DE3915407A1 - Method and device for measuring a torque applied to a deformation body - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and devices for measuring a torque applied to a deformation body, two cyclic measured value sequences being generated on two axially and/or radially spaced points and the displacement of the two measured value sequences at the same measuring time intervals yielding a measured signal analogous to the applied torque. By this means, torques can be measured not only during rotation but also at a standstill.

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.The invention relates to a method and a device for measuring one on a deformation body, in particular a shaft torque at which a torque ment-dependent measurement signal is generated.

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.It is already known to use proximity sensors counter sensor attached to the rotating shaft work, where the temporal differences Exercise of the two maxima determined during one revolution as a measure of the angle of rotation of the shaft and the determination the torque from it.

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.A disadvantage of the known methods and devices is that they are only rotating or rapidly rotating Waves provide reasonable measurement results. When silent standing wave is still that there is a moment, no usable measurement signal is generated. For machines and Devices that are overloaded even at a standstill, for example when starting off, are such Processes and facilities cannot be used.

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.The invention is therefore based on the object, a Ver drive and facilities for performing the procedure propose that to produce reliable and from Valuable measurement results for both rotating and  also at least temporarily standing waves that are caused by ensure a torque is applied.

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.This object is achieved in that Generation of the measurement signal on two axially and / or radially spaced points of the torque acted upon Deformation body two cyclical, over one revolution Whoever produces continuously changing measured value profiles the, the difference between the two being determined at the same time Measured values as a measurement signal analogous to the applied torque is determined.

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.By generating the in relation to the rotary motion cyclic measurement curves and measurement of the difference of the Both measured values at the same time can be evaluated Signals in all operating states, i.e. even while still stood or generated with only slow rotation. Important is however, when choosing cyclic curves that from the Course the angular displacement can be derived. Prefers are two identical cyclic measured value curves used.

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.As a course of measured values in relation to the rotary movement is after the invention provided a cyclic triangular signal. It however, it is also possible to generate a sinusoidal signal testify.

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.A first intended to solve the problem fiction appropriate facility for carrying out the method stands, starting from two the deformation body with one axial and / or radial distance associated sensors and counter sensors in that the deformation body assigned sensors as proximity sensors and the counter sensors are designed as toothed disks, and that the Tooth shape of the teeth according to distance and coverage at ver rotation relative to the sensor according to the desired  cyclical course in relation to the rotary movement det. Alternatively, it is proposed that the Verfor mung body associated sensors as a ring shape magnetic tapes that are encoded in a perio include recurring signal, and the opposites sensors for detecting the rotational position of the two beavers are formed to each other.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand der in der Zeichnung zumindest teilweise im Prinzip gezeigten Ein­ richtung erläutert.The inventive method is based on the in the Drawing at least partially shown in principle direction explained.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 die Meßeinrichtung mit Zahnscheiben und Nähe­ rungssensoren in axialer Anordnung auf einer Welle als Verformungskörper, Fig. 1, the measuring device with toothed discs and proximity sensors in an axial arrangement on a shaft as a deformation body,

Fig. 2 eine Zahnscheibe und Fig. 2 is a toothed washer and

Fig. 3 ein Meßwertdiagramm bei einer bestimmten Drehzahl, Fig. 3 is a result diagram at a certain speed,

Fig. 4 ein Meßwertdiagramm bei einer anderen Drehzahl als nach Fig. 3 und Fig. 4 is a measured value diagram at a different speed than that of Fig. 3 and

Fig. 5 ein Meßwertdiagramm als Detail bezüglich der Meßwertberechnung in den Umkehrpunkten. Fig. 5 is a result diagram as detailed with respect to the measured value calculation at the reversal points.

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.The device shown in Fig. 1 consists of the shaft 1 , the rotation of which serves as a measured variable for the applied torque. On the shaft 1 , a housing 4 is gela gert and held stationary. It remains at rest, even if the shaft 1 rotates in it. On the shaft 1 , two toothed disks 2 , 3 are arranged at an axial distance from one another in a rotationally fixed manner. The two toothed disks 2 , 3 are identical forms.

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.As can be seen from FIG. 2, the toothed disks 2 , 3 have circumferentially distributed teeth 8 separated by tooth gaps 7 . The toothed disks 2 , 3 are fixed in phase on the shaft 1 . In the housing 5 , each toothed disc 2 , 3, a proximity sensor 5 , 6 assigned be fastened. The two proximity sensors 5 , 6 generate a voltage which corresponds to the respective approach position to a tooth 7 . The shape of the teeth 7 and gaps 8 in relation to their distance from the respective sensor 5 , 6 and in relation to the overlap with the sensor 5 , 6 is selected such that a cyclic voltage curve, such as that shown in FIG. 3, is shown during rotation Triangular course, are given. Depending on the size of the applied torque, there is a rotation of the two toothed disks 2 , 3 to each other. The rotation position determined by the sensors 5 , 6 in each case results in two mutually displaced measured value curves, the vertical distance from one another of which is a measure of the rotation angle at the same time detection. However, the spread of the curves over time is speed-dependent. In order to eliminate the speed and also achieve measurements at a standstill, the vertical displacement is measured, which is independent of the speed, but is only determined by the angle of rotation of the two lock washers. The difference between the two measured values measured at the same time corresponds to the applied torque.

Fig. 3 zeigt die Signale für eine bestimmte Drehzahl bei konstantem Moment. Fig. 3 shows the signals for a certain speed at a constant torque.

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. Fig. 4 shows the signals at half the speed but at the same moment compared to Fig. 3. Despite different speeds and thus different time intervals of the signal curves, the vertical distance - and thus the angle of rotation - remains the same at the same moment.

Die Auswertung dieser drehpositionsabhängigen Signale erfolgt mit Hilfe eines Rechners.The evaluation of these rotational position-dependent signals takes place with the help of a computer.

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.The voltage values of the two curves M ₁ and M ₂ accordingly the measured drive value M ₁ and the output measured value M ₂ measured by the proximity sensors 5 , 6 , which are measured simultaneously in discrete time intervals.

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.Taking into account the reversal points is in the ranges A , C , E , the calculation is given by the difference between the two voltage values M ₁ t and M ₂ t . The sign is determined by taking the sign of the gradients of the curves into account.

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:In a simplified form, areas B and D can be dispensed with, since they are very small in comparison to A , C and E (shown enlarged in the illustration). This results in the following calculation rule:

Darin bedeutenMean in it

K=Anpassungsfaktor (Spannungswert : Drehmoment)
M₂-M₁=Meßwertdifferenz zeitgleich gemessen
T=Vorzeichenkorrektur und "Ausblenden" der Bereiche B und D K = adjustment factor (voltage value: torque)
M ₂- M ₁ = measured value difference measured simultaneously
T = sign correction and "hiding" of areas B and D

Bei gleichem Vorzeichen der Steigung wird T= +1 bzw. -1. Dadurch wird das richtige Vorzeichen für M bestimmt. With the same sign of the slope, T = +1 or -1. This determines the correct sign for M.

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.If the sign is not the same, T = 0, ie it moves infinitely against the value. This means that the determined value of M also goes towards infinity.

Wenn M größenmäßig gegen unendlich berechnet wird, wird der Wert nicht ausgewertet, da sich die Signalverläufe in dem Bereich B oder D befinden.If M is calculated in terms of size against infinity, the value is not evaluated because the signal profiles are in the B or D range .

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.The sign of T evaluates whether both curves are "rising" or "falling". With this calculation rule, it is automatically determined whether the applied torque is positive or negative. This system uses only the linear curves of M ₁ and M ₂ and suppresses the transition areas B and 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.With the help of a more complex evaluation calculation (see FIG. 5), areas B and D can also be used for the measurement. For this purpose, the curve shape M ₂ is changed in the transition area so that the two measured values M ₁ and M ₂ and a calculation in front of the character are made possible by subtraction.

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.For this calculation, the last value of M ₂ in areas A and C must be stored in the evaluation unit at the transition from areas A and C to areas B and D.

Es wird ein Wert M _2x eingeführt. Für diesen gilt dann, wennA value M _{2 x is} introduced. For this then applies if

ist, ist M₂ gleich dem aktuellen Wert M _2x . is, M ₂ is equal to the current value M _{2 x} .

Beim ersten Auftreten vonAt the first occurrence of

wird der Wert M _2x =M _2t (M ₂ zum Zeitpunkt t) festgehalten.the value M _{2 x} = M _{2 t} (M ₂ at time t) is recorded.

Erst wennOnly when

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.applies, M _{2 x} = M _{2 t} , is equated with the constantly changing value M ₂. For the calculation rule, the assumption is made that SGN (0) = 1.

Darin bedeutenMean in it

R = Korrektur des Wertes M₂ für die Berechnung in den Übergangsbereichen B, D
S = Definition des Vorzeichens. R = correction of the value M ₂ for the calculation in the transition areas B, D
S = definition of the sign.

Diese Gleichung gilt für den gesamten Bereich (A, B, C, D, E, . . .).This equation applies to the entire range (A, B, C, D, E,... ).

Die Korrektur des Wertes M₂ durch den Wert R wird anhand von Fig. 5 deutlich.The correction of the value M ₂ by the value R is clear from FIG. 5.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Welle
2, 3 Zahnscheibe
4 Gehäuse
5, 6 Sensor
7 Zahn
8 Zahnlücke 1 wave
2, 3 tooth lock washer
4 housing
5, 6 sensor
7 tooth
8 tooth gap

Claims (7)

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.1. A method for measuring a torque applied to a deformation body, in particular a shaft, in which a torque-dependent measurement signal is generated, characterized in that for generating the measurement signal at two axially and / or radially spaced locations of the deformation body acted upon by the torque, two cyclical via one Revolution continuously changing measured value profiles are generated, the difference between the two measured values determined simultaneously being determined as a measurement signal analogous to the applied torque. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßwertverläufe an sich identisch sind.2. The method according to claim 1, characterized, that the two measured value curves are identical per se. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertverlauf ein zyklisches Dreiecksignal erzeugt wird, das abhängig von der Drehbewegung ist. 3. The method according to claims 1 or 2, characterized, that a cyclic triangular signal as the measured value curve is generated, which is dependent on the rotary movement.   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertverlauf ein sinusförmiges Signal erzeugt wird, das abhängig von der Drehbewegung ist.4. The method according to claims 1 or 2, characterized, that generates a sinusoidal signal as the measured value curve that is dependent on the rotational movement. 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.5. A device for performing the method according to one or more of claims 1 to 4, wherein the deformation body on which the torque is to be measured, two sensors and two counter sensors are assigned in axial and / or radial distance, characterized in that the the deformation body ( 1 ) associated sensors ( 5, 6 ) are designed as proximity sensors and the counter sensors as toothed disks ( 2, 3 ), and that the tooth shape of the teeth ( 7 ) according to the distance and overlap when rotated relative to the sensor ( 5 ) desired cyclical course is formed via the rotary movement. 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. 6. Device for performing the method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the deformation body ( 1 ) associated sensors as a ring-shaped magnetic tapes which contain a periodically recurring signal in coded form, and the counter sensors accordingly Detection of the rotational positions of the two encoders are designed to each other. 7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) selbst als Verformungskörper ausgebildet ist.7. Device according to claims 5 or 6, characterized in that the shaft ( 1 ) itself is designed as a deformation body.