34 des mittleren oder ersten Magnetkerns 30 angeordnet.

Fig. 3 zeigt bestimmte Teile der Signalverarbeitungsschaltung 20 als Blockschaltbild sowie die Wicklungen des Meßwertwandlers 10 und ihre elektrischen Anschlüsse. Die Wicklungen 35 am ersten Magnetkern bilden eine Primärwicklung des Meßwertwandlers 10. Die beste jetzt bekannte Art zur Durchführung der Erfindung umfaßt eine sehr dichte doppelfädige Verschränkung der Spulenwicklungen, wobei der Mittelabgriff in der Primärwicklung nach Zeichnung durchgeführt wird. Die Sekundärwicklungen 38,42 sind für jeweils den zweiten und dritten Magnetkern einzeln in Reihe geschaltet und dann zusammen an der Eingangsseite der Signalverarbeitungsschaltung in Serienschaltung an einen Summierverstärker 51 und einen Differenzierverstärker 50 angeschlossen. Der Differenzierverstärker 50 gibt an den Detektor oder Abtaster 52 ein Ausgangssignal ab, das auf das Drehmoment an der Welle bezogen ist. Das auf die Wellendrehzahl (U/min) bezogene Ausgangssignal des Summierverstärkers 51 gelangt an eine andere Abtasterschaltung 53. Das Drehmomentsignal läuft über einen Filterkreis 54, dessen Ausgangssignal über die Leitung 21 an einen Drehmomentanzeiger 24 und über eine Leitung 55 an einen

i Eingang einer Multiplizierschaltung 56 geführt ist. Das Ausgangs- j signal des anderen Filters 57, dessen Eingangsseite an den Amplitudendetektor 53 gekoppelt ist, gelangt einerseits über die Lei-

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tung 23 an den Drehzahlmesser 26 und andererseits über eine Leitung 58 an den anderen Eingang der Verstärkerstufe 56. Der Verstärkerkreis arbeitet in bekannter Weise und erzeugt ein Ausgangssignal, das sich mit dem Produkt der beiden getrennten Eingangssignale verändert. Somit ist das von der Multiplizierstufe 56 erzeugte und über die Leitung 22 an den Leistungsmesser 25 gelangende Signal eine echte Anzeige für die durch die Welle 11 abgegebene Leistung.

Fig. 4 zeigt den erfindungsgemäßen Meßwertwandler 10 auf einem Teil einer Welle 11 angebracht, der sich von einem Getriebegehäuse 60 aus erstreckt. Bei einer normalen Kfz-Konstruktion ist das rechte Wellenende 11 an ein Kugelgelenk gekuppelt, um Drehmoment an die entsprechenden Antriebsräder eines Fahrzeuges zu übertragen. Eine Öffnung 61 im Getriebegehäuse dient normalerweise zur Aufnahme des Kabels für den Tachometeranschluß (nicht gezeigt). Der Meßwertwandler 10 ist auf einem Lager 62 abgestützt und zentriert, jedoch können auch andere Anordnungen verwandt werden. Es ist offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Meßwertwandel- und Abtasteinrichtung leicht unter schwierigen Bedingungen montiert werden kann, wie sie normalerweise in einem Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges angetroffen werden.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Beaufschlagung des Meßwertwandlers 10 von einer gewöhnlichen Netz Spannungsquelle von 110 V 60 Hz

!durch Einführen eines Steckers 70 in eine herkömmliche nicht gezeigte Wanddose. Wird dies ausgeführt und ein Schalter 71 ist geschlossen, gelangt Wechselspannung über eine Sicherung 72 sowie einen ersten Transformator 73 über die Leitungen 15,16 zur Erregung der Primärwicklungen des Meßwertwandlers. Diese Erregung wire

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iurch Aufleuchten eines Anzeigelämpchens 7 4 angezeigt. Außerdem wird

die Eingangswechselspannung über einen anderen Transformator 75 so-I

Wie eine Diodengleichrichterbrücke 76 geleitet, um eine Gleichspannungsdifferenz zwischen den Leitungen 77 und 78 aufzubauen. Ein Regelkreis mit einer integrierten Schaltung 80 sowie den Transistoren 81,82 sorgt für eine geregelte Spannung von +15 V auf der Leitung 83 und -15V auf der Leitung 84. Bei einem Ausführungsbeispiel war die integrierte Schaltung 80 ein 14686, doch können natürlich andere geeignete Anordnungen zum Aufbau einer Gleichspannungsdifferenz verwendet werden, um die Signalverarbeitungsschaltung anzusteuern.

Das Ausgangssignal der Sekundärwicklungen 38,42 des Meßwertwandlers gelangt über die Leitungen 17 und 18 sowie eine Inversionsstufe 85 an den Summierverstärker 51 sowie an den Differenzierverstärker 50. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 51 liegt am Vollweggleichrichter 53 für den Absolutwert an, welcher die Verstärker 86, 87 umfaßt. Das Ausgangssignal des Vollweggleichrichters gelangt an einen Linearisierungskreis 88, der als Diodenfunktionsgeber ausge-

ist
legt. Das Ausgangssignal des Kreises 88 gelangt wiederum an einen Stellkreis 90 für den Verstärkungsfaktor, der ein Potentiometer 91 umfaßt, um die Amplitude des zur Ausgangsstufe 92 weitergeleiteten Signals zu regeln. Das Ausgangssignal der Stufe 92 gelangt einerseits über die Leitung 23 an den Drehzahlmesser 26 sowie über die Leitung 58 an die Multiplizierstufe 56. Bei einem Ausführungsbeispiel war die Multiplizierstufe ein MC1594L, jedoch kann der Fachimann leicht andere Multiplizieranordnungen einführen, um ein entsprechendes Ausgangssignal über eine Stufe 93 und die Leitung 22 an den Leistungsmesser (PS,kw) weiterzuleiten.

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Analog wird auch das an den Leitungen 17,18 anliegende Sekundärseitensignal des Meßwertwandlers über den Differenzierverstärker 50, den anderen Detektor oder Gleichrichter 52, einen Linearisierungskreis 94 sowie eine Stellschaltung 95 für den Verstärkungsgrad mit seinem Potentiometer 96 an die Ausgangssteuerstufe 97 geleitet, die ihrerseits das Drehmomentanzeigesignal einerseits über die Leitung 21 an den Drehmomentmesser 24 und, über die Leitung 55^ an die Multiplizierstufe 56 leitet. Die Arbeitsweise und Beschaltung der in Fig. 5 gezeigten Stufen ergibt sich für den Fachmann aus der vorstehenden Erklärung. Der zweite Signalkanal zur Verarbeitung der Drehmomentdaten ist praktisch mit dem ersten Signalkanal identisch, ausgenommen daß er keine Inversionsstufe an seinem Ausgangsanschluß umfaßt.

Obwohl die in Fig. 5 gezeigte Schaltung und die Erklärung ihrer Arbeitsweise für den Fachmann offensichtlich ist, gründet diese Schaltung auf einer Voraussetzung und einer technischen Erkenntnis, die für den Fachmann nicht naheliegend ist. D.h., sie gründet (1) auf der Entdeckung, daß ein elektrisches Signal vom Meßwertwandler 10 abgegriffen werden kann, das seiner Natur nach ein Ankergegenwirkungssignal ist und auf die Wellendrehzahl bezogen ist, und (2) das verarbeitet werden kann, um die Wellendrehzahl anzuzeigen und, mit dem Wellendrehzahlsignal eine Anzeige für das Drehmoment ergibt. Wie anhand der Fig. 6 näher erläutert wird, wurde ein noch weniger naheliegender Schritt dadurch erreicht, daß in der Signalverarbeitungsschaltung Einrichtungen vorgesehen sind, welche cc der Anlage ermöglichen, die Richtung (Polarität) des Drehmomentsignals sowie die Richtung des Drehzahlsignals anzuzeigen. D.h., die Anlage kann leicht so ausgelegt werden, daß sie an-

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zeigt, ob ein Drehmoment von einer Antriebseinheit über die Welle an eine Last übertragen wird oder, ob die Last Leistung über die Welle an die Kraftquelle zurückführt. Dies tritt beispielsweise in einem Kfz auf, wenn der Wagen selbst über die Antriebswelle als eine Bremskraft für den Motor wirkt. Bei dieser Anordnung wird eine echte Vierquadrantenanzeige dadurch geschaffen, daß sowohl positive als auch negative Drehmeoment- und Drehzahlsignale erzeugt werden können.

Fig. 6 zeigt eine besonders für Kfz-Zwecke geeignete Signalverarbeitungsanlage, an der ein positives 12V-Eingangssignal über eine Leitung 150 anliegt, und die dieses Eingangssignal dazu verwendet, eine geregelte Spannung von * 4 V in der Versorgungsstufe mit den Transistoren 151,152 zu erzeugen. Für die Zwecke der Erläuterung stellt das Zeichen für Masse das Negativpotential von 4 V dar, das am Emitter des NPN-Transistors 152 entsteht. Die Basis dieses Transistors ist über einen Widerstand 153 an eine Leitung 154 geführt, über welche das positive Potential 4 V ah die im Stromlaufplan angegebenen Punkte geleitet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung war der PNP-Transistor 151 ein MPS 6518, und der NPN-Transistor war ein MPS6514. Eine Ausgleichsstufe 155 wurde zugeschaltet, um auf einer Leitung 156 ein Signal zu erjzeugen, welches das Drehmomentausgangssignal der dargestellten An-

jlage bei Pegeländerungen der Batterieeingangsspannung oder einer !anderen auf der Leitung 150 anliegend Gleichspannung kompensiert.

Im oberen linken Teil der Fig. 6 liegt das Eingangssignal von den Sekundärwicklungen über die Leitungen 17,18 her an und durchläuft eine Eingangsneutralisationsschaltung 157. Eine Verstellung des

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Schleifers eines Potentiometers 158 in dieser Schaltung bewirkt die erforderliche Neutralisation zum Ausgleich für Fehlanpassungen in den Spulen. Das entstehende kompensierte Signal gelangt dann durch eine Impedanzpufferstufe 160 zu einem Synchrondetektor 161. Die Synchrondetektorschaltung umfaßt einen ersten Rechenverstärker 162, ein Analog-Übertragungsschalttor 163 sowie einen zweiten Rechenverstärker 164. Das Ubertragungsschalttor 163 besitzt eine sehr niedrige Impedanz in der Größenordnung von 100 Ohm, wenn es durch ein Signal mit dem logischen Pegel 1 über eine Leitung 165 von einem Oszillatorkreis 166 angesteuert wird. Der Schalter 163 zeigt eine

1 2 sehr hohe Impedanz in der Größenordnung von 10 Ohm, wenn über die Leitung 165 ein Signal mit dem logischen Pegel 0 anliegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel war das Übertragungsschalttor 163 ein CD4O66, und der Oszillator ein CD4O47.Der Oszillator erzeugt ein Schaltsignal mit einer Frequenz von 200 Hz, und dies ist auch die Frequenz des von den Sekundärspulen über die Leitungen 17,18 her anliegenden Signals. Ein Rechenverstärker 167 war als Justierstufe zwischengeschaltet, um Verstimmungen auf der Frequenz von 200 Hz zu unterdrücken, die sonst im Synchrondetektor 161 auftreten könnten.

Ein zwischengeschalteter Filterkreis 168 umfaßt einen Rechenver-I stärker 170. Das Ausgangssignal des Filters wird über eine weitere

j Verstärkerstufe 171 geleitet, um ein Drehmomentanzeigesignal auf j einer Leitung 172 zu erzeugen, das am Drehmomentmesser anliegt.

ι ;

IEin weiterer Rechenverstärker 173 ist zwischen das Filter 168 und

! i

: I

die Stufe 171 geschaltet, um Eichungen vornehmen zu können und |

i mögliche Gleichspannungskomponenten auszuschalten. Die Stufen 167 ]

und 173 bilden eine Art von Sicherheitsmaßnahme, damit eine genaue,

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Arbeitsweise der Schaltung selbst bei Bauteilen minderer Qualität erreicht werden kann. Somit sind die Stufen 167,173 für den Betrieb der Anlage bei einem Serienstück nicht erforderlich.

Wie bereits erwähnt, gibt der Oszillator 166 über die Leitung 165 ein Taktsignal ab, um das analoge Ubertragungsschalttor 163 zu regeln. Dieses Signal wird von der Anschlußklemme 11 des Oszillators abgegriffen. Ein gleiches Signal wird an der Klemme 10 erzeugt, doch ist dieses Signal gegenüber dem an der Klemme 11 erzeugten Signal um 180° phasenversetzt. Diese beiden gegeneinander phasenversetzten Signal liegen auf Leitungen 180,181 an und sind durch die Wellenformen 182,183 dargestellt. Sie dienen zur Ansteuerung einer entsprechenden Inversionsstufe zur Versorgung der Primärwicklungen des Meßwertwandlers mit dem Erregersignal.

Fig. 7 zeigt die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung. Mit Vorrichtungen wie Meßgeräten zur Darstellung der Drehzahl und des Drehmomentes ist in Fig. 7 ein Drehzahl-Drehmomentbild in vier Quadranten gezeigt. In Verbindung mit einem Kraftfahrzeug zeigt eine Kurve 240 im ersten Quadranten die Drehzahl-Drehmomentbeziehung, wobei der Motor die Abtriebswelle antreibt und das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung fährt. Wenn der Wagen abwärts im Leerlauf oder Freilauf fährt, ist die Drehzahl noch positiv, jedoch das Drehmomentvorzeichen wird entgegengesetzt, und das sich daraus ergebende Drehzahl-Drehmomentverhältnis wird durch die Kurve 241 im vierten Quadranten gezeigt. Fährt der Wagen im Rückwärtsgang, so sind sowohl Drehzahl als auch Drehmoment negativ, und die Drehzahl-Drehmoment.kurve entspricht der Kurve 242 im dritten Quadranten. Die Kurve 243 im zweiten Quadranten zeigt die Drehzahl-Drehmomentbe-

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Ziehung unter Bedingungen, in welchen der Wagen rückwärts im Leerlauf abwärts fährt. Diese Daten sind noch nützlicher bei Schwerlast-Nutz fahrzeugen wie Bulldozern.Lkw usw., bei welchen diese verschiedenen Situationen häufig auftreten.

Fig. 8 zeigt eine Einrichtung zur Darstellung der Ausgangssignale für Drehzahl und Drehmoment auf einem Ausgangssignalmesser 24 mit einem einzigen Detektor 52 und nur einem 54 in der Signalverarbeitungsschaltung. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Schalter 250 zwischen die Sekundärwicklungen 38,42 des Meßwertwandlers 10 und die Eingangsseite des Detektors 52 geschaltet ist. Der Schalter kann einen zweipoligen Umschalter umfassen, um das am Detektor anliegende Signal wirksam umzupolen. Dies ist analog den in Fig. 3 gezeigten Summier- und Differenzierverstärkern, bei denen beide Signale laufend erzeugt werden. Eine Betätigung des Schalters 250 dient zur Richtungsumkehr des an der Signalverarbeitungsanlage anliegenden Signals, und damit können sowohl Drehzahl als auch Drehmoment nacheinander an einem einzigen Meßgerät 24 angezeigt werden. Man erkennt, daß der Schalter 2 50, obwohl er als einfache mechanische Anordnung dargestellt ist, eine Multiplex-Einrichtung zur Erzeugung der Ausgangssignale unterschiedlicher Polarität zu verschiedenen Zeitpunkten für den Detektorkreis umfassen kann. Bei einer Multiplex-Anordnung müßte ein zweites Meßgerät zur Anzeige der zusätzlichen Daten verwendet werden. Die genaue Schaltanordnung kann verschiedenen Änderungen unterworfen sein, solange sie Mehrfachdaten (wie Drehzahl und Drehmoment) mit nur einem einzigen Kanal in der Verarbeitungsanlage anzeigt.

Weiter ist es offensichtlich, daß zwischen den Magnetkernen ein

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kleiner axialer Abstand vorhanden sein muß. Gegenwärtig ist man der Meinung, daß der Abstand zwischen dem ersten und zweiten sowie zwischen dem zweiten und dritten Magnetkern eine halbe ümfangsteilung betragen müßte. Die Umfangsteilung wird definiert als Umfang der zu prüfenden Welle (11) dividiert durch die Polzahl (6 im dargestellten Ausführungsbeispiel) des Magnetkerns.

Weiter erkennt der Fachmann, daß es von der Phase des Signals abhängt, das in der Reihenschaltung einschließlich der Sekundärwicklungen 38,42 des Meßwertwandlers erzeugt wird, welcher der Verstärker 50,51 (Fig. 3 und 5) als Summierverstärker und als Differenzierverstärker geschaltet ist. Eine Phasenänderungsweiche wie der Schalter 169 der Fig. 6 kann vorgesehen sein, um die verschiedenen Anschlüsse der Wicklungen 38,42 während der Prüfung aufzunehmen, doch ist dieser Schalter in Serienmodellen der Einrichtung nicht erforderlich.

Die vorstehend beschriebene und beanspruchte Einrichtung umfaßt einen robusten Meßwertwandler und erhält ein Ausgangssignal ohne Schleifringe. Der Meßwertwandler selbst kann im Bereich von Grenztemperaturen betrieben werden, wie sie in einem Kraftfahrzeug angetroffen werden. Der Detektor greift das Drehmoment direkt von der Welle ab, ohne eine Abänderung der Welle oder zusätzliche Sonderteile der Welle zu erfordern. Der Meßwertwandler kann einfach im Getriebegehäuse montiert werden, wie es vorstehend anhand der Fig. 4 erläutert wurde. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßwertwandlers besteht darin, daß er nicht durch ein übermäßiges Drehmoment überlastet werden kann, das auf die Welle selbst einwirkt. Die Baueinheit ist sowohl kompakt als auch wirtschaftlich

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herzustellen und liefert eine Genauigkeit einer Größenordnung, die zur Verwendung in Kfz für Funktionen wie Anzeige des Drehmomentes, der Drehzahl und der Leistung (PS,kw) äußerst geeignet ist.

Außerdem dient der erfindungsgemäße Meßwertwandler nicht nur zur Anzeige von Drehzahl bzw. Drehmoment, sondern zeigt auch die Richtung der Drehmoment- und Drehzahlsignale an.

In den Patentansprüchen bedeutet der Ausdruck "verbunden" eine Gleichspannungsverbindung zwischen zwei Bauteilen mit praktisch null Gleichstromwiderstand zwischen diesen Bauteilen. Der Ausdruck "gekoppelt" bedeutet, daß eine Funktionsbeziehung zwischen zwei Bauteilen besteht, wobei möglicherweise andere Bauteile zwischen diese beiden geschaltet sind, die als "gekoppelt" oder "zusammengeschaltet" beschrieben sind.

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Claims

porg-Warner Corporation ,

South Michigan Ave. 17. November 1977

Chicago, 111.60604, USA Anwaltsakte M-4424

Patentansprüche

( .1 Anzeigeeinrichtung zur Erzeugung eines ersten elektrischen Si-

V—K vom

gnals, welches sich in Abhängigkeit dem auf eine Drehwelle einwirkenden Drehmomente ändert sowie eines zweiten elektrischen Signals, welches sich in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl ändert und einen Meßwertwandler mit einem ersten Magnetkern umfaßt, der einen im allgemeinen kreisförmigen Außenteil sowie mindestens vier radiale Polstücke umfaßt, die vom kreisförmigen Außenr teil nach innen zur Außenfläche der Drehwelle ragen und dieser Platz lassen, sich durch den durch die Enden der Polstücke ge- !

bildeten Raum zu erstrecken, ferner mit einer Anzahl von elek- < trischen Wicklungen, die jeweils auf einem der Polstücke des ersten Magnetkerns angeordnet sind sowie mit Einrichtungen zur Zusammenkopplung aller Wicklungen zu einem ersten elektrischen Kreis, mit einem zweiten und einem dritten Magnetkern, die im wesentlichen mit dem ersten Magnetkern identisch sind und jeweils eine Anzahl elektrischer Wicklungen besitzen, die entsprechend auf einzelnen Polstücken angeordnet sind und mit Mitteln zur Zusammenkopplung dieser Wicklungen des zweiten und drit-^ ten Magnetkerns zu einer Reihenschaltung, wobei jedes Polstück

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des zweiten und dritten Magnetkerns gegenüber den benachbarten Polstücken des ersten Magnetkerns winkelmäßig versetzt ist, so daß jedes Polstück des zweiten und dritten Magnetkerns in einer Winkelstellung halbwegs zwischen benachbarten Polstücken des ersten Magnetkerns angeordnet ist sowie mit Einrichtungen zur Abgabe eines Wechselspannungssignals an den elektrischen Kreis, um einen Erregerfluß vom ersten Magnetkern auszulösen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverarbeitungsanlage (20) mit einem Summierkreis (51) versehen ist, der an die Reihenschaltung (31,32) gekoppelt ist, um das zweite elektrische Signal zu erzeugen, ferner dadurch, daß ein Differenzierkreis (50) an die Reihenschaltung (31,32) gekoppelt ist, um das erste elek-^ trische Signal zu erzeugen sowie dadurch, daß Vorrichtungen (52, 53 usw.) mit dem ersten Summierkreis (51) und dem Differenzierkreis (50) gekoppelt sind, um bei Anliegen des ersten und zweiten elektrischen Signals Daten über das Wellendrehmoment und die Wellendrehzahl abzugeben.

2. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsanlage (20) einen Multiplizierkreis (56) umfaßt, der sowohl an den Summierkreis (51) als auch an den Differenzierkreis (50) gekoppelt ist und ein drittes elektrisches Signal (auf der Leitung 22) erzeugt, das sich in Abhängigkeit von der durch die Welle (11) abgegebenen Leistung (PS,kw) ändert und schließlich dadurch, daß eine an den Multiplizier-

j kreis (56) gekoppelte Vorrichtung (25) Leistungsdaten (PS,kw)

! bei Anliegen des dritten elektrischen Signals abgibt.

3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Signalverarbeitungsanlage (20) zwei Vollweggleichrichter füj¹ den Absolutwert (52,53) umfaßt, von denen einer mit dem Summier-

! kreis (51) und der andere mit dem Differenzierkreis (50) ge-I

koppelt ist, um ein auf das erste und zweite elektrische Signal,

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bezogenes Ausgangssignal abzugeben.

4. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsanlage (20) zwei Linearisierungsschaltungen (88,94) umfaßt, von denen jede an einen der Zweiweggleichrichter (52,53) gekoppelt ist.

5. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsanlage (20) zwei Stellkreise für den Ver~ Stärkungsgrad (90,95) umfaßt, von denen jeder an einen der Linearisierungskreise (88,94) gekoppelt ist.

6. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Abgabe eines Wecheselspannungssignals eine Leitung umfaßt, die sich für den Anschluß an eine herkömmliche Wechselstromversorgung eignet sowie dadurch, daß ein Transformator (73) zwischen die Leitung und den elektrischen Kreis, der die Wicklungen (35) des ersten Magnetkerns (30) umfaßt, gekoppelt ist.

7. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichrichterbrücke (76) mit den Leitungen gekoppelt ist, um eine Gleichspannung zur Ansteuerung der Kreise in der Signalverarbeitungsanlage (20) abzugeben.

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8. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Abgabe eines Wechselspannungssignals an den elektrischen Kreis einen Oszillator (166) umfaßt, daß die Signalverarbeitungsanlage (20) einen mit der Reihenschaltung gekoppelten Synchrondetektor (161) umfaßt, um ein elektrisches Si gnal für die Drehmomentanzeige zu erzeugen, ferner dadurch, daß eine Vorrichtung (24) mit dem Synchrondetektor (161) gekoppelt ist, um Daten für das Wellendrehmoment zu erzeugen, sodann dadurch, daß eine Stromversorgungsstufe (15,152) mit einem Eingangsanschluß (150) zur Aufnahme einer Gleichspannung sowie mit einem Ausgangsanschluß (154 und Masse) zur Abgabe einer Gleichspannung bestückt ist, um die Kreise der Signalverarbeitungsanlage (20) anzusteuern.

9. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgleichsstufe (155) zwischen die Stromversorgungsstufe (15,152) und die Signalverarbeitungsanlage (20) geschaltet ist, um das elektrische Drehmomentanzeigesignal für Pegeländerungen der an der Stromversorgungsstufe anliegenden Gleichspannung zu kompensieren.

10.Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Neutralisationsschaltung (157) zwischen die Reihenschaltung des Meßwertwandlers (10) und den Eingangsteil der Signalverarbeitungsanlage (20) geschaltet ist, ferner dadurch, daß eine Einrichtung (158) justierbar angeordnet ist, um Fehlanpassungen der Wicklungen des Meßwertwandlers (10) auszugleichen.

11.Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

der Synchrondetektor (161) einen zwischen Nlederimpedanz und Hochimpedanz umschaltbaren Schalter (163) umfaßt, sowie dadurch daß eine Vorrichtung (165) mit dem Oszillator (166) gekoppelt ist, um den Schaltzustand des Schalters zwischen Niedrigimpedan und Hochimpedanz zu verändern.

^.Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, der Schalter (163) ein analoges Übertragungsschalttor ist.

13.Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (168) an die Ausgangsseite des Synchrondetektors (161) gekoppelt ist, um ein gefiltertes Gleichspannungssignal für die Anzeige des Drehmomentes abzugeben.

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