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Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes in einem Getriebe - Dokument DE10228216A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10228216A1 11.03.2004
Titel Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes in einem Getriebe
Anmelder ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 Friedrichshafen, DE
Erfinder Gierling, Armin, Dipl.-Ing., 88085 Langenargen, DE
DE-Anmeldedatum 25.06.2002
DE-Aktenzeichen 10228216
Offenlegungstag 11.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.2004
IPC-Hauptklasse G01L 3/06
IPC-Nebenklasse F16H 59/16   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes in einem Getriebe, wobei ein tatsächlich wirkendes Drehmoment aus einer Axialkraft eines drehmomentübertragenden schrägverzahnten Zahnrades des Getriebes, insbesondere aus einer gemessenen Lagerkraft dieses Zahnrades, bestimmt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes in einem Getriebe, wobei ein tatsächlich wirkendes Drehmoment aus einer Axialkraft eines drehmomentübertragenden schrägverzahnten Zahnrades des Getriebes, insbesondere aus einer gemessenen Lagerkraft dieses Zahnrades, bestimmt wird.

Zur Erfassung von Drehmomenten, die in ein Bauteil – beispielsweise in ein Getriebe – eingeleitet werden, sind mehrere System bekannt. Häufig eingesetzt werden Drehmoment-Meßnaben, bei denen die Torsion eines Nabenabschnittes unter Drehmomentbelastung über fest mit dem Nabenabschnitt verbundene Dehnungsmeßstreifen elektrisch gemessen und hieraus über bekannte Werkstoffdaten dieses Nabenabschnittes auf den Betrag des eingeleiteten Drehmomentes geschlossen wird. Die Spannungsversorgung der Dehnungsmeßstreifen und die Meßsignale werden hierbei üblicherweise über Schleifringe oder auch induktiv von dem Nabenabschnitt, auf dem die Dehnungsmeßstreifen abgeordnet sind, auf ein nicht rotierendes äußeres Bauelement der Drehmoment-Meßnabe übertragen und von dort in eine elektronische Auswerteeinheit, die als Ausgangssignal ein Drehmoment liefert. In nachteiliger Weise sind Bauraumbedarf und Kosten solcher Drehmoment-Meßnaben hoch, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Meßwertes.

Weiterhin sind Systeme zur Drehmomenterfassung bekannt, bei denen auf einer Meßwelle definierter Torsionssteifigkeit in einem definierten axialen Abstand zueinander zwei Drehzahlsensoren angeordnet sind. Bei einer Drehmomentbelastung der Meßwelle wird das anliegende Drehmoment aus dem Phasenversatz zwischen den Drehzahlsignalen der beiden Drehzahlsensoren berechnet. Insbesondere der axiale Bauraumaufwand einer solchen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung ist hoch, ebenso die Kosten für die beiden Sensoren und die Meßwelle.

In der DE 196 33 380 A1 wird eine Drehmoment-Erfassungsvorrichtung vorgeschlagen, die ebenfalls nach dem Meßprinzip Phasenversatz zwischen zwei Rotationselementen arbeitet. Hierzu ist das erste Rotationselement mit einer Eingangswelle, über die das zu bestimmende Drehmoment eingeleitet wird, verbunden. Das zweite Rotationselement ist koaxial zu dem ersten Rotationselement angeordnet und mit einer Ausgangswelle der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung verbunden. Die Verbindung zwischen beiden Wellen wird über ein elastisches Element hergestellt, das sich gemäß dem darauf wirkenden Drehmoment verformt. Durch diese Verformung werden die beiden Rotationselemente gegeneinander verdreht. Infolge ihrer engen räumlichen Zuordnung können beide Rotationselemente mit Hilfe eines einzigen Sensors abgetastet werden, der ein Ausgangssignal liefert, welches die Oberflächenstruktur der beiden Rotationselemente abbildet. Durch Auswertung der zeitlichen Verschiebung im Signal des Sensors wird in einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung das Drehmoment, das auf das elastische Element zwischen den beiden Wellen der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung wirkt, berechnet. Das elastische Element kann aus demselben Material bestehen wie die Welle, es kann auch als Feder zwischen den beiden Rotationselementen ausgeführt sein.

Aus der DE 197 37 626 C2 schließlich ist ein System zur Erfassung eines Antriebsdrehmomentes eines Wandler-Automatgetriebes bekannt geworden, bei dem das Antriebsdrehmoment aus dem Stützmoment des Drehmomentwandlers berechnet wird. Bekanntlich weist ein üblicher Drehmomentwandler einen hydraulischen Kreislauf auf mit einem angetrieben Pumpenrad, einem Turbinenrad als Abtrieb und einem Leitrad zur Drehmomentüberhöhung, wobei sich das Leitrad über einen Freilauf an dem Automatgetriebegehäuse abstützt. Die DE 197 37 626 C2 schlägt vor, zwischen dem Freilauf des Leitrades und dem Automatgetriebegehäuse eine Meßwelle anzuordnen. Die Meßwelle überträgt das Stützmoment des Leitrades auf eine drehelastische hydraulische Meßeinrichtung, aus derem Verschwenkwinkel ein drehmomentäquivalentes hydraulisches Signal generiert wird. Das so beschriebene System zur Drehmomenterfassung setzt das Vorhandensein eines Drehmomentwandlers voraus und liefert nur Drehmomentwerte, solange das Antriebsmoment über den hvdraulischen Kreislauf des Wandlers übertragen wird und sich der Wandler im Zugbetrieb befindet, also die Pumpendrehzahl des Wandlers größer ist als die Turbinendrehzahl.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein universell einsetzbares kostengünstiges System zur Drehmomenterfassung darzustellen, mit geringem Bauaufwand und geringen Bauraumbedarf.

Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe mit einer die Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, aus einer Axialkraft eines drehmomentübertragenden schrägverzahnten Zahnrades eines Getriebes, insbesondere aus einer gemessenen Lagerkraft dieses Zahnrades, ein tatsächlich an dem Zahnrad wirkendes Drehmoment zu bestimmen. Die Axialkraft des drehmomentübertragenden schrägverzahnten Zahnrades liefert also ein drehmomentäquivalentes Signal. In Kenntnis der mechanischen Anbindung anderer Bauteile an das Zahnrad und der entsprechenden geometrischen Daten kann das derart bestimmte Drehmoment am Zahnrad in einfacher und bekannter Weise umgerechnet werden zu einem an einem anderen Getriebeelement tatsächlich wirkenden Drehmoment, beispielsweise an einem Schaltelement des Getriebes.

Der Erfindung zugrunde liegen an sich bekannte Verfahren zur Berechnung von Lagerkräften schrägverzahnter Zahnräder. Prinzipiell ist die aktuelle Axialkraft F_ax einer Schrägverzahnung eine Funktion ihres Schrägungswinkels beta und eine Funktion der aktuell übertragenen Umfangskraft F_t, die an dem wirksamen Radius r des Zahneingriffs in das Zahnrad eingeleitet wird. Dabei ist die Umfangskraft F_t eine Funktion des eingeleiteten Drehmomentes Md. Im Idealfall, also insbesondere bei einer fehlerfreien, starren Verzahnung, gleichmäßigen und günstigen Schmierbedingungen, sowie konstanten Festigkeitswerten gilt: Md = F_t⋅r = ( F_ax/tan(beta))⋅r

Erfindungsgemäß wird die Axialkraft an mindestens einem Lager des schrägverzahnten Zahnrades gemessen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist hierzu eine Meßunterlagscheibe zur Messung von statischen und dynamischen Kräften vorgesehen, die zwischen dem Zahnrad und dessen axialer Abstützfläche am Lager angeordnet ist. Derartige Meßunterlagscheiben an sich sind hinlänglich bekannt. Sie arbeiten beispielsweise piezoresitiv und eignen sich daher vorzüglich für Messungen dynamischer und auch hochdynamischer Kräfte. Die solchermaßen gemessene tatsächliche Axialkraft ist äquivalent zu dem in die Verzahnung eingeleiteten Drehmoment.

In einer Auswertevorrichtung der Drehmomenterfassungsvorrichtung wird die gemessene Axialkraft F_ax des schrägverzahnten Zahnrades in das Drehmoment Md umgerechnet, welches in das Zahnrad eingeleitet wurde, und steht als Ausgangssignal der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung weiteren Vorrichtungen und/oder Steuerungen zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Auswertevorrichtung der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung direkt in eine nachfolgende Steuervorrichtung integriert ist.

In vorteilhafter Weise kann also auf ein an sich bekanntes und erprobtes Bauelement zurückgegriffen werden, welches als zusätzliches Bauteil zu den bereits vorhandenen Bauteilen Zahnrad und Lager erforderlich ist. Bekannte Meßunterlagscheiben zur Kraftmessung benötigen hierbei nur geringen Bauraum, insbesondere nur eine geringe Baulänge, und sind zudem im Vergleich zu den bekannten Drehmomentsensoren relativ kostengünstig.

In einer anderen Ausbildung der Drehmoment-Erfassungsvorrichtung kann die Meßvorrichtung zur Axialkraftmessung des schrägverzahnten Zahnrades auch unmittelbar in das Lager, an dem sich das Zahnrad axial abstützt, integriert sein. Ebenso kann eine Integration der Meßvorrichtung zur Axialkraftmessung in dem Zahnrad selber vorgesehen sein.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß zwei Meßunterlagscheiben zur Messung der statischen und dynamischen Axialkräfte des schrägverzahnten Zahnrades vorgesehen sind, wobei die erste Meßunterlagscheibe die Axialkräfte der Schrägverzahnung aufgrund positiver Drehmoment-Richtung mißt, und die zweite Meßunterlagscheibe die Axialkräfte der Schrägverzahnung in negativer Drehmoment-Richtung. Die genannten Vorzeichen der Drehmoment-Richtung ist hierbei son zu verstehen, daß bei am Zahnrad positiver Drehmoment-Richtung das Zahnrad von einer Eingangswelle des Getriebes her angetrieben wird. Entsprechend verläuft der Drehmomentenfluß bei am Zahnrad negativer Drehmoment-Richtung von einer Ausgangswelle des Getriebes über das Zahnrad zu der Eingangswelle des Getriebes. In einer einfachen Ausführung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das schrägverzahnte Zahnrad axial zwischen beiden Meßunterlagscheiben angeordnet, und stützt sich axial über die Meßunterlagscheiben gegen zwei Lager ab. In besonders vorteilhafter Weise können mit dieser Ausgestaltung der Erfindung die tatsächlichen Drehmomente in beiden Momentenrichtungen bestimmt werden, wobei der erforderliche zusätzliche Bauaufwand vergleichsweise gering ist.

In der Praxis liegen an der Schrägverzahnung des Zahnrades, an dem die Axialkraftmessung erfolgt, keine idealen Voraussetzungen vor, wie dies in der zuvor genannten einfachen Formel unterstellt wurde. Abweichende Voraussetzungen werden insbesondere hervorgerufen durch innere Zusatzkräfte durch Verzahnungsfehler und Verformungen, durch die tatsächlichen Schmierverhältnisse mit der realen, wechselnden Umfangsgeschwindigkeit, Viskosität und Oberflächenrauheit, sowie durch besondere geometrische Ausgestaltungen der Verzahnung wie zum Beispiel einer Fußausrundung. Zur Kompensation solcher Fehler kann daher bei der Umrechnung der gemessenen Axialkraft in das in die Schrägverzahnung eingeleitete Drehmoment ein Korrekturfaktor K vorgesehen sein, sodaß beispielsweise Md = K⋅(F_ax/tan(beta))⋅r gilt.

Der Korrekturfaktur K kann dabei in Vorversuchen empirisch ermittelt worden und dann als Konstante oder als Funktion fest vorgegeben sein. Wie zuvor erläutert, können in dieser Funktion insbesondere die Abhängigkeiten von der Umfangsgeschwindigkeit der Verzahnung und von der Viskosität bzw. Temperatur des Schmiermittels berücksichtigt sein. In einer anderen Ausgestaltung kann der Korrekturfaktor K auch adaptierbar sein.

Bevorzugte Einsatzorte der erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsvorrichtung sind Stufen-Automatgetriebe, automatisierte Schaltgetriebe und stufenlose Automatgetriebe, bei denen eine verläßliche Drehmomentinformation insbesondere zur Steuerung der Schaltelemente und – soweit vorhanden – zur bedarfsgerechten Anpreßdrucksteuerung des Variators zur Übersetzungsverstellung wichtig ist. Antriebsseitig angeordnet, kann mit der Drehmomenterfassungsvorrichtung in einfacher Weise ein Eingangsdrehmoment bestimmt werden. Abtriebsseitig angeordnet, kann mit der Drehmomenterfassungsvorrichtung in einfacher Weise ein Abtriebsmoment des Getriebes bestimmt werden, beispielsweise zur Absicherung eines CVT-Variators vor abtriebsseitigen Drehmomentstößen oder zur abtriebsmomentenbasierten Drucksteuerung eines aus zwei verblockten Schaltelementen bestehenden Hillholders des Getriebes.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmomentes in einem Getriebe, wobei ein tatsächlich wirkendes Drehmoment aus einer aktuellen Axialkraft eines drehmomentübertragenden schrägverzahnten Zahnrades des Getriebes, insbesondere aus einer gemessenen Lagerkraft dieses Zahnrades, bestimmt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die des schrägverzahnten Zahnrades als statische und/oder dynamische Meßgröße an mindestens einem Lager des schrägverzahnten Zahnrades ermittelt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßvorichtung zur Ermittlung der Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades mindestens eine Meßunterlagscheibe vorgesehen ist, welche zwischen dem Zahnrad und dessen axialer Abstützfläche am Lager angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zur Ermittlung der Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in das Lager, an dem sich das Zahnrad axial abstützt, integriert ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zur Ermittlung der Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in dem Zahnrad integriert ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßvorichtung zur Ermittlung der Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades zwei Meßunterlagscheiben vorgesehen sind, wobei die erste Meßunterlagscheibe die aktuelle Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades aufgrund einer ersten (bezogen auf eine Eingangswelle des Getriebes positiven) Drehmoment-Richtung mißt, und die zweite Meßunterlagscheibe die aktuelle Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in einer zweiten (bezogen auf eine Eingangswelle des Getriebes negativen) Drehmoment-Richtung.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das schrägverzahnte Zahnrad axial zwischen beiden Meßunterlagscheiben angeordnet ist und sich axial über die Meßunterlagscheiben gegen zwei Lager abstützt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Axialkraft piezoresitiv erfolgt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in einer Auswertevorrichtung in ein in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleites Drehmoment umgerechnet wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung direkt in eine nachfolgende Steuervorrichtung des Getriebes integriert ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades über eine Funktion Md = (F_ax/tan(beta))⋅r in das in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleitete Drehmoment umgerechnet wird, wobei Md das Drehmoment, F_ax die gemessene Axialkraft, Beta ein Schrägungswinkel des Zahnrades und r ein wirksamer Radius eines Zahneingriffs des Zahnrades bezeichnen.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umrechnung der gemessenen Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in das in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleitete Drehmoment ein Korrekturfaktor vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor bei der Umrechnung der gemessenen Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in das in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleitete Drehmoment als Konstantwert vorgegeben ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor bei der Umrechnung der gemessenen Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades in das in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleitete Drehmoment als Funktion vorgegeben ist, insbesondere in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur des Getriebes oder einer Schmiermittelviskosität.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor empirisch ermittelt ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor adaptierbar ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades über eine Funktion Md = K⋅(F_ax/tan(beta))⋅r in das in das schrägverzahnte Zahnrad eingeleitete Drehmoment umgerechnet wird, wobei Md das Drehmoment, K den vorgegebenen Korrekturwert, F_ax die gemessene Axialkraft, beta den Schrägungswinkel des Zahnrades und r den wirksamen Radius des Zahneingriffs des Zahnrades bezeichnen.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der aktuellen Axialkraft des schrägverzahnten Zahnrades bestimmte Drehmoment zur Steuerung von anderen Bauelementen des Getriebes verwendet wird, insbesondere für eine Drucksteuerung oder Druckregelung von Schaltelementen und/oder eine Drucksteuerung oder Druckregelung eines Variators zur Übersetzungsverstellung des Getriebes.
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