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DE2928155A1 - Torque measurement on vehicle cylindrical shaft - using gears with tooth position sensors on coupled shafts - Google Patents

Torque measurement on vehicle cylindrical shaft - using gears with tooth position sensors on coupled shafts

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DE2928155A1
DE2928155A1 DE19792928155 DE2928155A DE2928155A1 DE 2928155 A1 DE2928155 A1 DE 2928155A1 DE 19792928155 DE19792928155 DE 19792928155 DE 2928155 A DE2928155 A DE 2928155A DE 2928155 A1 DE2928155 A1 DE 2928155A1
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Abstract

An arrangement enabling measurement of the torque and/or angular speed and position of a vehicle cylindrical shaft subjected to torsion is of very simple construction and, in partic. has contactless measurement data acquisition. Two coaxial gear wheels (3,4) are placed apart with one or both rigidly attached to the shaft (1). A fixed optical or inductive position sensor (5,6) associated with each wheel measures the position of a section of the wheel teeth. Both wheels may be rigidly attached to the shaft in which case they are separate parts of it which are coupled by spring elements. The gear wheels have equal numbers of uniformly radially spaced teeth or teeth non-uniformly spaced according to a geometric progression pref. changing at 180, 90, 45 and 22.5 degrees.

Description

Beschreibungdescription

"Meßanordnung" Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1."Measuring arrangement" The invention relates to a measuring arrangement according to the preamble of claim 1.

Es ist bereits eine Meßanordnung zur Ermittlung des Drehmoments bekannt (Taschenbuch für die elektroische Reßstechnik, München 1960, Seite 260), bei der auf den UmfEng einer auf Torsion beanspruchten Welle Dehnungstießstrelfen aufgebracht sind, die derart zusammengeschaltet sind, daß sie eine Widerstandsbrücke bilden. Die bei Torsionbeanspruchung sich ändernden Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen müssen über mit der Welle umlaufender Schleifringe abgegriffen werden.A measuring arrangement for determining the torque is already known (Taschenbuch für die Elektroische Reßstechnik, Munich 1960, page 260), at the applied to the circumference of a torsionally stressed shaft which are interconnected in such a way that they form a resistor bridge. The resistance values of the strain gauges that change under torsional stress must be picked up via slip rings rotating with the shaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs näher bezeichneten Art ansugeben, die einer sehr einfachen Aufbau -aufweist und die insbesorderne sitzen berührungslosen Abgriff der für die Ernittlung des Drehmoments notwendigen Größen ermöglicht.The invention is based on the object of a measuring arrangement the Specify the type described in more detail at the outset, which has a very simple structure and the insbesorderne sit contactless tap for the determination of the Torque allows the necessary quantities.

Diese Aufhabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltiuigen und tjei terbildungen der Erfindung gehen aus den Unteranasparüchen hervor.This Aufhabe is given by the invention specified in claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention go from the Unteranasparuchen.

Die Erfindung ird nachfolgend unter Bezug auf die Zeicknung näher erläutert. Dabei zeigt: FIG. 1: Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei von auf dem Unfang von Stellungssensoren abgetastete Zahnräder mit Abstand voneinander koaxial auf einer Welle angeordnet und star mit dieser verbunden sind; FIG. 2: Ein Ausführungsbeispiel Sler Erfindung, bei den zwei Zahnräder jeweils für sich mit einem Welle starr verbunden sind und untereinander über Federelemente in Verbindung stehen; FIG. 3: In einer- Teilansicht der Erfindung die Anordnung eines Stellungssensors über einem Zahn eines Zahnrads der Meßanordnung.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing explained. It shows: FIG. 1: An embodiment of the invention in which two by gears scanned on the periphery of position sensors at a distance from one another are arranged coaxially on a shaft and are rigidly connected to this; FIG. 2: a Embodiment Sler invention, in which two gears each with itself a shaft are rigidly connected and interconnected via spring elements stand; FIG. 3: In a partial view of the invention, the arrangement of a position sensor over a tooth of a gear wheel of the measuring arrangement.

Das in FIG. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt eine/uofsion beanspruchte Welle 1, auf der koaxial mit Abstand voneinander zwei Zahnräder 3, 4 angeordnet sind, die beide mit der Welle 1 starr verbunden sind. Jedem Zahnrad 3, 4 ist ein Stellungssensor 5, 6 zugeordnet, der die örtliche Lage zumindest eines Teils der Zähne 9, 10 der Zahnräder 3, 4 erfaßt Wird die Welle 1 mit einem Drehmoment beaufschlagt, hat dies ene Torsion der Welle 1 zur Folge. Da beide Zahnräder 3, 4 starr mit der Weile 1 verbunden sind, führt die torsion der Welle 1 dazu, d sich die Lage des von Zahnrad 3 mit Abstand angeordneten Zahnrads 4, insbesondere die Lage aessen Zähne in Bezug auf die Zähne des Zahnrads 3 im Vergleich zur Situa-tion bei nichtvorhandenem Drehmoment verändert. Diese Veränderung wird über die Stellungssensoren 5, 6 erfaßt, die die Lageänderung bevorzugt in ein elektrisches Signal wnwandeln, welches über Leitungen 7, 8 einer Auswerte und gegebenenfalls Anzeigeeinrichtung zugeführt wird Die Stellungssensoren 5, 6 werden zweckmäßig als Lichtschranken, insbesondere Gabellichtschranken ausgebildet, die so am Umfang der Zahnräder 3, 4 angeordnet sind, aa3 jeweils ein Zahn 9, 10 des Zahnrads 3, 4 beim Passieren des Stellungssensors 5, 6 den Strahlengang der Lichtschranke unterbricht Anstelle eines als Lichtschranke ausgebildeten Stellungssensors 5, 6 kann insbesondere bei rauhen Betriebsbedingungen, bei denen mit einer starken Verschmutzung zu rechnen ist, zweckmäßig ein als induktiver Näherungsschalter ausgebildeter Stellungssensor angewendet werden, der skizzenhaft in Fig. 3 dargestellt ist Ein solcher Stellurgssensor besteht aus einem Ferritkern 31 mit E-F¢rm, auf dessen mittleren Schenkel eine Spule 32 angeordnet ist, die von einem hochfrequenten Meßstrom durchflossen wird Wenn sich diesem E-Kern 31 ein aus Metall bestehender Zahn 34 des Zahnrades 3 oder 4 nähert, so ändert sich die Induktivität und der Verlustwinkel der Spule 32. Diese Änderung kann in einer bekannten Brückenschaltung ausgewertet werden Man kann die Spule auch als frequenzbestimmenden Teil eines Oszillators ausbilden und erhält dann eine Frequenzänderung solange ein Zahn in der Nähe des Sensors steht Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von als LIchtschranke oder induktiver Näherungsschalter ausgebildeter Stellungssensoren beschränkt Mit.gleichem Erfolg lassen sich beispielsweise auch nach dem Hall-Effekt arbeitende Stellungssensoren verwenden Beide Zahnräder 3, 4 können gleich ausgebildet sein und insbesondere die gleiche Anzahl von Zähnen 9, 10 auf-veisen Dies liegt im Interesse einer preisgiinstigen P-ertigung der Meßanordnung, Es ist jedoch auch möglich, daß beispielsweise das Zahnrad 4 eine größere Anzahl von Zähnen 10 aufweist als das Zahnrad 3 Dies erweist sich u, dann als besonders vorteilhaft, wenn die Lageabweichung des Zahnrads 4 in Bezug auf das Zahnrad 3 mit einer gröBeren Auflösung ermittelt werden soll. Eine größere Anzahl von Zähnen 10 führt, wie unschwer erkennbar ist, zu einer größeren Anzahl von Impulsen, die vom Stellungssensor 6 an die Auswerteeinheit abgegeben werden Die Zahnräder 3, 4 können eine gleichmäßige Winkelteilung aufweisen Sie können jedoch auch mit einer ungleichmäßigen Winkelteilung aus gebildet sein und zwar ungleich im Sinne einer geometrischen Reihe, bevorzugt in der Weise, daß auf eine Winkelteilung von # = 1800 die Teilung #/2 = 90°, #/4 = 45°, s/8 = 22,5° usw folgt Weiter kann innerhalb jeder dieser Winkelteilungen jeweils ein Teilsegment metallisch und ein gleich großes Segment entweder nicht metallisch oder auch hell und/oder dunekl ausgebildet sein Wenn man diese ungleiche Winkelteilung im Sinne einer geometrischen Reihe zugrunde legt, kann durch Vergleich der Pulefolge aus einem Sensor in einer Auswerteschaltun, durch rein logische Operationen die Drehrichtung und die absolute Winkelstellung eines Zahnrades berechnet werden Setzt man das Ende der längsten Winkelteilung als 0--wnkt der Winkelstellung so ist z.B. bei Rechtslauf» die folgende Pulslänge genau 1/2 der längsten; bei Linkslauf die folgende jedoch 1/16 oder 1/32 der längsten. Hierbei wird nur vorausgesetzt, daß die Welle sich wenigstens über eine Umlauf stetig in eine Richtung bewegt. Dies ist bei Eraftfahrzeug-Antrieben meist erfüllt.The in FIG. 1 shows illustrated embodiment of the invention a / uofsion stressed shaft 1, on which two coaxially spaced apart Gears 3, 4 are arranged, both of which are rigidly connected to the shaft 1. Each gear 3, 4 is assigned a position sensor 5, 6 that shows the local position at least part of the teeth 9, 10 the gears 3, 4 detected If the shaft 1 is subjected to a torque, this has a torsion of the shaft 1 result. Since both gears 3, 4 are rigidly connected to the while 1, leads the torsion of the shaft 1 to this, d the position of the gear 3 arranged at a distance Gear 4, in particular the location ate teeth in relation to the teeth of the gear 3 changed compared to the situation with no torque available. This change is detected via the position sensors 5, 6, which the change in position preferably in a wnwandeln electrical signal, which via lines 7, 8 an evaluation and possibly Display device is supplied. The position sensors 5, 6 are expediently as Light barriers, in particular fork light barriers formed, the so on the circumference of the Gears 3, 4 are arranged, aa3 each a tooth 9, 10 of the gear 3, 4 at Passing the position sensor 5, 6 interrupts the beam path of the light barrier Instead of a position sensor 5, 6 designed as a light barrier, in particular in harsh operating conditions in which heavy soiling is to be expected is expediently a position sensor designed as an inductive proximity switch can be used, which is shown sketchily in Fig. 3 Such a Stellurgssensor consists of a ferrite core 31 with an E-shape, on the middle leg of which there is a coil 32 is arranged, through which a high-frequency measuring current flows when This E-core 31 is a metal tooth 34 of the gear 3 or 4 approaches, so changes the inductance and the loss angle of the coil 32. This modification can be evaluated in a known bridge circuit. The coil can also be used train as a frequency-determining part of an oscillator and then receive a frequency change as long as a tooth is near the sensor. The invention is not applicable to the application of position sensors designed as light barriers or inductive proximity switches With the same success, for example, the Hall effect Use working position sensors. Both gears 3, 4 can be designed in the same way and in particular the same number of teeth 9, 10 on-veisen This lies in the interest of an inexpensive P-production of the measuring arrangement, however, it is also possible that, for example, the gear 4 has a larger number of teeth 10 than the gear 3 This proves to be particularly advantageous when the Positional deviation of the gear 4 in relation to the gear 3 with a greater resolution should be determined. A larger number of teeth 10 leads, as is easy to see is, to a larger number of pulses sent from the position sensor 6 to the evaluation unit The gears 3, 4 can have a uniform angular division However, you can also be formed with an uneven angular division namely unequal in the sense of a geometric series, preferably in such a way that on an angular division of # = 1800 the division # / 2 = 90 °, # / 4 = 45 °, s / 8 = 22.5 ° etc. It follows that within each of these angular divisions there can be a sub-segment metallic and an equally large segment either non-metallic or bright and / or be designed dark If you have this unequal angle division in the sense of a geometric series, can be made by comparing the pulse sequence from a sensor in an evaluation circuit, through purely logical operations Direction of rotation and the absolute angular position of a gear are calculated the end of the longest angular division is 0 - if the angular position is e.g. with clockwise rotation »the following pulse length is exactly 1/2 of the longest; with counter-clockwise rotation the however, the following 1/16 or 1/32 of the longest. It is only assumed here that the shaft moves steadily in one direction at least over one revolution. this is usually fulfilled in the case of electric vehicle drives.

Insbesondere bei Verwendung von als Lichtschranken ausoebildeten Stellungssensoren 5, 6 können anstelle der Zahnräder 3, 4 auch Kreisscheiben mit der Welle 1 verbunden sein. Zweckmäßig tragen dann die Kreisscheiben auf ihrem Umfang oder in der Nähe ihres Umfangs helle oder denkle Stellen bzw. Markierungen, die entweder den Strahlengang der Lichtschranke des Stellungssensors nicht beeinflussen bzw. ihn unterbrechen.Especially when using position sensors designed as light barriers 5, 6, instead of the gears 3, 4, circular disks can also be connected to the shaft 1 be. The circular disks then expediently bear on their circumference or in the vicinity their circumference bright or denkle points or markings that either the beam path the light barrier of the position sensor does not influence or interrupt it.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem von Stellungssensoren 5, 6 abgetastete Zahnräder 3, 4 jeweils für sich starr mit einer unterteilten Welle 1' bzw. 22 verbunden sind. Untereinander sind die Zahnräder 3, 4 über Federelemente 11 miteinander verbunden.Fig. 2 shows a further embodiment of the invention in which by position sensors 5, 6 scanned gears 3, 4 each rigidly with itself a divided shaft 1 'and 22 are connected. The gears are below each other 3, 4 connected to one another via spring elements 11.

In einem weiteren Ausfahrungsbeispiel der Erfindung ist zwischen den jeweils starr auf einer unterteilten Welle sitzenden Zahnräder 3, 4 eine Kupplung angeordnet. die eine Unterbrechung des Kraftflußes zwischen den Teilwellen 1' bzw 2' ermöglicht Die Meßanordnung dient bevorzugt zur Erfassung des Drekmoments einer auf Torsion beanspruchten Welle In einfacher Weise läßt sich jedoch auch die Drehzahl der Welle ermitteln, inden beispielsweise nur die von einer der Stellungssensoren 5, 6 abgegebene mpulsfolge ausgewertet wird Die Meßanordnung wird bevorzugt in Fahrzeugen, insbesondere in Landfahrzeugen verwendet, um dort die für die Einstellung eines optimalen Betriebszustants unter ailen fahrbedingungen notwendigen Meßwerte zu ermittelnIn a further Ausfahrungsbeispiel the invention is between each rigid on a subdivided shaft seated gears 3, 4 arranged a clutch. an interruption of the power flow between the Partial waves 1 'or 2' possible. The measuring arrangement is preferably used to detect the Torque of a torsion-loaded shaft In a simple manner, however, also determine the speed of the shaft, for example only that of one of the Position sensors 5, 6 emitted pulse sequence is evaluated. The measuring arrangement is preferably used in vehicles, especially in land vehicles, there for the setting of an optimal operating state under all driving conditions is necessary To determine measured values

Claims (9)

Patentansprüche 1. Meßanordnung zur Messung des Drehmoments undZod^r der Winkelgeschwindigkeit sowie der Stellung bei einer z-lirdrischen Welle, welche unter Drehmomenteinwirkung einer Torsion unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß minieft-ens zwei mit Abstand voneinander koaxial angeordnete Zahnräder (3, 4) vorgesehen sind, von denen mindestens eines i:it der Welle (1) starr verbunden ist, und daß jedem der Zahnräder (3, 4) zugeordnet mindestens ein feststehender Stellungssensor (5, 6) vorgesehen ist, der die örtliche Lage zumindest eines Teils der Zähne (9, 10) der Zahnräder (3, 4) erfaßt.Claims 1. Measuring arrangement for measuring the torque undZod ^ r the angular velocity as well as the position in a z-terrestrial wave, which subject to torsion under the action of torque, characterized in that minieft-ens two gears (3, 4) arranged coaxially at a distance from one another are provided are, of which at least one i: it is rigidly connected to the shaft (1), and that at least one fixed position sensor is assigned to each of the gears (3, 4) (5, 6) is provided, which determines the local position of at least part of the teeth (9, 10) of the gears (3, 4) detected. 2 Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zahnräder (3, 4) starr mit der Welle (1) verbunden sind 3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) unterteilt ist, daß die Teile der Welle (1) entweder durch Federelemente miteinander verbunden und/ oder mittels einer Kupplung voneinander trennbar sind, und daß je eines der Zahnräder (3, 4) mit je einem Teil der Welle (1) starr verbunden ist.2 measuring arrangement according to claim 1, characterized in that both Gears (3, 4) are rigidly connected to the shaft (1). 3. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the shaft (1) is subdivided that the parts of the shaft (1) either connected to one another by spring elements and / or by means of a coupling are separable from one another, and that one of the gears (3, 4) each with a part the shaft (1) is rigidly connected. 4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zähne (9, 10) jedes der Zahnräder (3, 4) gleich ist.4. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the number of teeth (9, 10) of each of the gears (3, 4) is the same. 5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelteilung der Zähne eines Zahnrades (3, 4) gleichmäßig ist.5. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the angular division of the teeth of a gear (3, 4) is uniform. 6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durch gekennzeichnet, daß die Winkelteilung jedes Zahnrads (3, 4) ungleich ist im Sinne einer geometrischen Reihe, bevorzugt in der Weise, da auf eine Winkelteilung ven @@@ 1800 die Teilung s/2 = 900, #/4 = 450, w/8 = 22,5° usw.6. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the angular division of each gear (3, 4) is unequal in the sense of a geometric one Row, preferably in such a way that the division is based on an angular division ven @@@ 1800 s / 2 = 900, # / 4 = 450, w / 8 = 22.5 ° etc. folgt.follows. 7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungssensoren (5, 6) als Lichtschranken, insbesondere Gabellichtschranken ausgebildet sind, und daß die Stellungssensoren (5, 6) derart an Umfang eines jeden Zahnrads (3, 4) angeordnet sind, daß die Zähne (9, 10) des Zahnrads (3, 4) beim Passieren des Stellungssensors (5, 6) den Strahlengang der Lichtschranke unterbrechen.7. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the position sensors (5, 6) as light barriers, in particular fork light barriers are formed, and that the position sensors (5, 6) so on the circumference of each Gear (3, 4) are arranged that the teeth (9, 10) of the gear (3, 4) when When passing the position sensor (5, 6), interrupt the beam path of the light barrier. 8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungssensoren (5, 6) als induktive Näherungsschalter ausgebildet sind.8. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the position sensors (5, 6) are designed as inductive proximity switches. 9. Verwendung der Meßenordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Fahrzeugen, insbesondere Landfahrzeugen.9. Use of the measuring order according to one of claims 1 to 8 in Vehicles, in particular land vehicles.
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