WO2019207166A1 - Belastungsmessverfahren, belastungsmessvorrichtung und belastungsmessanordnung - Google Patents

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WO2019207166A1
WO2019207166A1 PCT/EP2019/060975 EP2019060975W WO2019207166A1 WO 2019207166 A1 WO2019207166 A1 WO 2019207166A1 EP 2019060975 W EP2019060975 W EP 2019060975W WO 2019207166 A1 WO2019207166 A1 WO 2019207166A1
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WO
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test object
rotation angle
measuring
rotation
load
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/060975
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Schanz
Tobias Kitzler
Philipp Cörlin
Philipp VAN OS
Philippe KLEMM
Tobias Senkbeil
Original Assignee
Trafag Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trafag Ag filed Critical Trafag Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/14—Determining imbalance
    • G01M1/16—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested
    • G01M1/28—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested with special adaptations for determining imbalance of the body in situ, e.g. of vehicle wheels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G01L25/003—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency for measuring torque
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/105—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving inductive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/13—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the tractive or propulsive power of vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method, a device and an arrangement for measuring a mechanical load on a test object. Under loads are understood forces, torques or mechanical stresses on the test object.
  • Torque transducer for a torque sensor for measuring a
  • the invention relates to a torque sensor provided with such a torque transducer, a torque measuring arrangement provided with such a torque transducer, and a measuring method for measuring a torque by detecting magnetic field changes.
  • Measurands of torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects.
  • Magnetoelastic (or inverse-magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used.
  • the ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called Villari effect).
  • a delineation of the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish on the basis of its frequency dependence from the other effects.
  • the state of the magnetization of the object is often unknown or is influenced by processing and handling of the objects sustainably, so that a broad industrial use is often difficult.
  • Test objects such as Waves are more of a challenge. Even when waves are made with the highest accuracy, they are not completely homogeneous in terms of girth. Even smaller deviations in the design or arrangement of the material of the shaft lead to periodic fluctuations in the measurement signal when the shaft rotates. Accordingly, one is
  • RSN Stress measurement due to the magnetoelastic effect on rotating test objects and in the arrangement of sensor heads or encoders, a distance compensation and / or a compensation of the so-called “RSN” to accomplish.
  • RSN stands for "Rotational Signal Non-Uniformity” and refers to a signal variation that occurs when a measuring body moves or rotates, due to various physical effects in the measuring point. Efforts have already been made in the aforementioned literature to reduce RSN; typically, however, there are always a few percent left over.
  • the invention has for its object to provide a more accurate measurement of
  • the invention provides a load measuring device, a load measuring arrangement and a load measuring method and uses thereof according to the independent claims.
  • the invention provides according to a first aspect thereof
  • Stress measuring device for measuring a load on a test object rotatable about a rotation axis, comprising
  • a magnetic field generating device for generating a magnetic field on the test object
  • a magnetic field detecting device for detecting a magnetic field parameter changing under the influence of a load on the test object
  • a rotation angle detecting device for detecting a rotation angle of the test object
  • an evaluation device which is set up, on the basis of the rotational angle detected by the rotation angle detection means a
  • Rotation angle detection device comprises an incremental encoder.
  • the incremental encoder is preferably provided with a rotating with the test object element and a stationary element and a pulse generating means for generating a pulse train upon relative rotation of the elements.
  • the pulse generating device acts optically, capacitively or inductively.
  • An inductive pulse generating device is particularly preferred, in particular, it can at a sensor head, the
  • Magnetic field detection device and the magnetic field generating device has to be integrated.
  • the rotation angle detection device is designed as an absolute value encoder.
  • the rotation angle detecting means comprises a first member and a second member which are rotatable relative to each other about the rotation axis, wherein one of the elements on the test object is co-rotating or arranged, wherein the first member has a measuring surface which extends in the circumferential direction in that its position in the circumferential direction constantly changes, and wherein the second element comprises at least first and second distance measuring means for measuring a distance to the
  • a preferred embodiment of the load measuring device is characterized by a sensor head on which the
  • Magnetic field generating device the magnetic field detection means and at least a part of the rotation angle detecting means are formed.
  • the stationary element has a separate
  • Test object rotating element has a sprocket or a circumferential region with a series of protrusions and depressions on the test object.
  • the magnetic field generation device, the magnetic field detection device and / or the sensor head are formed as described and shown in more detail in the international patent application PCT / EP2018 / 060232, to which reference is expressly made for further details.
  • a location on the circumference of the test object e.g. a tooth of the ring gear, it may have a separate shape, so that when passing this point a different signal is generated, which as
  • Zero point signal (reference rotation angle, e.g., 0 °) is usable.
  • the passage of other teeth generates pulses that can be counted, so that thereby the rotation angle is detected.
  • the accuracy of the rotation angle detection is determined by the number of teeth on the circumference.
  • the evaluation device has a memory in which a rotation angle-dependent correction or reference value and / or
  • the invention provides a
  • a strain gauge assembly comprising a strain gauge according to any one of the preceding aspects and the test object.
  • test object is a rotating shaft, a crankshaft, a hub, a rotating part of a vehicle, a rotating part of a vehicle
  • the invention provides a drive control for power assistance of a pedal-driven vehicle, comprising a load measuring device or load measuring device according to one of the preceding embodiments for measuring a load on a pedal-driven rotary member.
  • the invention provides an e-bike comprising such a drive control and / or a load measuring device or a load measuring arrangement according to one of the preceding embodiments.
  • the e-bike includes a display device for displaying information to the driver, the display device being configured to display information based on data from the rotation angle detection device.
  • the invention provides a load measuring method for measuring a load on a test object which can be rotated about a rotation axis
  • the invention provides a method of controlling a drive of a vehicle using a vehicle
  • Preferred embodiments of the invention provide RSN compensation by angle information.
  • Circulation modulation arise. This additional error in the offset can be compensated by an angle information.
  • RSN compensation e.g. E-bike, electric motor, combustion engine, drive units in
  • Preferred embodiments of the invention relate to the combination of a torque sensor, an angle sensor and the possibility of correcting the offset change caused by the RSN via a look-up table or a function.
  • Preferred embodiments of the invention include for obtaining the
  • preferred embodiments of the invention include a
  • a rotation angle detection arrangement comprising a rotating test object and such a rotation angle detection device.
  • a preferred embodiment of the invention is designed, in particular, as a power detection device for detecting a mechanical power on a rotating test object.
  • Rotary angles are often measured today with incremental encoders that generate a pulse sequence when two elements are rotated relative to each other.
  • the number of pulses is a measure of the angle of rotation.
  • the incremental encoders In order to specify an absolute angle of rotation, the incremental encoders must receive an initial value.
  • potentiometers are known as absolute rotary encoder in practice. These have only a limited range of rotation and are relatively expensive to manufacture.
  • the load measuring device comprises a
  • a rotation angle detecting device comprising a first member and a second member, the first member being rotatable relative to the second member about an axis of rotation and having a measurement surface extending circumferentially relative to the axis of rotation and having a strictly monotonous function depending on the Changing the circumferential position
  • Surface parameter has, wherein the second element a plurality relative to each other in the circumferential direction offended Surface parameter detecting means for detecting the surface parameter has.
  • the surface parameter has a dimension of
  • Measuring surface in a radial and / or axial direction Measuring surface in a radial and / or axial direction.
  • the surface parameter may be an axial and / or radial position of the measurement surface.
  • the measuring surface is formed on an electrically conductive material of the first element.
  • the surface parameter value detection devices each have an inductive element, on which the measurement surface moves past during the relative rotation.
  • inductance detecting means for detecting an inductance of the inductive element.
  • Surface parameter detecting means comprises a measuring coil.
  • At least one of the surface detection means comprises a planar coil.
  • the inductance detection device comprises a resonant circuit which has the at least one inductance, in particular in the form of a measuring coil or planar coil, and a capacitance, and a
  • the surface parameter value detecting means for detecting an overlap with the surface are formed.
  • the strictly monotone function is a function of the group comprising a linear function, a sinus function, a root function, or a root sinus function.
  • Circumferentially spaced at the second element are provided.
  • the first element is formed integrally on a test object rotating about the rotation axis or for attachment to a test object rotating about the rotation axis, and that the second element is designed for stationary placement on the test object.
  • the measurement surface extends completely around the entire circumference.
  • the surface parameter changes over the entire circumference with the strictly monotonous function.
  • the surface parameter is over a first
  • the load measuring arrangement preferably comprises a
  • a rotation angle measuring arrangement comprising a test object rotating about a rotation axis and a rotation angle detection device according to one of
  • the first element is disposed on or integral with the test object.
  • the measurement surface may e.g. a surface on the test object.
  • the measurement surface may also be a surface of an element to be co-located on the test object.
  • the first element is an eccentric element.
  • a load measuring device comprising a power detection device for detecting a mechanical object on a test object rotating about a rotation axis, comprising a torque sensor for detecting a torque applied to the test object and a rotation angle detection device according to any one of the preceding embodiments for detecting a rotation angle of the device under test Power is formed due to the torque detected by the torque sensor and due to the rotation angle detected by the rotation angle detecting means.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention comprises a step for detecting a rotation angle between two elements which rotate relative to one another about an axis of rotation, comprising:
  • the method is performed with a rotation angle detection device according to one of the preceding embodiments.
  • a rotation angle detection device according to one of the preceding embodiments.
  • the RSN error can be determined using a
  • Advantageous embodiments of the invention therefore relate to an idea of an angle sensor with a resolution of ⁇ 1 °, which is e.g. can be used in combination with a torque sensor as a power sensor.
  • Advantageous embodiments of the invention relate to an arrangement of at least two inductors or more - the more inductances the higher the resolution, the variable texture on a test object, such as e.g. a shaft, a wheel, a chainring, a rotating element, etc., are exposed radially or axially to the axis of rotation.
  • a test object such as e.g. a shaft, a wheel, a chainring, a rotating element, etc.
  • Phi Arccos
  • the texture can e.g. be a triangular structure or a sine structure.
  • the structure of the inductors is not relevant. Planar coils are preferred because they integrate easily and in mass production with the methods of
  • the first element - also called a target - can be, for example, a sinewave, in particular a root sinus disk.
  • a root function is preferable because an eddy current change behaves according to a root function.
  • the target could theoretically also be wound up as a triangle or a root triangle.
  • a triangle gives e.g. a surface parameter that changes linearly with the circumferential position.
  • Other functional relationships between circumferential position (i.e., rotational angle position) and surface parameter value are also possible.
  • rotational angle position is exactly one
  • Circumferential positions which may have the same surface parameter value, can be used with a higher number of
  • the angle measurement is extremely robust to changes in distance. For example, One can implement in the algorithm that the amplitude height of the individual
  • Coil signals is constantly adjusted. For example, After one revolution, the minima and the maxima are calculated, and this can be incorporated into the angle measurement. So you can also achieve a temperature compensation.
  • One of the two relatively rotating elements should be connected to a rotating test object.
  • the target is connected in any way with the shaft and rotates.
  • the inductances e.g. Coils are formed with a capacitor as a resonant circuit; and you can determine the frequency of the resonant circuit and calculate the resulting inductance.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a sensor head of a
  • Load in particular force, tension or torque on a test object
  • FIG. 2 shows a second preferred embodiment of the sensor head
  • Fig. 3 is a side view of the sensor head of Fig. 1 together with the
  • Fig. 4 is a view similar to Fig. 3 a further embodiment of the
  • Sensor head shows a view comparable to FIG. 3 of yet another embodiment of the sensor head
  • FIG. 6 is a graph of an example of an RSN circular error at a
  • Fig. 7 is another graph showing the RSN at a pattern test stand
  • FIG. 8 shows a first embodiment of a rotation angle detection device
  • FIG. 9 shows a second embodiment of a rotation angle detection device
  • FIG. 10 is a schematic representation of another embodiment of a
  • FIG. 11 shows a schematic representation of yet another embodiment of a rotation angle detection device
  • FIG. 12 is a graph showing raw signals for angle measurement using FIG. 12
  • Fig. 13 is a graph showing an angle Phi calculated from the raw signals
  • FIG. 14 is a perspective view of a load measuring device, here in the form of a power detecting device, which torque sensors and an embodiment of a
  • Fig. 15 is a perspective view of a load measuring arrangement on
  • Example of a power detection arrangement which by Combination of the power detection device of FIG. 14 with a test object, in particular a shaft, is formed;
  • FIG. 16 is an axial plan view of the power detecting apparatus of FIG.
  • Fig. 17 is an axial plan view of a second element of
  • a power detection device comprising a second element of the rotation angle detection device
  • Fig. 18 is a view as in Fig. 17, wherein also a first element of
  • Rotation angle detection device is indicated.
  • FIGS. 1 to 5 show various embodiments of sensor heads 10 for a load-measuring device 12.
  • Load measuring device 12 is used for measuring mechanical
  • Loads, in particular torques, forces or stresses, in an at least partially magnetizable test object 14 rotatable about a rotation axis e.g. a shaft, a gear part, a hub, a chainring or the like, which in particular from or with
  • Stress measuring device 12 together form a load measuring arrangement 16.
  • the load measuring device 12 has a magnetic field generation device 18 and a plurality of magnetic field detection devices 20, 22. Furthermore, the load measuring device 12 has a rotation angle detection device 40 for detecting a rotation angle of the test object 14 and an evaluation device 42 for reducing an influence of the load measurement by rotation angle-dependent effects.
  • the evaluation device 42 is connected to the
  • the evaluation device 42 is particularly directed to using the RSN using the
  • the magnetic field generating device 18 has a generator coil Lg and a driver circuit 24 (see FIGS. 6, 11 and 12) for driving the generator coil Lg.
  • the magnetic field detection devices 20, 22 have magnetic field sensors 26 in the form of detector coils A1, A2, B1, B2 or solid-state magnetic field sensors 27 and an evaluation device 42 for evaluating the signals of the
  • FIG. 3 The embodiment of the sensor head 10 shown in FIG. 1 with a view to the front side to be directed onto the test object 14 is shown in FIG. 3 from the side.
  • This embodiment has two first magnetic field sensors 26-1 designed as first detector coils A1, A2 and two second magnetic field sensors 26-2 designed as second detector coils B1, B2.
  • the detector coils A1, A2, B1, B2 are provided in a cross-shaped arrangement or X-arrangement 28 on a common flux concentrator 30 made of ferromagnetic material.
  • the generator coil Lg is centrally provided - here also on a corresponding projection of the flux concentrator 30 -, wherein the first
  • Detector coils A1 and A2 are opposite and the second detector coils B1 and B2 are opposite.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the sensor head 10 with a V-arrangement 32, where only a first magnetic field sensor 26-1 - e.g. the first
  • Detector coil A1 - and only a second magnetic field sensor 26-1 angularly arranged to each other with the generator coil Lg are provided at the top of the angle shape.
  • Solid-state magnetic field sensors 27 may be provided as first and second magnetic field sensors 26-1, 26-2.
  • 5 shows an embodiment of the sensor head 10, in which the coil detector coils A1, A2, B1, B2 and generator coil Lg are provided as planar coils 34 in a printed circuit board element 36, for example designed as PCB plates.
  • strain gauge 12 implements a new signal processing concept for tapping and
  • FIG. 6 shows an example of an RSN circular error recorded on a rotating shaft with a sensor head 10 of FIG. 1 plotted against an angle.
  • the signal as in Fig. 6 are applied over the angle.
  • a defined loading condition e.g. in the unloaded state
  • the signal as in Fig. 6 are applied over the angle.
  • Load measuring arrangement 16 This function or the offset values can be used as reference values or correction values, e.g. in the form of a look-up table in a memory of the evaluation 42 store.
  • the angle of rotation is then obtained via the rotation angle detection device 40, the stored values / the function recorded provide the offset present at this angle and can subtract this from the measurement signal.
  • the RSN is for example +/- 6 Nm. Depending on the shaft, this value may vary slightly upwards or downwards. This corresponds to a percentage error of about +/- 3.75% (at 160Nm rated load).
  • a torque measurement connected to the pedals waves should be used to control a supporting electric motor. For example, with maximum assistance, the electric motor should deliver full output at about 25Nm of torque on the crankshaft. If the RSN is now +/- 4.5 Nm, then the desired one
  • the aim is to improve the RSN error to at most + 1-2 Nm. This value was previously alone by
  • FIG. 8 shows a first exemplary embodiment of the rotational speed detection device 42.
  • the rotational speed detection device 42 has an incremental encoder with a rotating element with the test object 14.
  • a perforated disc 44 for example, a perforated disc 44, and a stationary element.
  • the stationary element not shown, has, for example, a light-emitting diode on one side of the perforated disk and a photodiode on the other side of the perforated disk 44.
  • a pattern 46 in the perforated disc 44 serves to determine a reference angle (0 °). This can be reliably determined after a few turns.
  • a modification of the principle of the incremental encoder can be with a
  • Patent Application PCT / EP2018 / 060232 to which reference is expressly made for further details, is described and shown. There is at the
  • Sensor head 10 is still a boom provided with a separate coil, which lies over a ring gear of the shaft. Similar to the perforated disc, a pulse train is generated by moving the teeth past this additional coil, which can be used as information about the angle of rotation. Becomes a
  • the sprocket is the rotating element of the incremental encoder, while the laying on the sensor head of the international patent application PCT / EP2018 / 060232 forms the stationary element of the incremental encoder.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the rotation angle detection device.
  • a metallic eccentric element 50 for example with a circular circumference, eccentrically to the axis of rotation co-rotating attached to the test object 14.
  • the eccentric can, for example, a cam 50 on the as a shaft be a trained test object.
  • Via a stationary inductive measuring device 52 (only shown symbolically by an arrow), the distance to the eccentric element 50 is measured at one point of the circumference.
  • Eccentric element 50 is dimensioned such that a specific distance value can occur at a maximum of two points of the rotation angle range. Which of the two points is currently present when measuring this distance can be detected by the amount of the change in distance. Thus, an exact inductive rotation angle detection is possible.
  • the eccentric element 50 is used instead of the sprocket in the design of the sensor head, as described and shown in PCT / EP2018 / 060232.
  • the signal of the PCT / EP2018 / 060232 provided for the detection of the speed additional coil can be used here for direct detection of the defined distance to the peripheral surface of the eccentric 50.
  • the offset of the measuring signal is initially recorded, for example in the unloaded state, as a function of the angle of rotation and either as a function or as a function of e.g. stored in a table.
  • Tab. 1 An example is given in Tab. 1:
  • the angle information is obtained in addition to the measurement signal.
  • the angle information can be used to compensate the RSN.
  • Preferred applications would be e.g. Applications for controlling the motor assistance of muscular powered vehicles, e.g. the e-bike.
  • Exemplary embodiments of a rotation angle detection device 40 are shown.
  • the rotation angle detection device 40 may be formed as an independent component in the form of an angle sensor or part of a measuring device, in particular the load measuring device 16 -. B. in the form of a
  • the rotation angle detection device 40 can further part of a
  • the rotation angle detection device 40 has a first element 60 and a second element 62.
  • the first member 60 is rotatable relative to the second member 62 about an axis of rotation and has a measuring surface 64 which extends extends circumferentially relative to the axis of rotation and has a circumferential position-dependent surface parameter.
  • the second element 62 has a plurality of circumferentially spaced surface parameter detectors 66 for detecting the surface parameter.
  • the rotation angle detecting means 40 is shown in a very simple form schematically in the form of a graph, wherein on the x-axis, the circumferential direction is plotted and on the y-axis of the
  • the surface parameter of the measurement surface 64 is the surface parameter of the measurement surface 64.
  • the measuring surface 64 in particular by one dimension of the measuring surface 64 in the radial or axial direction or by a radial or axial position of the measuring surface 64.
  • the first element 60 has, for example, a measuring surface 64, the width of which in relation to FIG. 10
  • Rotary axis of the radial direction changes according to the circumferential position on the first element 60.
  • This can be realized, for example, by an annular first element 60, which is formed, for example, of highly conductive material and has a radial ring width formed as a function of the circumferential position.
  • the radial (and / or axial) position of the measuring surface 64 changes in accordance with the circumferential position.
  • the surface parameter detection device 66 can each have an inductive element 68, such as, for example, a measuring coil 84 designed in particular as a planar coil 82.
  • the inductance 70a-70d of the inductive element 68 changes due to eddy current effects.
  • the surface parameter may be, for example, a dimension or location of the measurement surface 64 that varies according to the circumferential position.
  • the function with which the surface parameter changes depending on the circumferential position, and thus on the rotation angle Phi upon relative rotation to the second element 62, is preferably a strictly monotonous function.
  • the function may decrease or increase in a strictly monotonic manner according to the circumferential position. It is preferably provided that the entire circumference is divided into two peripheral regions, wherein in one peripheral region the function increases strictly monotonically and in the other peripheral region the function drops in a strictly monotonic manner.
  • Rotation angle detection device 40 is the function, for example, one
  • Triangular function This can be realized by virtue of the fact that the first element 60 is a ring element, the measuring surface 64 of which constantly increases over the circumference from a minimum value to a maximum value. At one point there is a jump between maximum value and minimum value.
  • the function is a sine function, and more particularly a root sinus function. This can be achieved, for example, by virtue of the fact that the first element 60 has a ring element with an eccentric course relative to the axis of rotation. It can be one of in
  • Circumferentially extending edges of this ring element circular and centric to the axis of rotation, and the other edge may be correspondingly eccentric. Alternatively, both edges can be eccentric. Thus, the position and / or width of the measurement surface 64 may change according to the circumferential position.
  • At least one first surface parameter detection device 66a and one second surface parameter detection device 66b are provided on the second element 62.
  • first surface parameter detection device 66a and one second surface parameter detection device 66b are provided on the second element 62.
  • Surface parameter detecting means 66a-66d provided.
  • FIG. 12 is a graph illustrating the inductances 70a-70d over time during relative rotation between the first element 60 and the second element 62.
  • a first inductance 70a of the inductive element 68 of the first surface parameter detection device 66a a second inductance 70b of the inductive element 68 of the second
  • the inductance can be measured, for example, using a resonant circuit (not shown), which includes the inductive element 68 and a corresponding one
  • the corresponding inductance 70a-70d can be determined. From the raw signals of the inductors 70a-70d shown in Fig. 12, the angle between the first element 60 and the second element 62 can be calculated accordingly; the calculated angle Phi (between -180 ° and + 180 °) is shown in FIG.
  • the corresponding rotation angle detection device 40 can immediately calculate the angle very accurately from the signals 70a-70d. It must be carried out to previous full rotation. Also, no initial value must be specified.
  • FIGS. 14 and 16 to 18 an embodiment of a
  • Performance detection device 72 as an application example of the
  • Rotation angle detecting means 40 of the according to Figs. 10-13 explained type shown.
  • the performance detecting device 72 is an example of the
  • FIG. 15 shows a power detection device 74 that includes the power detection device 72 and the test object 14.
  • the test object 14 is, for example, a shaft 76.
  • the power detection device 72 includes the rotation angle detection device 40 and at least one torque sensor 78.
  • the torque sensor 78 includes first to fourth sensor heads 80.
  • the sensor head 80 has a
  • Magnetic field generating device 18 and a first
  • Magnetic field detection device 20 and a second
  • Magnetic field detection device 22 and is arranged in each case in a V-arrangement 32.
  • the sensor head 80 For further details on the structure and function of the sensor head 80 reference is made to the German patent application 10 2017 112 913.8 and the international patent application PCT / EP 2018/058253.
  • the power detection device 72 has the
  • Rotation angle detection device 40 on.
  • Surface parameter detecting means 66a-66d are implemented by measuring coils 84 formed as planar coils 82, which are shown in FIG.
  • Embodiment have an approximately rectangular cross-section, see Figs. 7-9.
  • the shape of the inductive elements 68 is not relevant; it can also round measuring coils 84 or other inductive elements 68, the inductance by approaching and / or covering a conductive
  • the first element 60 is formed by the eccentric element 50.
  • Eccentric 50 has in the illustrated embodiment, a concentric with the axis of rotation extending circular inner boundary 88 and an eccentric to the axis of rotation 86 extending outer boundary 90.
  • the outer boundary 90 may also be circular or arranged eccentrically in accordance with a root sine function. As can be seen in particular from FIGS. 16 and 18, the inductances 70a-70d are thus different
  • the second element 62 has a Flaltung 92, at which the
  • Surface parameter detection means 66a-66d are formed. This may include, for example, a printed circuit board element 94 with the planar coils 82 and an electronic element (for example, the abovementioned capacitances for forming the resonant circuit).
  • the sensor heads 80a-80d of the torque sensor 78 are still further arranged on the holder 92. As can be seen in particular from FIGS. 14 and 15, the sensor heads 80a are 80d arranged around the test object 14 around, so that already thereby an RSN combination is achievable.
  • Rotation angle information is better compensated with respect to the RSN.
  • a mechanical power applied to the test object 14 can be determined directly from the angle of rotation detection device 40 measured rotation angle and the rotational angular velocity determined therefrom.
  • Rotation angle detection arrangement 96 is formed, which the
  • Rotation angle detection device 40 and the test object 14 includes.
  • the first element 60 is z. B. attached to the test object 14, z. B. by welding, gluing or pressing.
  • the first element 60 is integrally formed on the test object 14, i. H. the measurement surface 64 may be part of the test object 14.
  • the measuring surface 64 is in particular on an electrically conductive
  • Material region of the first element 60 and the test object 14 is formed.
  • eccentric element e.g., cam

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Abstract

Zur Verringerung des RSN-Fehlers schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung (12) zum Messen einer Belastung an einem um eine Drehachse drehbaren Testobjekt (14), umfassend eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Testobjekt (14), eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Testobjekt (14), eine Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts (14), und eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aufgrund des durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) erfassten Drehwinkels eine drehwinkelabhängige Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters zu kompensieren.

Description

Belastungsmessverfahren, Belastungsmessvorrichtung und
Belastungsmessanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Anordnung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere einen
Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines
Drehmoments an einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen.
Außerdem betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehenen Drehmomentsensor, eine mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehene Drehmomentmessanordnung sowie ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetostriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie
insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors“ in„Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
D2 US 3 311 818 D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 011 340 A
D6 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen
Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy- Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari- Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
Aus der
D7 EP 3Ό51‘265 A1
ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1 , A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1 , B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
Besonders eine genaue Messung von Belastungen an sich drehenden
Testobjekten, wie z.B. Wellen, stellt eine größere Herausforderung dar. Selbst wenn Wellen mit höchster Genauigkeit hergestellt werden, so sind diese über den Umfang gesehen nicht absolut homogen. Bereits kleinere Abweichungen in der Ausbildung oder Anordnung des Materials der Welle führen bei Drehung der Welle zu periodischen Schwankungen im Messsignal. Demnach ist eine
Herausforderung bei den voranstehend erläuterten Technologien der
Belastungsmessung aufgrund des magnetoelastischen Effekts an drehenden Testobjekten und bei der Anordnung von Sensorköpfen bzw. Messgebern, eine Abstandskompensation und/oder eine Kompensation der sogenannten„RSN“ zu bewerkstelligen. RSN steht für„Rotational Signal Non-Uniformity“ und bezeichnet eine Signalvariation, die auftritt, wenn sich ein Messkörper bewegt oder dreht, bedingt durch verschiedene physikalische Effekte in der Messstelle. Es wurden bereits in der vorerwähnten Literatur Anstrengungen zur Verkleinerung der RSN unternommen; typischerweise bleiben jedoch stets ein paar Prozent übrig.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine genauere Messung von
Belastungen an sich drehenden Testobjekten zu ermöglichen.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung, eine Belastungsmessanordnung sowie ein Belastungsmessverfahren sowie Verwendungen derselben gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon eine
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung an einem um eine Drehachse drehbaren Testobjekt, umfassend
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Testobjekt, eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Testobjekt, eine Drehwinkelerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts, und
eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aufgrund des durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung erfassten Drehwinkels eine
drehwinkelabhängige Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters zu kompensieren.
Bei einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die
Drehwinkelerfassungseinrichtung einen Inkrementalgeber aufweist.
Der Inkrementalgeber ist bevorzugt mit einem mit dem Testobjekt rotierendes Element und einem stationären Element und einer Impulserzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Impulsfolge bei Relativdrehung der Elemente versehen.
Vorzugsweise wirkt die Impulserzeugungseinrichtung optisch, kapazitiv oder induktiv. Eine induktive Impulserzeugungseinrichtung ist besonders bevorzugt, insbesondere kann sie an einem Sensorkopf, der die
Magnetfelderfassungseinrichtung und die Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweist, integriert werden.
Bevorzugt weist ist die Drehwinkelerfassungseinrichtung als Absolutwertgeber ausgebildet.
Bevorzugt weist die Drehwinkelerfassungseinrichtung ein erstes Element und ein zweites Element auf, welche relativ zueinander um die Drehachse drehbar sind, wobei eines der Elemente an dem Testobjekt sich mitdrehend ausgebildet oder angeordnet ist, wobei das erste Element eine Messoberfläche hat, die sich in Umfangsrichtung derart erstreckt, dass sich ihre Position in Umfangsrichtung ständig ändert, und wobei das zweite Element wenigstens eine erste und eine zweite Abstandmesseinrichtung zum Messen eines Abstandes zu der
Messoberfläche aufweist, wobei die Abstandseinrichtungen in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Belastungsmessvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Sensorkopf, an dem die
Magnetfelderzeugungseinrichtung, die Magnetfelderfassungseinrichtung und zumindest ein Teil der Drehwinkelerfassungseinrichtung ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass das stationäre Element eine gesonderte
Drehwinkelerfassungsspule an dem Sensorkopf aufweist und das mit dem
Testobjekt rotierende Element einen Zahnkranz oder einen umlaufenden Bereich mit einer Folge von Erhebungen und Vertiefungen an dem Testobjekt aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Magnetfelderzeugungseinrichtung, die Magnetfelderfassungseinrichtung und/oder der Sensorkopf so ausgebildet, wie dies genauer in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2018/060232, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist.
Hierdurch lässt sich induktiv, insbesondere über einen Zahnkranz und eine über dem Zahnkranz angeordnete Drehwinkelerfassungsspule, eine Information über den Drehwinkel erhalten. Eine Stelle am Umfang des Testobjekts, z.B. ein Zahn des Zahnkranzes, kann dabei eine gesonderte Form aufweisen, so dass bei Passieren dieser Stelle ein abweichendes Signal erzeugt wird, das als
Nullpunktsignal (Referenzdrehwinkel, z.B. 0°) verwendbar ist. Das Passieren weiterer Zähne erzeugt Impulse, die gezählt werden können, so dass hierdurch der Drehwinkel erfassbar ist. Die Genauigkeit der Drehwinkelerfassung wird dabei durch die Anzahl der Zähne am Umfang bestimmt.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung einen Speicher aufweist, in dem ein drehwinkelabhängiger Korrektur- oder Referenzwert und/oder
eine von dem Drehwinkel abhängige Korrektur- oder Referenzfunktion und/oder eine Lookup-Tabelle mit von den Drehwinkel abhängigen Korrektur- oder
Referenzwerten gespeichert sind. Gemäß einem anderen Aspekt schafft die Erfindung eine
Belastungsmessanordnung, umfassend eine Belastungsmessvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und das Testobjekt.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt eine Drehwelle, eine Kurbelwelle, eine Nabe, ein drehendes Teil eines Fahrzeugs, ein drehendes Teil eines
pedalgetriebenen Fahrzeugs oder eines Fahrrads und/oder ein drehendes Teil eines Antriebs für ein Elektrofahrzeug ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Antriebssteuerung für eine Kraftunterstützung eines pedalgetriebenen Fahrzeugs, umfassend eine Belastungsmessvorrichtung oder Belastungsmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Messen einer Belastung an einem durch Pedalantrieb antreibbaren Drehelement.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein E-Bike, umfassend eine solche Antriebssteuerung und/oder eine Belastungsmessvorrichtung bzw. eine Belastungsmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Vorzugsweise umfasst das E-Bike eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen von Informationen an den Fahrer, wobei die Anzeigevorrichtung zum Anzeigen von Informationen, die auf Daten aus der Drehwinkelerfassungseinrichtung beruhen, eingerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung an einem um eine Drehachse drehbaren Testobjekt, umfassend
Erzeugen eines Magnetfelds an dem Testobjekt,
Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden
Magnetfeldparameters an dem Testobjekt, um ein von der Belastung abhängiges Signal zu erzeugen,
Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts, und Kompensation einer drehwinkelabhängigen Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters oder des Signals unter Verwendung des erfassten Drehwinkels.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Belastungsmessverfahrens umfasst:
Erzeugen eines drehwinkelabhängigen Referenzwertes oder Korrekturwertes mittels Aufzeichnen einer Beeinflussung einer Erfassung des
Magnetfeldparameters über den Drehwinkel unter wenigstens einem
vorbestimmten Belastungszustand.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Belastungsmessverfahrens umfasst:
Verwenden einer Lookup-Tabelle, die von dem Drehwinkel abhängige Referenz- oder Korrekturwerte enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs unter Verwendung eines
Belastungsmessverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen eine RSN-Kompensation durch Winkelinformation.
Durch das drehende Testobjekt, wie insbesondere eine drehende Welle oder in verschiedenen Anwendungen, kann ein zusätzlicher Fehler in der
Umlaufmodulation entstehen. Diesen zusätzlichen Fehler im Offset kann man durch eine Winkelinformation kompensieren.
Bevorzugte Anwendungen der hier beschriebenen Kompensation der RSN sind z.B. E-Bike, Elektromotor, Verbrennungsmotor, Antriebseinheiten in
Baumaschinen....
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Kombination von einem Drehmomentsensor, einem Winkelsensor und der Möglichkeit, die durch die RSN verursachte Offsetänderung über eine Look Up Table oder eine Funktion zu korrigieren. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung umfassen zum Erhalt der
Winkelinformation eine Einrichtung bzw. ein Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels zwischen sich relativ zueinander um eine Drehachse drehenden Elementen.
Demnach umfassen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung eine
Drehwinkelerfassungsanordnung mit einem sich drehenden Testobjekt und einer solchen Drehwinkelerfassungseinrichtung. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist insbesondere als eine Leistungserfassungsvorrichtung zur Erfassung einer mechanischen Leistung an einem sich drehenden Testobjekt ausgebildet.
Drehwinkel werden heute oft mit Inkrementalgebern gemessen, die bei Drehung zweier Elemente zueinander eine Impulsfolge erzeugen. Die Anzahl der Impulse ist so ein Maß für den Drehwinkel. Um einen absoluten Drehwinkel anzugeben, müssen die Inkrementalgeber einen Anfangswert erhalten.
Auch sind Potentiometer als Absolutdrehwinkelgeber in der Praxis bekannt. Diese haben nur einen beschränkten Drehbereich und sind relativ aufwändig in der Herstellung.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt dagegen eine
Drehwinkelerfassung mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung, mit der bei einfachem Aufbau ein Drehwinkel genauer und einfacher gemessen werden kann.
Vorzugsweise umfasst die Belastungsmessvorrichtung eine
Drehwinkelerfassungseinrichtung umfassend ein erstes Element und ein zweites Element, wobei das erste Element relativ zu dem zweiten Element um eine Drehachse drehbar ist und eine Messoberfläche aufweist, die sich relativ zu der Drehachse gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden
Oberflächenparameter hat, wobei das zweite Element eine Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beanstandeter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Oberflächenparameter eine Dimension der
Messoberfläche in einer radialen oder/und axialen Richtung ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Oberflächenparameter eine axiale oder/und radiale Position der Messoberfläche sein.
Es ist bevorzugt, dass die Messoberfläche an einem elektrisch leitfähigen Material des ersten Elements ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen jeweils ein induktives Element aufweisen, an dem sich die Messoberfläche während der Relativdrehung vorbei bewegt.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine der
Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen eine
Induktivitätserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Induktivität des induktiven Elements aufweist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine der
Oberflächenparametererfassungseinrichtungen eine Messspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine der Oberflächenerfassungseinrichtungen eine Planarspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Induktivitätserfassungseinrichtung einen Schwingkreis, der die wenigstens eine Induktivität, insbesondere in Form einer Messspule oder Planarspule, und eine Kapazität aufweist, und eine
Frequenzerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises umfasst. Es ist bevorzugt, dass sich die Messoberfläche in einer zu der Drehachse radialen Richtung mit sich über den Umfang gesehen streng monoton ändernder radialer Breite oder/und mit sich über den Umfang gesehen streng monoton ändernder radialer Position erstreckt.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen zum Erfassen einer Überdeckung mit der Oberfläche ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die streng monotone Funktion eine Funktion aus der Gruppe ist, die eine lineare Funktion, eine Sinusfunktion, eine Wurzelfunktion oder eine Wurzelsinusfunktion umfasst.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens vier
Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen zueinander in
Umfangsrichtung beabstandet an dem zweiten Element vorgesehen sind.
Es ist bevorzugt, dass das erste Element integral an einem sich um die Drehachse drehenden Testobjekt oder zur Anbringung an einem sich um die Drehachse drehenden Testobjekt ausgebildet ist und dass das zweite Element zur stationären Anordnung an dem Testobjekt ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass sich die Messoberfläche vollständig um den gesamten Umfang erstreckt.
Es ist bevorzugt, dass sich der Oberflächenparameter über den gesamten Umfang mit der streng monotonen Funktion ändert.
Es ist bevorzugt, dass sich der Oberflächenparameter über einen ersten
Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton steigenden Funktion und sich über einen zweiten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton fallenden Funktion ändert.
Es ist bevorzugt, dass jeder Wert des Oberflächenparameters eindeutig an höchstens zwei Umfangspositionen vorkommt. Die Belastungsmessanordnung umfasst vorzugsweise eine
Drehwinkelmessanordnung, umfassend ein sich um eine Drehachse drehendes Testobjekt und eine Drehwinkelerfassungseinrichtung nach einer der
voranstehenden Ausgestaltungen zum Erfassen eines Drehwinkels des
Testobjekts. Vorzugsweise wird das erste Element an dem Testobjekt angeordnet oder integral damit ausgeführt. Die Messoberfläche kann z.B. eine Oberfläche an dem Testobjekt sein. Die Messoberfläche kann auch eine Oberfläche eines an dem Testobjekt mitdrehend anzuordnenden Elements sein. Beispielsweise ist das erste Element ein Exzenterelement.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst als
Belastungsmessvorrichtung eine Leistungserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Leistung an einem sich um eine Drehachse drehenden Testobjekt, umfassend einen Drehmomentsensor zum Erfassen eines an dem Testobjekt anliegenden Drehmoments und eine Drehwinkelerfassungseinrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts, wobei die Leistungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der mechanischen Leistung aufgrund des durch den Drehmomentsensor erfassten Drehmoments und aufgrund des durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung erfassten Drehwinkels ausgebildet ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen Schritt zum Erfassen eines Drehwinkels zwischen zwei sich um eine Drehachse relativ zueinander drehenden Elementen, umfassend:
Bereitstellen einer Messoberfläche an einem ersten der Elemente, so dass sich die Messoberfläche relativ zu der Drehachse gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden Oberflächenparameter hat,
Messen des Oberflächenparameters an wenigstens zwei in Umfangsrichtung beabstandeten Positionen des zweiten Elements.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer Drehwinkelerfassungseinrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen durchgeführt. Im Folgenden werden einige Vorteile und Eigenschaften bevorzugter
Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.
Wie oben erläutert kann der RSN-Fehler unter Verwendung einer
Drehwinkelinformation korrigiert werden. Die heute auf dem Markt zur Verfügung stehenden Winkelsensoren sind jedoch relativ teuer und schwer zu integrieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen daher eine Idee zu einem Winkelsensor mit einer Auflösung von <1 °, der z.B. in Kombination mit einem Drehmomentsensor als Leistungssensor eingesetzt werden kann.
Zusätzlich kann man durch die örtliche und zeitliche Auflösung einen Fehler im Drehmomentsignal (RSN) korrigieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Anordnung von mindestens zwei Induktivitäten oder mehr - je mehr Induktivitäten desto höher die Auflösung-, die einer veränderlichen Textur auf einem Testobjekt, wie z.B. einer Welle, einem Rad, einem Kettenblatt, einem Drehelement usw., radial oder axial zur Drehachse ausgesetzt sind. Durch eine Winkelbeziehung Phi (Arccos) dieser Induktivitäten kann ein eindeutiges Winkelsignal berechnet werden.
Beispielsweise sind vier Induktivitäten um die Drehachse herum angeordnet. Die Textur kann z.B. eine Dreiecksstruktur oder eine Sinusstruktur sein.
Der Aufbau der Induktivitäten ist nicht relevant. Bevorzugt sind Planarspulen, da sich diese leicht integrieren und in Großserie mit den Methoden der
Micromechanik gut reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit einfach hersteilen lassen.
Man kann auch runde Induktivitäten verwenden.
Je höher die Induktivität der Messspule bzw. des sonstigen Induktiven Elements ist, desto besser ist die Auflösung. Das erste Element - auch Target genannt - kann z.B. eine Sinusscheibe, wie insbesondere genauer eine Wurzel-Sinus-Scheibe, sein. Eine Wurzelfunktion ist bevorzugt, da sich eine Wirbelstromveränderung gemäß einer Wurzelfunktion verhält. Somit weist der errechnete Winkel bei Verwendung eines ersten
Elements, welches einer Wurzelfunktion folgt, eine höhere Linearität auf.
Das Target könnte aber theoretisch auch aufgewickelt ein Dreieck sein oder ein Wurzel-Dreieck. Ein Dreieck ergibt z.B. eine sich mit der Umfangsposition linear ändernden Oberflächenparameter. Auch andere Funktionsbeziehungen zwischen Umfangsposition (d.h. Drehwinkelposition) und Oberflächenparameterwert sind möglich. Vorteilhafterweise ist jedem Drehwinkel genau ein
Oberflächenparameterwert zugeordnet bzw. jeder Oberflächenparameterwert lässt genau auf einen oder zwei Umfangspositionen schließen. Die Anzahl der
Umfangspositionen, die einen gleichen Oberflächenparameterwert aufweisen können, kann bei höherer Anzahl von
Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen auch größer sein.
Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Targets desto höher ist bei einer induktiven Messung die Auflösung. Z.B. kann man für den die Messoberfläche bildenden Bereich Aluminium oder ein ähnlich gut leitendes Material verwenden.
Die Winkelmessung ist äußert robust auf Abstandsänderungen. Z.B. kann man im Algorithmus implementieren, dass die Amplitudenhöhe der einzelnen
Spulensignale ständig angepasst wird. Z.B. wird nach einer Umdrehung das Minima und das Maxima berechnet, und dies kann in die Winkelmessung einfließen. Damit kann man auch eine Temperaturkompensation erreichen.
Wird eine Flächenänderung als Oberflächenparamterwert erfasst, ist vorteilhaft, dass die Fläche des Targets über den Induktivitäten, z.B. über eingebetteten Spulen, verläuft. Es reichen bereits 2 Spulen; mit 4 Spulen wird das System robuster und genauer. Mit 6, 8 oder noch mehr Spulen kann man noch mehr Auflösung erreichen, d.h. mit der Anzahl der Spulen kann man die Auflösung definieren.
Eines der beiden sich relativ zueinander drehenden Elemente soll mit einem sich drehenden Testobjekt verbunden sein. Dies geht auch mit dem zweiten Element, wobei dann eine Auswerteeinheit und Versorgungseinheit oder sonstiges mitdrehend angeordnet wird oder eine drahtlose Versorgung und Auslesung oder über eine Drehkontaktierung erfolgt. Wesentlich einfacher ist es, wenn das Target in irgendeiner Weise mit der Welle verbunden ist und sich mitdreht. Z.B. kann man das Target integral an dem Testobjekt ausbilden, oder man kann es sonstwie verbinden, z.B. verkleben oder schweißen oder aufpressen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Induktivitäten, z.B. Spulen, mit einem Kondensator als Schwingkreis ausgebildet werden; und man kann die Frequenz des Schwingkreises bestimmen und daraus die resultierende Induktivität berechnen.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes einer
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen
Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Testobjekt;
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Sensorkopfes von Fig. 1 zusammen mit dem
Testobjekt;
Fig. 4 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform des
Sensorkopfes; Fig. 5 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 noch einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 6 ein Graph eines Beispiels eines RSN-Umlauffehlers an einem
Drehmomentmesssignal, über den Winkel aufgetragen;
Fig. 7 zeigt einen weiteren Graphen, der die RSN an einem Musterteststand zeigt;
Fig. 8 eine erste Ausführungsform einer Drehwinkelerfassungeinrichtung;
Fig. 9 eine zweite Ausführungsform einer Drehwinkelerfassungseinrichtung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer
Drehwinkelerfassungseinrichtung;
Fig. 11 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform einer Drehwinkelerfassungseinrichtung;
Fig. 12 einen Graph, der Rohsignale für eine Winkelmessung mithilfe von
Induktivitäten als konkretes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung nach Fig. 11 zeigt;
Fig. 13 ein Graph, der einen aus den Rohsignalen berechneten Winkel Phi zeigt;
Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer Belastungsmessvorrichtung, hier in Form einer Leistungserfassungsvorrichtung, welche Drehmomentsensoren und eine Ausführungsform einer
Drehwinkelerfassungseinrichtung aufweist;
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer Belastungsmessanordnung am
Beispiel einer Leistungserfassungsanordnung, welche durch Kombination der Leistungserfassungsvorrichtung von Fig. 14 mit einem Testobjekt wie insbesondere einer Welle, gebildet ist;
Fig. 16 eine axiale Draufsicht auf die Leistungserfassungsvorrichtung von
Fig. 14;
Fig. 17 eine axiale Draufsicht auf ein zweites Element der
Leistungserfassungsvorrichtung mit einem zweiten Element der Drehwinkelerfassungseinrichtung; und
Fig. 18 eine Darstellung wie in Fig. 17, wobei auch ein erstes Element der
Leistungserfassungsvorrichtung und der darin ausgebildeten
Drehwinkelerfassungseinrichtung angedeutet ist.
In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorköpfen 10 für eine Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt. Die
Belastungsmessvorrichtung 12 dient zum Messen von mechanischen
Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in einem zumindest teilweise magnetisierbaren um eine Drehachse drehbaren Testobjekt 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen, welches insbesondere aus oder mit
ferromagnetischen Materialien gebildet ist. Das Testobjekt 14 und die
Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf. Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 12 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts 14 sowie eine Auswerteeinrichtung 42 zur Verringerung einer Beeinflussung der Belastungsmessung durch drehwinkelabhängige Effekte auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit der
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und mit den
Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere gerichtet, die RSN unter Verwendung der
Drehwinkelinformation zu verringern.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule Lg und eine Treiberschaltung 24 (siehe Figuren 6, 11 und 12) zum Treiben der Generatorspule Lg auf.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 oder Festkörpermagnetfeldsensoren 27 und eine Auswerteeinrichtung 42 zum Auswerten der Signale der
Magnetfeldsensoren 26 auf.
Die in Fig. 1 mit Blick auf die auf das Testobjekt 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in Fig. 3 von der Seite gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei als erste Detektorspulen A1 , A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1 , B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Dabei ist mittig die Generatorspule Lg - hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten
Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V- Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste
Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule Lg an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
Wie Fig. 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch
Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 vorgesehen sein. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 und Generatorspule Lg - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 gemäß bevorzugten Ausführungsformen implementiert ein neues Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und
Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2, wie es genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 112 913.8, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist. Zusätzlich zu den Konzepten, wie sie in der früheren Patentanmeldung beschrieben sind, wird bei den hier dargestellten Ausführungsformen weiter noch die Information des aktuellen Drehwinkels benutzt, um die RSN drehwinkelabhängig zu kompensieren.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines an einer drehenden Welle mit einem Sensorkopf 10 nach Fig. 1 aufgenommenen RSN-Umlauffehlers aufgetragen über einen Winkel.
Bei einer Ausgestaltung der Auswertung kann zunächst in einem definierten Belasungszustand, z.B. im unbelasteten Zustand, das Signal wie in Fig. 6 über den Winkel aufgetragen werden. Somit erhält man eine Funktion oder einen Wertesatz von winkelabhängigen Offsetwerten für die konkrete vorliegende
Belastungsmessanordnung 16. Diese Funktion oder die Offsetwerte kann man als Referenzwerte oder Korrekturwerte z.B. in Form einer Lookup-Tabelle in einen Speicher der Auswerteeinrichtung 42 einspeichern.
Bei der Messung wird dann über die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 der Drehwinkel erhalten, man erhält über die gespeicherten Werte/die aufgenommene Funktion den bei diesem Winkel vorliegenden Offset und kann diesen von dem Messsignal abziehen.
Wie eine konkrete, in Fig. 7 dargestellte Messung an einem Musterteststand zur Drehmomentmessung an einer Welle zeigt, beträgt die RSN beispielsweise +/- 6 Nm. Je nach Welle kann dieser Wert leicht nach oben oder unten abweichen. Das entspricht einem prozentualen Fehler von etwa +/- 3,75% (bei 160Nm Nennlast). Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist nun geplant, dass zum Ansteuern eines kraftunterstützten pedalgetriebenen Fahrzeugs, wie insbesondere eines E- Bikes, mehr insbesondere Pedelecs, eine Drehmomentmessung an mit den Pedalen verbundenen Wellen dazu genutzt werden soll, einen unterstützenden Elektromotor anzusteuern. Zum Beispiel soll bei maximaler Unterstützung die E- Maschine volle Ausgangsleistung bei etwa 25 Nm Drehmoment auf der Welle der Kurbel liefern. Liegt nun die RSN bei +/- 4,5 Nm, dann ist die gewünschte
Anwendung kaum realisierbar. Daher wird eine Verbesserung des RSN-Fehlers auf höchstens +1-2 Nm angestrebt. Dieser Wert konnte bisher allein durch
Optimierung der Sensorparameter der dargestellten Sensorköpfe nicht erreicht werden. Eine andere Möglichkeit wären Änderungen im Wellendesign, um eine möglichst hohe Homogenität um den Umfang der Welle im Bereich des
Sensorkopfs 10 zu erreichen. Jedoch sind die Wahlmöglichkeiten zum Material begrenzt, und letztendlich ist auch hier eine Reduzierung der RSN auf höchsten 2 Nm bisher kaum erreichbar.
Eine Möglichkeit der Reduzierung der RSN besteht in der Messung an mehreren Messstellen um den Umfang herum und der Mittelung der Messungen. Dieser Ansatz wird in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2018/058253, die mögliche weitere Ausführungsformen des Sensorkopfes 10 gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt, und auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, verfolgt. Jedoch ist die Messung an mehreren Messstellen um die Welle herum nicht in allen Anwendungsfällen durchführbar. Eine gute Möglichkeit ist alternativ oder zusätzlich zu der Messung um die Welle herum, eine aktive Kompensation durch Winkelmessung und look-up-table durchzuführen.
Kompensiert man die RSN winkelabhängig unter Verwendung der
Winkelinformation, ist der Wert von max. 2 Nm für die RSN in unterschiedlichen Ausgestaltungen der Belastungsmessanordnung erzielbar.
Fig. 8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Drehzahlerfassungseinrichtung 42. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Drehzahlerfassungseinrichtung 42 einen Inkrementalgeber mit einem mit dem Testobjekt 14 mit rotierenden Element, hier z.B. einer Lochscheibe 44, und einem stationären Element auf. Das nicht dargestellte stationäre Element weist z.B. eine Leuchtdiode auf der einen Seite der Lochscheibe und eine Fotodiode auf der anderen Seite der Lochscheibe 44 auf. Durch Drehen der Lochscheibe 44 zwischen Leuchtdiode und Fotodiode werden am Ausgang der Fotodiode Impulse erzeugt, die gezählt werden können.
So ist z.B. eine Drehzahlmessung mit modifizierter Lochscheibe 44 möglich. Ein Muster 46 in der Lochscheibe 44 dient zur Bestimmung eines Referenzwinkels (0°). Dieser kann nach wenigen Umdrehungen zuverlässig bestimmt werden.
Bei der dargestellten Lochscheibe mit z.B. 40 Löchern kann durch„Zählen“ der Flanken eine Winkelauflösung von etwa 360 40 = 9° erreicht werden.
Extrapolieren zwischen den Flanken erlaubt eine höhere Winkelauflösung. Dies erhöht den Winkelfehler.
Eine Modifikation des Prinzips des Inkrementalgebers lässt sich mit einem
Kombinationssensor erreichen wie er näher in der internationalen
Patentanmeldung PCT/EP2018/060232, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist. Dort ist an dem
Sensorkopf 10 noch ein Ausleger mit einer gesonderten Spule vorgesehen, die über einem Zahnkranz der Welle liegt. Ähnlich wie bei der Lochscheibe wird durch Vorbeibewegen der Zähne an dieser zusätzlichen Spule eine Impulsfolge erzeugt, die als Information über den Drehwinkel genutzt werden kann. Wird ein
bestimmtes Muster an dem Zahnkranz vorgesehen, analog zu dem Muster 46, wird sich auch der Referenzwert (0°) erhalten. Bei dieser Ausgestaltung ist der Zahnkranz das rotierende Element des Inkrementalgebers, während der Auslege an dem Sensorkopf der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2018/060232 das stationäre Element des Inkrementalgebers bildet.
In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform der Drehwinkelerfassungseinrichtung dargestellt. Hier ist ein metallisches Exzenterelement 50, beispielsweise mit kreisrundem Umfang, exzentrisch zur Drehachse mitrotierend an dem Testobjekt 14 angebracht. Das Exzenterelement kann z.B. eine Nocke 50 an dem als Welle ausgebildeten Testobjekt sein. Über eine stationäre induktive Messeinrichtung 52 (nur symbolisch durch einen Pfeil dargestellt), wird an einer Stelle des Umfangs der Abstand zu dem Exzenterelement 50 gemessen. Der Umfang des
Exzenterelements 50 ist so bemessen, dass ein bestimmter Abstandswert an maximal zwei Stellen des Drehwinkelbereichs Vorkommen kann. Welche der beiden Stellen gerade bei Messung dieses Abstands gerade vorliegt kann über den Betrag der Abstandsänderung erfasst werden. So ist eine exakte induktive Drehwinkelerfassung möglich.
Beispielsweise wird das Exzenterelement 50 anstelle des Zahnkranzes bei der Ausbildung des Sensorkopfes, wie sie in der PCT/EP2018/060232 beschrieben und gezeigt ist, eingesetzt. Das Signal der bei der PCT/EP2018/060232 für die Erfassung der Drehzahl vorgesehenen zusätzlichen Spule kann hier zur unmittelbaren Erfassung des definierten Abstandes zu der Umfangsfläche des Exzenterelements 50 eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Funktion der Belastungsmessvorrichtung 12 sowie der damit gebildeten Belastungsmessanordnung 16 näher erläutert.
Vor einer Messung mit einer bestimmten Belastungsmessanordnung 16 wird zunächst, beispielsweise im unbelasteten Zustand der Offset des Messsignals in Abhängigkeit von dem Drehwinkel aufgenommen und entweder als Funktion oder z.B. in einer Tabelle gespeichert. Ein Beispiel ist in der Tab. 1 wiedergegeben:
Figure imgf000023_0001
Tab. 1
Bei einer anschließenden Messung wird zusätzlich zu dem Messsignal die Winkelinformation erhalten. Bei 5° wird z.B. bei Verwendung der Tabelle 1 keine Korrektur vorgenommen. Bei 0° beträgt der Offset -3 Nm, entsprechend wird das Messsignal an dieser Drehwinkelstelle korrigiert. Ein Aspekt der hier beschriebenen Technologien ist, dass durch die Winkel Information die RSN kompensiert werden kann.
Bevorzugte Applikationen wären z.B. Anwendungen zur Ansteuerung der Motorunterstützung von durch Muskelkraft angetriebenen Fahrzeugen, wie z.B. das E-Bike.
Weiterhin ist es möglich zusätzliche, insbesondere im Bereich E-Bike oder sonstigen kraftunterstützten Pedal-Fahrzeugen für den Fahrer interessante, Informationen, die auf der Winkelinformation basieren, zu erzeugen und anzuzeigen.
So ist es z.B. möglich, durch die Winkelinformation dem Fahrer anzuzeigen, wie harmonisch er in die Pedale tritt, oder man kann durch den Winkel oder die Winkelgeschwindigkeit Unterschiede im Tretverhalten zwischen linkem und rechten Bein unterscheiden.
In den Figuren 10 und 11 sind in stark schematisierter Darstellung
Ausführungsbeispiele für eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 dargestellt.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 kann als eigenständiges Bauteil in Form eines Winkelsensors ausgebildet sein oder Teil einer Messvorrichtung, wie insbesondere der Belastungsmessvorrichtung 16 - z. B. in Form einer
Leistungserfassungsvorrichtung 72-, sein.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 kann weiter Teil einer
Drehwinkelerfassungsanordnung 96 sein, die die z. B. die als Winkelsensor oder als Teil einer Messvorrichtung ausgebildete Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und ein Testobjekt 14, z. B. eine Welle 76, aufweist.
Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 weist ein erstes Element 60 und ein zweites Element 62 auf. Das erste Element 60 ist relativ zu dem zweiten Element 62 um eine Drehachse drehbar und weist eine Messoberfläche 64 auf, die sich relativ zu der Drehachse gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen von der Umfangsposition abhängigen Oberflächenparameter hat.
Das zweite Element 62 weist eine Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beabstandeter Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 zum Erfassen des Oberflächenparameters auf.
In den Figuren 10 und 11 ist die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 in sehr einfacher Form schematisch in Form eines Graphen dargestellt, wobei auf der x- Achse die Umfangsrichtung aufgetragen ist und auf der y-Achse der
Oberflächenparameter der Messoberfläche 64 aufgetragen ist.
Bei dem Oberflächenparameter der Messoberfläche 64 handelt es sich
insbesondere um eine Dimension der Messoberfläche 64 in radialer oder axialer Richtung oder um eine radiale oder axiale Position der Messoberfläche 64.
Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste Element 60 beispielsweise eine Messoberfläche 64 auf, deren Breite in bezüglich der
Drehachse radialer Richtung sich entsprechend der Umfangsposition an dem ersten Element 60 ändert. Dies kann zum Beispiel durch ein ringförmiges erstes Element 60 realisiert werden, welches zum Beispiel aus gut leitfähigem Material gebildet ist und eine abhängig von der Umfangsposition ausgebildete radiale Ringbreite hat.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die radiale (und/oder axiale) Position der Messoberfläche 64 entsprechend der Umfangsposition ändert.
Die Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66 kann jeweils ein induktives Element 68, wie zum Beispiel eine insbesondere als Planarspule 82 ausgebildete Messspule 84 aufweisen.
Je nachdem, wie dieses induktive Element 68 mit der Messoberfläche 64 überdeckt wird, ändert sich die Induktivität 70a-70d des induktiven Elements 68 aufgrund von Wirbelstromeffekten. Der Oberflächenparameter kann somit beispielsweise eine Dimension oder eine Lage der Messoberfläche 64 sein, die sich entsprechend der Umfangsposition ändert.
Die Funktion, mit der sich der Oberflächenparameter abhängig von der - und damit abhängig vom Drehwinkel Phi bei Relativdrehung zu dem zweiten Element 62 - Umfangsposition ändert ist vorzugsweise eine streng monotone Funktion. Die Funktion kann zum Beispiel streng monoton entsprechend der Umfangsposition abfallen oder steigen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der gesamte Umfang in zwei Umfangsbereiche aufgeteilt ist, wobei in dem einen Umfangsbereich die Funktion streng monoton ansteigt und in dem anderen Umfangsbereich die Funktion streng monoton abfällt. So liegt an jeder Umfangsposition des ersten Elements 60 genau ein Wert des Oberflächenparameters vor. Zu jedem
Oberflächenparameterwert gibt es einen oder höchstens zwei mögliche
Umfangspositionen.
Sieht man nun wenigstens zwei Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 an unterschiedlichen Umfangspositionen des zweiten Elements 62 vor, dann kann aus dem Wertpaar von dem durch die erste
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a erfassten
Oberflächenparameterwert und dem durch die zweite
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b erfassten
Oberflächenparameterwert exakt auf genau einen relativen Drehwinkel (z. B. im Bereich -180° - +180°) zwischen dem ersten Element 60 und dem zweiten
Element 62 geschlossen werden.
Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel der
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 ist die Funktion beispielsweise eine
Dreiecksfunktion. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das erste Element 60 ein Ringelement ist, dessen Messoberfläche 64 über den Umfang gesehen von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert ständig ansteigt. An einer Stelle gibt es dann einen Sprung zwischen Maximalwert und Minimalwert. Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform ist die Funktion eine Sinusfunktion und mehr insbesondere eine Wurzel-Sinusfunktion. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das erste Element 60 ein Ringelement mit relativ zu der Drehachse exzentrischen Verlauf hat. Dabei kann eine der in
Umfangsrichtung verlaufenden Kanten dieses Ringelements kreisförmig und zentrisch zu der Drehachse verlaufen, und die andere Kante kann entsprechend exzentrisch verlaufen. Alternativ können beide Kanten exzentrisch verlaufen. Es können sich somit Position und/oder Breite der Messoberfläche 64 entsprechend der Umfangsposition ändern.
Es sind wenigstens eine erste Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a und eine zweite Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b an dem zweiten Element 62 vorgesehen. Bei den in den Figuren 10 und 11 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a-66d vorgesehen. Je mehr Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 vorhanden sind, desto größer wird die Winkelauflösung. Entsprechend sind auch z. B. drei, fünf, sechs, acht, usw. Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66 möglich.
Fig. 12 zeigt einen Graphen, der die Induktivitäten 70a-70d über die Zeit während einer Relativdrehung zwischen dem ersten Element 60 und dem zweiten Element 62 darstellt. Dabei ist eine erste Induktivität 70a des induktiven Elements 68 der ersten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a, eine zweite Induktivität 70b des induktiven Elements 68 der zweiten
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66b, eine dritte Induktivität 70c des induktiven Elements 68 der dritten Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66c und eine vierte Induktivität 70d des induktiven Elements 68 der vierten
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66d dargestellt. Die Induktivität kann beispielsweise unter Verwendung eines Schwingkreises (nicht dargestellt) gemessen werden, der das induktive Element 68 und eine entsprechende
Kapazität wie beispielsweise bei einem Kondensator aufweist. Durch Bestimmung der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises kann die entsprechende Induktivität 70a-70d bestimmt werden. Aus den in Fig. 12 dargestellten Rohsignalen der Induktivitäten 70a-70d kann entsprechend der Winkel zwischen dem ersten Element 60 und dem zweiten Element 62 berechnet werden; der berechnete Winkel Phi (zwischen -180° und +180°) ist in Fig. 13 dargestellt.
Die entsprechende Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 kann sofort aus den Signalen 70a-70d sehr genau den Winkel berechnen. Es muss keine zu vorige Volldrehung durchgeführt werden. Auch muss kein Anfangswert vorgegeben werden.
In den Figuren 14 und 16 bis 18 ist eine Ausführungsform für eine
Leistungserfassungsvorrichtung 72 als ein Anwendungsbeispiel für die
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 der gemäß den Figs. 10-13 erläuterten Art dargestellt. Die Leistungserfassungsvorrichtung 72 ist ein Beispiel für die
Belastungsmessvorrichtung 12 zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt 14. Fig. 15 zeigt eine Leistungserfassungsanordnung 74, welche die Leistungserfassungsvorrichtung 72 und das Testobjekt 14 umfasst. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Testobjekt 14 beispielsweise eine Welle 76.
Die Leistungserfassungsvorrichtung 72 weist die Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und wenigstens einen Drehmomentsensor 78 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Drehmomentsensor 78 einen ersten bis vierten Sensorkopf 80 auf. Der Sensorkopf 80 weist eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 sowie eine erste
Magnetfelderfassungseinrichtung 20 und eine zweite
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 auf und ist jeweils in einer V-Anordnung 32 angeordnet. Für nähere Einzelheiten zu dem Aufbau und der Funktion des Sensorkopfes 80 wird auf die deutsche Patentanmeldung 10 2017 112 913.8 sowie die internationale Patentanmeldung PCT/EP 2018/058253 verwiesen.
Weiter weist die Leistungserfassungsvorrichtung 72 die
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 auf. Hierzu sind an einem zweiten Element 62, die Sensorköpfe 80a-80d des Drehmomentsensors 78 und weiter die Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66a-66d ausgebildet. Die induktiven Elemente 68 der einzelnen
Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66a-66d sind durch als Planarspulen 82 ausgebildete Messspulen 84 implementiert, die bei der dargestellten
Ausführungsform einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen, man siehe hierzu die Figs. 7-9. Die Form der induktiven Elemente 68 ist jedoch nicht relevant; es können auch runde Messspulen 84 oder sonstige induktive Elemente 68, der Induktivität sich durch Annäherung und/oder Überdeckung einer leitenden
Metalloberfläche - Messoberfläche 64.
Das erste Element 60 ist durch das Exzenterelement 50 gebildet. Das
Exzenterelement 50 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine konzentrisch zu der Drehachse verlaufende kreisförmige Innenberandung 88 und eine exzentrisch zu der Drehachse 86 verlaufende Außenberandung 90 auf. Die Außenberandung 90 kann auch kreisförmig sein oder entsprechend einer Wurzel- Sinusfunktion exzentrisch angeordnet sein. Wie insbesondere aus den Fig. 16 und 18 ersichtlich, sind somit die Induktivitäten 70a-70d der unterschiedlichen
Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66a-66d in unterschiedlicher Weise durch die Messoberfläche 64 überdeckt. Entsprechend der
unterschiedlichen Überdeckung ergibt sich je nach Winkelstellung eine
unterschiedliche Induktivität 70a-70d an den unterschiedlichen
Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66a-66d, was zu den in den Fig.
12 und 13 dargestellten Signalen führt.
Das zweite Element 62 weist eine Flalterung 92 auf, an der die
Oberflächenparametererfassungseinrichtungen 66a-66d ausgebildet sind. Diese kann beispielsweise ein Leiterplattenelement 94 mit den Planarspulen 82 und einem Elektronikelement (beispielsweise die oben genannten Kapazitäten zum Bilden des Schwingkreises) beinhalten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Halterung 92 weiter noch die Sensorköpfe 80a-80d des Drehmomentsensors 78 angeordnet. Wie dies insbesondere aus den Figs. 14 und 15 ersichtlich ist, sind die Sensorköpfe 80a- 80d um das Testobjekt 14 herum angeordnet, so dass bereits hierdurch eine RSN- Kombination erreichbar ist.
Mittels des eindeutigen Drehwinkelsignals der Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 kann weiter ein Drehmoment erfasst werden, welches mittels der
Drehwinkelinformation noch besser hinsichtlich der RSN kompensiert ist.
Aus dem gemessenen Drehmoment und der mittels der
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 gemessenen Drehwinkel und der daraus ermittelbaren Drehwinkelgeschwindigkeit lässt sich außerdem unmittelbar eine an dem Testobjekt 14 anliegende mechanische Leistung ermitteln.
An der in Fig. 15 dargestellten Leistungserfassungsanordnung 74 ist eine
Drehwinkelerfassungsanordnung 96 ausgebildet, die die
Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und das Testobjekt 14 umfasst.
Das erste Element 60 ist z. B. an dem Testobjekt 14 angebracht, z. B. durch Schweißen, Kleben oder Pressen. In einer anderen Ausgestaltung ist das erste Element 60 integral an dem Testobjekt 14 ausgebildet, d. h. die Messoberfläche 64 kann Teil des Testobjekts 14 sein.
Die Messoberfläche 64 ist insbesondere an einem elektrisch leitfähigen
Materialbereich des ersten Elements 60 bzw. des Testobjekts 14 ausgebildet.
Bezugszeichenliste:
10 Sensorkopf
12 Belastungsmessvorrichtung
14 Testobjekt
16 Belastungsmessanordnung
18 Magnetfelderzeugungseinrichtung
20 erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22 zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
24 Treiberschaltung
26 Magnetfeldsensor
26-1 erster Magnetfeldsensor
26-2 zweiter Magnetfeldsensor
27 Festkörpermagnetfeldsensor
28 X-Anordnung
30 Flusskonzentrator
32 V-Anordnung
34 Planarspule
36 Leiterplattenelement
40 Drehwinkelerfassungseinrichtung
42 Auswerteeinrichtung
44 Lochscheibe
46 Muster zur Bestimmung des Referenzwinkels (0°)
50 Exzenterelement (z.B. Nocke)
52 induktives Abstandsmesselement
60 erstes Element
62 zweites Element
64 Messoberfläche
66 Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66a erste Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66b zweite Oberflächenparametererfassungseinrichtung 66c dritte Oberflächenparametererfassungseinrichtung
66d vierte Oberflächenparametererfassungseinrichtung
68 induktives Element a erste Induktivität
b zweite Induktivität
c dritte Induktivität
d vierte Induktivität
Leistungserfassungsvorrichtung Leistungserfassungsanordnung Welle
Drehmomentsensor
a erster Sensorkopf
b zweiter Sensorkopf
c dritter Sensorkopf
d vierter Sensorkopf
Planarspule
Messspule
Drehachse
Innenberandung
Außenberandung
Halterung
Leiterplattenelement
Drehwinkelerfassungsanordnung

Claims

Ansprüche:
1. Belastungsmessvorrichtung (12) zum Messen einer Belastung an einem um eine Drehachse (86) drehbaren Testobjekt (14), umfassend
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Testobjekt (14),
eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Testobjekt (14),
eine Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts (14), und
eine Auswerteeinrichtung (42), die dazu eingerichtet ist, aufgrund des durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) erfassten Drehwinkels eine
drehwinkelabhängige Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters zu kompensieren.
2. Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
2.1 dass die Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) einen Inkrementalgeber mit einem mit dem Testobjekt (14) rotierendes Element und einem stationären Element und einer Impulserzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Impulsfolge bei Relativdrehung der Elemente aufweist, wobei die
Impulserzeugungseinrichtung optisch, kapazitiv oder induktiv wirkt oder
2.2 dass die Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) ein erstes Element (60) und ein zweites Element (62) umfasst, wobei eines der Elemente (60, 62) mit dem Testobjekt um eine Drehachse relativ zu dem anderen der Elemente (60, 62) rotiert, wobei das erste Element (60) eine Messoberfläche (64) aufweist, die sich relativ zu der Drehachse (86) gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden Oberflächenparameter hat, und wobei das zweite Element (62) eine Mehrzahl relativ zueinander in Umfangsrichtung beanstandeter
Oberflächenparametererfassungseinrichtungen (66a-66d) zum Erfassen des Oberflächenparameters aufweist.
3. Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale
3.1 dass der Oberflächenparameter eine Dimension der Messoberfläche (64) in einer radialen oder/und axialen Richtung oder eine axiale oder/und radiale
Position der Messoberfläche (64) ist;
3.2 dass die Messoberfläche (64) an einem elektrisch leitfähigen Material des ersten Elements (60) ausgebildet ist und dass die
Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66a-66d) jeweils ein induktives Element (68) aufweisen, an dem sich die Messoberfläche (64) während der Relativdrehung vorbei bewegt;
3.3 dass die Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66a-66d) eine Induktivitätserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Induktivität (70a-70d) des induktiven Elements (68) aufweist;
3.4 dass wenigstens eine der Oberflächenparametererfassungseinrichtungen (66a-66d) eine Messspule (84) aufweist;
3.5 dass wenigstens eine der Oberflächenerfassungseinrichtungen (66a-66d) eine Planarspule (82) aufweist;
3.6 dass die Induktivitätserfassungseinrichtung einen die wenigstens eine Messspule (84) oder Planarspule (82) und eine Kapazität aufweisenden
Schwingkreis und eine Frequenzerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises umfasst;
3.8 dass sich die Messoberfläche (64) in einer zu der Drehachse (86) radialen Richtung mit sich über den Umfang gesehen streng monoton ändernder radialen Breite oder radialen Position erstreckt und dass die
Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66a-66d) zum Erfassen ihrer Überdeckung mit der Oberfläche ausgebildet sind;
3.9 dass die streng monotone Funktion eine Funktion aus der Gruppe ist, die eine lineare Funktion, eine Sinusfunktion, eine Wurzelfunktion oder eine
Wurzelsinusfunktion umfasst.
3.10 dass wenigstens vier Oberflächenparameterwerterfassungseinrichtungen (66a-66d) zueinander in Umfangsrichtung beabstandet an dem zweiten Element (62) vorgesehen sind;
3.11 dass das erste Element (60) integral an einem sich um die Drehachse (86) drehenden Testobjekt (14) oder zur Anbringung an einem sich um die Drehachse (86) drehenden Testobjekt (14) ausgebildet ist und dass das zweite Element (62) zur stationären Anordnung an dem Testobjekt (14) ausgebildet ist;
3.12 dass sich die Messoberfläche (64) vollständig um den gesamten Umfang erstreckt;
3.13 dass sich der Oberflächenparameter über den gesamten Umfang mit der streng monotonen Funktion ändert;
3.14 dass sich der Oberflächenparameter über einen ersten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton steigenden Funktion und sich über einen zweiten Teilbereich des Umfangs mit einer streng monoton fallenden Funktion ändert;
3.15 dass jeder Wert des Oberflächenparameters eindeutig an höchstens zwei Umfangspositionen vorkommt.
4. Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensorkopf (10), an dem die
Magnetfelderzeugungseinrichtung (18), die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und zumindest ein Teil der Drehwinkelerfassungseinrichtung (40) ausgebildet sind.
5. Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) einen Speicher aufweist, in dem
5.1 ein drehwinkelabhängiger Korrektur- oder Referenzwert und/oder
5.2 eine von dem Drehwinkel abhängige Korrektur- oder Referenzfunktion und/oder
5.3 eine Lookup-Tabelle mit von den Drehwinkel abhängigen Korrektur- oder Referenzwerten gespeichert sind.
6. Belastungsmessanordnung (16), umfassend eine
Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden Ansprüche und das Testobjekt (14).
7. Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet,
dass das Testobjekt (14) eine Drehwelle, eine Kurbelwelle, eine Nabe, ein drehendes Teil eines Fahrzeugs, ein drehendes Teil eines pedalgetriebenen Fahrzeugs oder eines Fahrrads und/oder ein drehendes Teil eines Antriebs für ein Elektrofahrzeug ist.
8. Antriebssteuerung für eine Kraftunterstützung eines pedalgetriebenen Fahrzeugs, umfassend eine Belastungsmessvorrichtung (12) oder
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Messen einer Belastung an einem durch Pedalantrieb antreibbaren Drehelement.
9. E-Bike, umfassend eine Antriebssteuerung nach Anspruch 9 und/oder eine Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eine Belastungsmessanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7.
10. E-Bike nach Anspruch 9, umfassend eine Anzeigevorrichtung zum
Anzeigen von Informationen an den Fahrer, wobei die Anzeigevorrichtung zum Anzeigen von Informationen, die auf Daten aus der
Drehwinkelerfassungseinrichtung beruhen, eingerichtet ist.
11. Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung an einem um eine Drehachse (86) drehbaren Testobjekt (14), umfassend
Erzeugen eines Magnetfelds an dem Testobjekt (14),
Erfassen eines sich unter Einwirkung einer Belastung ändernden
Magnetfeldparameters an dem Testobjekt (14), um ein von der Belastung abhängiges Signal zu erzeugen,
Erfassen eines Drehwinkels des Testkörpers (14), und Kompensation einer drehwinkelabhängigen Beeinflussung der Erfassung des Magnetfeldparameters oder des Signals unter Verwendung des erfassten
Drehwinkels.
12. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 11 ,
umfassend:
Erzeugen eines drehwinkelabhängigen Referenzwertes oder Korrekturwertes mittels Aufzeichnen einer Beeinflussung einer Erfassung des
Magnetfeldparameters über den Drehwinkel unter wenigstens einem
vorbestimmten Belastungszustand.
13. Belastungsmessverfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch
Verwenden einer Lookup-Tabelle, die von dem Drehwinkel abhängige Referenz- oder Korrekturwerte enthält.
14. Belastungsmessverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schritt Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts (14) mittels Erfassen eines Drehwinkels zwischen zwei sich um die Drehachse (86) relativ zueinander drehenden Elementen (60, 62), von denen eines (60) mit dem Testobjekt (14) mitrotiert, erfolgt und die Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Messoberfläche (64) an einem ersten der Elemente (62), so dass sich die Messoberfläche (64) relativ zu der Drehachse (86) gesehen in Umfangsrichtung erstreckt und einen sich mit einer streng monotonen Funktion abhängig von der Umfangsposition ändernden Oberflächenparameter hat,
Messen des Oberflächenparameters an wenigstens zwei in Umfangsrichtung beabstandeten Positionen des zweiten Elements (62).
15. Verfahren zur Steuerung eines Antriebs eines Fahrzeugs unter
Verwendung eines Belastungsmessverfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14.
PCT/EP2019/060975 2018-04-27 2019-04-29 Belastungsmessverfahren, belastungsmessvorrichtung und belastungsmessanordnung WO2019207166A1 (de)

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