DE3915407A1

DE3915407A1 - Verfahren und einrichtung zum messen eines an einem verformungskoerper anliegenden drehmomentes

Info

Publication number: DE3915407A1
Application number: DE3915407A
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Dr Ing Langen
Original assignee: GKN Walterscheid GmbH
Current assignee: Walterscheid GmbH
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1989-11-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen eines an einem Verformungskörper, insbesondere einer Welle anliegenden Drehmomentes bei dem ein drehmo mentabhängiges Meßsignal erzeugt wird.

Es ist bereits bekannt, Näherungssensoren, die mit einem an der rotierenden Welle angebrachten Gegensensor zusam menarbeiten, zu nutzen, bei denen die zeitliche Verschie bung der beiden während eines Umlaufs ermittelten Maxima als Maß für den Verdrehwinkel der Welle und der Ermittlung des Drehmomentes daraus dienen.

Von Nachteil bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist, daß sie nur bei rotierenden bzw. schnell rotierenden Wellen vernünftige Meßergebnisse liefern. Bei still stehender Welle wird trotzdem, daß ein Moment anliegt, kein brauchbares Meßsignal erzeugt. Bei Maschinen und Geräten, bei denen auch im Stillstand eine Überlastung, zum Beispiel beim Anfahren, auftreten kann, sind solche Verfahren und Einrichtungen nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, die zur Erzeugung zuverlässiger und aus wertbarer Meßergebnisse sowohl bei rotierenden, als auch zumindest zeitweise stillstehenden Wellen, die durch ein Drehmoment beaufschlagt sind, gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung des Meßsignals an zwei axial und/oder radial beabstandeten Stellen des vom Drehmoment beaufschlagten Verformungskörpers zwei zyklische, über eine Umdrehung sich kontinuierlich ändernde Meßwertverläufe erzeugt wer den, wobei die Differenz der beiden zeitgleich ermittelten Meßwerte als dem anliegenden Drehmoment analoges Meßsignal ermittelt wird.

Durch die Erzeugung der in Bezug auf die Drehbewegung zylischen Meßwertverläufe und Messung der Differenz der beiden Meßwerte zum gleichen Zeitpunkt werden auswertbare Signale in allen Betriebszuständen, also auch im Still stand oder bei nur langsamer Rotation erzeugt. Wichtig ist jedoch bei der Auswahl von zyklischen Kurven, daß aus dem Verlauf die Winkelverschiebung herleitbar ist. Bevorzugt werden zwei ansich identische zyklische Meßwertverläufe genutzt.

Als Meßwertverlauf in Bezug auf die Drehbewegung ist nach der Erfindung ein zyklisches Dreieckssignal vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, ein sinusförmiges Signal zu er zeugen.

Eine erste zur Lösung der Aufgabe vorgesehene erfindungs gemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens be steht, ausgehend von zwei dem Verformungskörper mit einem axialen und/oder radialen Abstand zugeordneten Sensoren und Gegensensoren darin, daß die dem Verformungskörper zugeordneten Sensoren als Näherungssensoren und die Gegen sensoren als Zahnscheiben ausgebildet sind, und daß die Zahnform der Zähne nach Abstand und Überdeckung bei Ver drehung relativ zum Sensor entsprechend dem gewünschten zyklischen Verlauf in Bezug auf die Drehbewegung ausgebil det ist. Alternativ ist vorgeschlagen, die dem Verfor mungskörper zugeordneten Sensoren als eine Ringform auf weisende Magnetbänder die in codierter Form ein perio disch wiederkehrendes Signal beinhalten, und die Gegensen soren entsprechend zur Erfassung der Drehposition der beiden Beber zueinander ausgebildet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der in der Zeichnung zumindest teilweise im Prinzip gezeigten Ein richtung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Meßeinrichtung mit Zahnscheiben und Nähe rungssensoren in axialer Anordnung auf einer Welle als Verformungskörper,

Fig. 2 eine Zahnscheibe und

Fig. 3 ein Meßwertdiagramm bei einer bestimmten Drehzahl,

Fig. 4 ein Meßwertdiagramm bei einer anderen Drehzahl als nach Fig. 3 und

Fig. 5 ein Meßwertdiagramm als Detail bezüglich der Meßwertberechnung in den Umkehrpunkten.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besteht aus der Welle 1, deren Verdrehung als Meßgröße für das anliegende Drehmoment gilt. Auf der Welle 1 ist ein Gehäuse 4 gela gert und ortsfest gehalten. Es bleibt in Ruhe, auch wenn die Welle 1 darin rotiert. Auf der Welle 1 sind zwei Zahn scheiben 2, 3 mit axialem Abstand zueinander drehfest ange ordnet. Die beiden Zahnscheiben 2, 3 sind identisch ausge bildet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzen die Zahnscheiben 2, 3 umfangsverteilt angeordnete und durch Zahnlücken 8 ge trennte Zähne 7. Die Zahnscheiben 2, 3 sind phasengleich auf der Welle 1 befestigt. In dem Gehäuse 5 ist jeder Zahnscheibe 2, 3 ein Näherungssensor 5, 6 zugeordnet be festigt. Die beiden Näherungssensoren 5, 6 erzeugen eine Stromspannung, die der jeweiligen Annäherungsposition an einen Zahn 7 entspricht. Die Form der Zähne 7 und Lücken 8 in Bezug auf ihren Abstand vom jeweiligen Sensor 5, 6 und in Bezug auf die Überdeckung mit dem Sensor 5, 6 ist so gewählt, daß bei Rotation ein zyklischer Spannungsverlauf, wie beispielsweise der in Fig. 3 ersichtliche Dreiecks verlauf, vorgegeben sind. Je nach Größe des anliegenden Drehmomentes ergibt sich eine Verdrehung der beiden Zahn scheiben 2, 3 zueinander. Die von den Sensoren 5, 6 je weilig festgestellte Verdrehposition ergibt zwei zueinan der verschobene Meßwertkurven, deren Vertikalabstand zu einander bei zeitgleicher Erfassung ein Maß für den Ver drehwinkel ist. Die zeitliche Spreizung der Kurven ist jedoch drehzahlabhängig. Um die Drehzahl zu eliminieren und auch Messungen im Stillstand zu erreichen, wird die vertikale Verschiebung gemessen, die von der Drehzahl unabhängig ist, sondern nur vom Verdrehwinkel der beiden Zahnscheiben zueinander bestimmt ist. Die Differenz der beiden zeitgleich gemessenen Meßwerte entspricht dem an liegenden Drehmoment.

Fig. 3 zeigt die Signale für eine bestimmte Drehzahl bei konstantem Moment.

Fig. 4 zeigt die Signale bei halber Drehzahl aber bei gleichem Moment im Vergleich zu Fig. 3. Trotz unter schiedlicher Drehzahlen und damit unterschiedlicher Zeit abstände der Signalverläufe bleibt der vertikale Abstand - und damit der Verdrehwinkel - bei gleichem Moment gleich.

Die Auswertung dieser drehpositionsabhängigen Signale erfolgt mit Hilfe eines Rechners.

Die Spannungswerte der beiden Kurven M₁ und M₂ ent sprechend des von den Näherungssensoren 5, 6 gemessenen Antriebsmeßwerts M₁ und dem Abtriebsmeßwert M₂, die in diskreten Zeitabständen jeweils zeitgleich gemessen werden.

Unter Berücksichtigung der Umkehrpunkte ist in den Be reichen A, C, E ist die Berechnung durch die Differenz der beiden Spannungswerte M₁t und M₂t gegeben. Das Vorzeichen wird durch die Mitberücksichtigung des Vorzeichens der Steigungen der Kurvenzüge bestimmt.

In einer vereinfachten Form kann auf die Bereiche B und D verzichtet werden, da sie im Vergleich zu A, C und E sehr klein sind (in der Darstellung vergrößert wiedergegeben). Hieraus ergibt sich folgende Berechnungsvorschrift:

Darin bedeuten

K=Anpassungsfaktor (Spannungswert : Drehmoment)
M₂-M₁=Meßwertdifferenz zeitgleich gemessen
T=Vorzeichenkorrektur und "Ausblenden" der Bereiche B und D

Bei gleichem Vorzeichen der Steigung wird T= +1 bzw. -1. Dadurch wird das richtige Vorzeichen für M bestimmt.

Bei ungleichem Vorzeichen wird T=0, d. h. bewegt sich größenmäßig gegen den Wert unendlich. Dies bedeutet, der ermittelte Wert von M geht ebenfalls gegen unendlich.

Wenn M größenmäßig gegen unendlich berechnet wird, wird der Wert nicht ausgewertet, da sich die Signalverläufe in dem Bereich B oder D befinden.

Das Vorzeichen von T bewertet, ob beide Kurvenverläufe "steigend" oder "fallend" sind. Bei dieser Berechnungsvor schrift ergibt sich automatisch, ob das anliegende Moment positiv oder negativ ist. Dieses System nutzt nur die linearen Kurvenverläufe von M₁ und M₂ und unterdrückt die Übergangsbereiche B und D.

Mit Hilfe einer komplexeren Auswerteberechnung (s. Fig. 5) können auch die Bereiche B und D mit zur Messung ausge nutzt werden. Hierfür wird der Kurvenverlauf M₂ im Über gangsbereich so verändert, daß durch eine Subtraktion die beiden Meßwerte M₁ und M₂ und durch zusätzliche vor zeichenbestimmende Therme eine Berechnung ermöglicht wird.

Für diese Berechnung muß beim Übergang von den Bereichen A und C in die Bereiche B und D der letzte Wert von M₂ im Bereich A bzw. C in der Auswerteeinheit gespeichert werden.

Es wird ein Wert M _2x eingeführt. Für diesen gilt dann, wenn

ist, ist M₂ gleich dem aktuellen Wert M _2x.

Beim ersten Auftreten von

wird der Wert M _2x=M _2t (M ₂ zum Zeitpunkt t) festgehalten.

Erst wenn

gilt, wird M _2x=M _2t, als dem laufend sich änderndenWert M₂ gleichgesetzt. Es wird für die Berechnungsvorschrift die Annahme gemacht, daß SGN (0)=1 ist.

Darin bedeuten

R = Korrektur des Wertes M₂ für die Berechnung in den Übergangsbereichen B, D
S = Definition des Vorzeichens.

Diese Gleichung gilt für den gesamten Bereich (A, B, C, D, E, . . .).

Die Korrektur des Wertes M₂ durch den Wert R wird anhand von Fig. 5 deutlich.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2, 3 Zahnscheibe
4 Gehäuse
5, 6 Sensor
7 Zahn
8 Zahnlücke

Claims

1. Verfahren zum Messen eines an einem Verformungskörper, insbesondere einer Welle anliegenden Drehmomentes, bei dem ein drehmomentabhängiges Meßsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Meßsignals an zwei axial und/oder radial beabstandeten Stellen des vom Drehmoment beaufschlagten Verformungskörpers zwei zyklische über eine Umdrehung sich kontinuierlich ändernde Meßwertverläufe erzeugt werden, wobei die Differenz der beiden zeitgleich ermittelten Meßwerte als dem anliegenden Drehmoment analoges Meßsignal ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßwertverläufe an sich identisch sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertverlauf ein zyklisches Dreiecksignal erzeugt wird, das abhängig von der Drehbewegung ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertverlauf ein sinusförmiges Signal erzeugt wird, das abhängig von der Drehbewegung ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei dem Verformungskörper, an dem das durchgeleitete Drehmoment zu messen ist, im axialen und/oder radialen Abstand zwei Sensoren und zwei Gegensensoren zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verformungskörper (1) zugeordneten Sensoren (5, 6) als Näherungssensoren und die Gegensensoren als Zahnscheiben (2, 3) ausgebildet sind, und daß die Zahnform der Zähne (7) nach Abstand und Überdeckung bei Verdrehung relativ zum Sensor (5) entsprechend dem gewünschten zyklischen Verlauf über die Drehbewegung ausgebildet ist.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verformungskörper (1) zugeordneten Sensoren als eine Ringform aufweisende Magnetbänder, die in codierter Form ein periodisch wiederkehrendes Signal beinhalten, und die Gegensensoren entsprechend zur Erfassung der Drehpositionen der beiden Geber zueinander ausgebildet sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) selbst als Verformungskörper ausgebildet ist.