DE3213589A1

DE3213589A1 - Drehmomentmessfuehler

Info

Publication number: DE3213589A1
Application number: DE19823213589
Authority: DE
Inventors: Kaneo Fukuoka Mohri; Takeshi Okazaki Aichi Nakane
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-13
Publication date: 1982-11-04
Also published as: JPS57169641A; US4453420A; DE3213589C2

Description

Tedtke
Grupe

BüHLING

Pellmann

- Grams

Patentanwälte und Vertreter beim EPA

Dipl.-Ing. H.Tiedtke Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 0 89-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

13. April 1982 DE 2035/case GP-102

AISIN SEIKI KABUSHIKI KAISHA Kariya city, Japan

Drehmomentmeßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentmeßfühler zur Ermittlung des Drehmoments einer Antriebswelle, die insbesondere als Ausgangswelle einer Kraftübertragungseinrichtung bzw. eines Lastschaltgetrxebes für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist.

Deutsche Bank (München! Kto. 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939

Postscheck (Münchenl Klo. 670-43-B04

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Bei konventionellen Drehmomentmeßfühlern dieser Art ist ein Paar von magnetischen Aufnahmewandlern magnetisch mit einem Paar von Zahnrädern gekoppelt, welche in einem vorbestimmten axialen Abstand angeordnet und an einer Antriebswelle befestigt sind. Jeder der magnetischen Wandler erzeugt Impulse bei einer Frequenz proportional zur

^Q Drehzahl der Antriebswelle. Auf diese Weise wird das Drehmoment der Welle durch eine Phasendifferenz zwischen Impulsen der entsprechenden Wandler ermittelt. Beim Betrieb derartiger magnetischer Aufnahmewandler nimmt die Impulsfrequenz mit dor Abnahme der Drehzahl der Antriebswelle ab, was eine Verrringerung der Impedanz in den Wandlern zur Folge hat. Dadurch wird die Amplitude der abgefühlten Impulse während der Drehung der Antriebswelle bei geringer Geschwindigkeit klein. Aus diesem Grund ist es schwierig, die abgefühlten Impulse von Rauschen zu unterscheiden. Dies hat zur Folge, daß das Drehmoment der Antriebswelle im Niederdrehzahlbereich nicht genau ermittelt werden kann.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Drehmomentmeßfühler zu schaffen, welcher das Drehmoment einer Antriebswelle unabhängig von der Änderung der Drehzahl genau ermittelt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen angegeben sind.

Nach Maßgabe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung umfaßt der Drehmomentfühler mindestens ein Paar von Dauermagneten, welche in einem vorbestimmten axialen Abstand angeordnet und an einer Antriebswelle befestigt sind, sowie mindestens ein Paar von sogenannten Wiegand-Lffekt-Elementen, die magnetisch mit den entsprechenden Magneten gekoppelt sind, um eine Phasendifferenz zwischen Impulsen zu ermitteln, die in den entsprechenden Wiegand-Effekt-Elementen während der Wellendrehung auftreten. Jedes der Wiegand-Eff ekt-rilemente besteht aus einem kurzen Stück eines sogenannten Wiegand-Drahts mit einer Aufnahmespule, welche darum gewickelt ist, um eine unterschiedliche magnetische Permeabilität des Innenkerns und des Außenmantels zu erzeugen. Unter Einwirkung eines jeden zyklischen magnetischen Felds der Magneten ergeben sich scharf ausgeprägte Impulse in jeder Aufnahmespule der Wiegand-Effekt-Elemente im wesentlichen unabhängig .von der Drehzahl der Welle. Die scharf ausgeprägten Impulse dienen zur exakten Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen den Impulsen, um eine genaue Ermittlung des Drehmoments der Welle im Niederdrehzahlbereich sicherzustellen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Drehmomentmeßfühlers nach Maßgabe der Erfindung für eine Ausgangswelle eines Getriebes,

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Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Ebene von II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer elektrischen Detektorschaltung, welche mit dem Drehmomentmeßfühler von Fig. 1 gekoppelt ist,

Fig. 4 Impulse, die in jedem Wiegand-Effekt-Element des Drehmomentmeßfühlers nach Fig. 1 auftreten,

Fig. 5 Wellenformen, die durch jeden Wellenwandler in der Detektorschaltung nach Fig. 3 umgeformt sind,

Fig. 6 ein Diagramm, welches einen Ausgang einer Integrationsschaltung in der Detektorschaltung zeigt, sowie

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Abänderung des in Fig. 1 dargestellten Drehmomentmeßfühlers.

Fig. 1 zeigt eine Antriebswelle 10 in Form einer Ausgangswelle einer Kraftübertragungseinrichtung bzw. eines Gebriebes, wobei die Welle drehbar durch ein entsprechendes Gehäuse 21 gelagert ist. Die Antriebswelle 10 ist mit einem Paar von nicht magnetischen Ringelementen 11 und versehen, die bei einer vorbestimmten Distanz mit axialem Abstand angeordnet und als eine Baueinheit fest mit der Welle 10 ausgebildet sind. In die Ringelemente 11 und sind jeweils Dauermagnete 13 und 14 eingebettet, deren Nord- und Südpole N und S in derselben Stellung in Umfangsrichtung angeordnet sind, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Ein Paar von sogenannten Wiegand-Effekt-Elementen 15 und 16 sind fest auf dem Getriebegehäuse 21 angeordnet und magnetisch mit den entsprechenden Magneten 13 und 14 gekoppelt. Das Wiegand-Effekt-Element 15 besteht aus einem

kurzen Stück Wiegand-Drahts 17 und einer um diesen gewickelten Aufnahmespule 19, und auch das Wiegand-Effekt-Element 16 besteht aus einem kurzen Stück eines Wiegand Wiegand-Drahts 18 und einer um diesen gewickelten Aufnahmespule 20. Die Wiegand-Effekt-Elemente 15 und 16 sind jeweils in Kunststoffstopfen 22 und 23 eingebettet, die zur Positionierung der entsprechenden Wiegand-Effekt-Elemente 15 und 16 in das Getriebegehäuse 21 eingeschraubt sind.

Wiegand-Effekt-Elemente sind von John R. Wiegand und Milton Verlinsky entwickelt worden und werden beispielsweise von der Firma Echlin Manufacturing Company hergestellt. Erläutert sind sie beispielsweise in der von der Society of Automotive Engineers Inc. herausgegebenen Zeitschrift "Automotive Engineering", Februar 1978. Bei der Herstellung der Wiegand-Drahtstücke 17, 18 ergibt eine spezielle Kaltverfestigung einer solch homogenen Legierung, wie einer Eisen-Nickel-Legierung, einen Außenmantel, der zur Änderung seiner Polarität ein viel höheres aufgebrachtes Magnetfeld erfordert, als es für den Innenkern erforderlich ist. Wahlweise wird eine amorphe Legierung mit großer magnetischer Spannung in Form einer Spule in einem Glühverfahren zur Bildung eines Innenkerns an ihrem Innenumfang und eines Außenmantels an ihrem Außenumfang behandelt und wird die glühbehandelte Legierung dann flachgedrückt. Ein jedes dieser Stücke von Wiegand-Drähten 17 und 18 weist eine unterschiedliche magnetische Permeabilität im Innenkern und im Außenmantel auf. Unter Einwirkung eines jeden zyklischen Magnetfelds der Magneten 13 und 14 treten unabhängig von der Drehzahl der Welle 10 in jeder Aufnahmespule der Wiegand-Effekt-Elemente und 16 scharf ausgeprägte Spannungsimpulse auf.

Während der Drehung der Welle 10 tritt ein großer positiver, scharf ausgeprägter Impuls in jeder Aufnahmespule der Elemente 13 und 16 auf, wenn der Innenkern die Polarität gegenüber dem Außenmantel wechselt aufgrund Annäherung des Magnetfelds eines jeden Südpols S der Magnete

13 und 14 nach Erregung durch das Magnetfeia^efirie%^j^d%η Nordpols N der Magneten, wie in Fig. 4 (a) und (b) dargestellt ist. Ein nicht dargestellter kleiner positiver Impuls tritt auf, wenn die Polarität des Innenkerns auf die des Außenmantels zurückwechselt aufgrund einer weiteren Annäherung des Magnetfelds eines jeden Südpols S der Magneten 13 und 14, vorausgesetzt, daß die kleinen positiven Impulse nicht für die Drehmomentermittlung verwendet werden können. Nachfolgend entsteht ein kleiner negativer, scharf ausgeprägter Impuls, wenn der Innenkern die Polarität gegenüber dem Außenmantel wechselt aufgrund Annäherung des Magnetfelds eines jeden Nordpols N der Magneten 13 und 14, vorausgesetzt, daß die großen negativen Impulse nicht für die Drehmomentermittlung verwendet werden können. Ferner wird ein kleiner negativer Impuls erzeugt, wenn die Polarität des Innenkerns auf die des Außenmantels zurückwechselt aufgrund einer weiteren Annäherung des Magnetfelds eines jeden Nordpols N, vorausgesetzt, daß die kleinen negativen Impulse nicht für die Drehmomentermittlung verwendet werden können.

Fig. 3 zeigt eine elektrische Detektorschaltung, welche zur Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen den scharf ausgeprägten großen positiven Impulsen dient, welche in jeder Aufnahmespule der Wiegand-Effekt-Elemente 15 und 16 auftreten, um das Drehmoment der Welle 10 zu ermitteln. In der elektrischen Detektorschaltung wird der im ersten Wiegand-Effekt-Element 15 auftretende positive Impuls in eine rechteckförmige Welle durch einen ersten

•Κ-

Wellenwandler 24 umgeformt, wie in Fig. 5 (a) dargestellt ist, während der im zweiten Wiegand-Effekt-iSlement 16 auftretende positive Impuls ebenfalls in eine rechteckförmige Welle durch einen zweiten Wellenwandler 25 gemäß Fig. 5 (b) umgewandelt wird. Wenn die erste und zweite Rechteckwelle an den Wellenwandlern 24, 25 auf eine Flip-Flop-Schaltung 26 als Setz- und Rückstellsignale geführt werden , wird eine rechteckförmige Ausgangswelle durch die Vorderkanten der ersten und zweiten Rechteckwellen definiert , die an einer Ausgangsklemme Q der Flip-Flop-Schaltung 26 ansteht, wie in Fig. 5 (c) dargestellt ist.

* bzw. Signal former

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Auf diese Weise wird zwischen den in den entsprechenden Wiegand-Effekt-Elementen 15 und 16 auftretenden positiven Impulsen eine Phasendifferenz durch die Breite t_o der rechteckförmigen Ausgangswelle ermittelt. Schließlich wird das Drehmoment der Welle 10 als ein analoger Wert e. ermittelt,welcher durch Integration der rechteckförmigen Ausgangswelle in einer Integrationsschaltung 27 erhalten wird/ wie in Fig. 6 dargestellt ist.

In der Praxis kann eine Anzahl von Dauermagneten 13a (14a) ausgebildet oder innerhalb eines jeden Ringelements 11, 12 eingebettet sein, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Im Falle einer aus nicht magnetischem Material hergestellten Ausgangswelle können die oben beschriebenen Magnete unmittelbar auf der Welle befestigt sein. Es ist auch festzuhalten, daß die Nord- und Südpole N und S des Magnets 14 in in Umfangsrichtung unterschiedlicher Position relativ zu den Polen des Magnets 13 angeordnet sein können.

Zusammengefaßt umfaßt ein Drehmomentmeßfühler wenigstens ein Paar von Dauermagneten, die mit vorbestimmtem axialen Abstand angeordnet und eine feste Baueinheit mit einer Antriebswelle bilden, sowie mindestens ein Paar von Wiegand-Effekt-Elementen, die magnetisch mit den entsprechenden Magneten gekoppelt sind, um eine Phasendifferenz zwischen Impulsen zu ermitteln, die in jeder Aufnahmespule der Wiegand-Effekt-Elemente während der Drehung der Welle auftreten.

Claims

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Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

13. April 1982 DE 2035 / case GP-102

Patentansprüche

\ 1. / Drehmomentmeßfühler zur Ermittlung eines Drehmoments einer Antriebswelle, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar von Dauermagneten (13, 14), welche mit vorbestimmtem Axialabstand angeordnet und als feste Baueinheit mit der Antriebswelle (10) ausgebildet sind, sowie durch mindestens ein Paar von Wiegand-Effekt-Elementen (15, 16), welche je aus einem kurzen Stück eines Wiegand-Drahts (17,18) und einer um diesen gewickelten Aufnahmespule (19, 20) aufgebaut und derart angeordnet sind, daß sie mit den entsprechenden Dauermagneten magnetisch gekoppelt sind, um eine Phasendifferenz zwischen Impulsen (a, b) zu ermitteln, welche in jeder Aufnahmespule der Wiegand-Ef fekt-Elemente während Drehung der Antriebswelle auftreten.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß·die Dauermagnete (13, 14) jeweils innerhalb eines Paars von Ringelementen (11, 12) aus nicht magnetischem Material eingebettet sind, welche in vorbestimmtem Axialabstand angeordnet und als feste Baueinheit mit der Antriebswelle (10) ausgebildet sind.
3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Dauermagneten (13a.bzw.- 14a) in Umfangsrichtung innerhalb eines jeden der Ringelemente

Deutsche Bank (München) KIo. S1/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 PostKheck (München) Kto. 670-43-804

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(11, 12) vorgesehen und mit magnetischer Kopplung zu den Wiegand-xSffekt-Elementen (15, 16) angeordnet sind.
4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nord- und Südpole (N, S) eines jeden Dauermagnets (13, 14) in einer ümfangsrichtung in derselben Position angeordnet und auf eine gemeinsame Achse ausgerichtet sind.
5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (10) eine Ausgangswelle einer Kraftübertragungseinrichtung ist, welche drehbar im Gehäuse der Einrichtung (21) gelagert ist, und daß die Wiegand-Effekt-Elemente (15, 16) auf dem Gehäuse (21) in einer radialen Richtung angeordnet sind, so daß sie mit den entsprechenden Dauermagneten (13, 14) magnetisch gekoppelt sind.