DE3517889A1

DE3517889A1 - Vorrichtung zur optischen drehmomentmessung

Info

Publication number: DE3517889A1
Application number: DE19853517889
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Tokio/Tokyo Otsuka; Tsuneo Kawagoe Saitama Takahashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1985-12-19
Also published as: US4637264A; FR2564586A1; DE3517889C2; GB8512508D0; GB2162309A; GB2162309B; CA1231254A

Description

Vorrichtung zur optischen Drehmomentmessung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Drehmomentmessung einer Welle, wie einer Kraftübertragungswelle oder dgl. wie sie bei dem Kraftübertragungssystem eines Fahrzeuges vorgesehen ist.

Für Vorrichtungen dieser Art war bisher eine solche bekannt, wie sie in der japanischen Patentanmeldung Sho 57-4856 beschrieben ist. Dabei' ist z.B. ein Streifenmuster (Gittermuster) aus einer Gruppe von parallelen Linien konstanter Steigung an der Mantelfläche einer Welle angebracht. In einer Kamera ist ein Negativ, das dem vorstehend genannten Muster ähnelt so auf eine Brennpunktebene eingestellt, daß sich ein Bild des Streifenmusters mit dem Negativbild so überlappt, daß die beiden Bilder größengleich sind. Ein stroboskopischer Lichtstrahl wird synchron mit den Umdrehungen der Welle einmal je Wellenumdrehung ausgesandt, so daß ein Moire-Streifenmuster entsprechend der Größe des Drehmoments geschaffen wird, dessen Neigung dem des Streifenmusters entspricht. Das auf die Welle einwirkende Drehmoment kann aus dem geneigten Moire-Muster abgelesen werden.

Diese Vorrichtung ist jedoch wegen der Kompliziertheit ihres Aufbaus ungünstig, weil ein stroboskopischer Lichtstrahl synchron mit der Drehung der Welle benötigt wird. Außerdem ist das Ablesen des Drehmoments nur zu dem Zeitpunkt möglich, in dem der stroboskopische Lichtstrahl aufleuchtet, d.h. die Ablesezeit ist sehr begrenzt.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die solche Unzulänglichkeiten vermeidet und keine stroboskopische Lichtquelle benötigt und die es erlaubt, das

° Drehmoment jederzeit abzulesen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungs-

beispiels der erfindungsgemäßen Vor

richtung;

Fig. 2 und 3 Diagramme von Streifenmustern verschiedener rotierender Platten; 20

Fig. 4a - 4d Diagramme von transitiven Arten von Verschiebungen optischer Muster entsprechend den Verdrehungen der beiden rotierenden

_w Platten relativ zueinander;

Fig. 5 ein Diagramm als Beispiel einer Detek

torschaltung, die ein Bauelement einer Detektoreinrichtung darstellt;

Fig. 6, 6a Diagramme von Ausgangssignalen jeweiliger

Inverter an der Ausgangsseite der jeweiligen optischen Detektoreinrichtungen der Detektorschaltung;

Fig. 7 ein Diagramm das die Form eines Musters

* eines anderen Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, und

Fig. 8 eine Schnittansicht eines abgewandelten

Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei

dem ein Gehäuse eine hermetisch eingeschlossene Flüssigkeit enthält.

Das in den Figuren 1 bis 6 gezeigte Beispiel zeigt eine Welle 1, wie eine Kraftübertragungswelle oder dgl. in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges und ein Gehäuse 2, durch das die Welle 1 drehbar hindurchgeführt ist. Ein Paar erster und zweiter drehbarer Platten 3.., 3 sind in einem Raum im Gehäuse 2 angeordnet, die die Welle 1 !5 umfassen und in axialer Richtung einander zugewandt sind. Diese rotierenden Platten 3.. , 3„ sind durch daran befestigte Verbindungsglieder 4-, 4_ so mit der Welle 1 verbunden, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen ihren Befestigungspositionen verbleibt.
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Die beiden rotierenden Platten 3* , 3₂ sind aus transparentem oder lichtdurchlässigem Material gefertigt und jedes der optischen Muster 5, 6 ist in schwarzer Farbe durch einen Druckvorgang oder dgl. darauf aufgetragen, so daß radial nach außen gerichtete Streifen oder Linien gebildet sind, die in ümfangsrichtung eine feine Teilung aufweisen. In diesem Fall ist das optische Muster auf einer der rotierenden Platten 3.., 3 z.B. auf der ersten rotierenden Platte 3.. in einer solchen Form ausgebildet, daß jede Linie sich gerade stufenlos radial nach außen erstreckt (Fig. 2), aber das optische Muster 6, das auf der anderen Platte 3„ angeordnet ist, weist eine solche Form auf, daß jede Linie darin in eine sich radial erstreckende äußere Hälfte 6a und eine sich radial erstreckende innere Hälfte 6b aufgeteilt ist, wobei die

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beiden Hälften gegeneinander um 1/4 der Muster-Teilung zwischen den Linien in Umfangsrichtung phasenverschoben sind, wie es z.B. in Fig. 3 gezeigt ist.

° Wenn bei dieser Anordnung eine relative Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3.. , 3~ durch Torsion der Welle 1 hervorgerufen wird, so wird das optische Muster 5 der ersten rotierenden Platte 3.. aus einer Stellung, bei der jede seiner Linien mit der äußeren Hälfte 6a jeder Linie des optischen Musters 6 der zweiten rotierenden Platte 3„ zusammenfällt (siehe Fig. 4a), in eine Stellung verdreht, in der jede Linie mit jedem transparenten Zwischenraum zwischen den inneren Hälften 6b benachbarter Linien des optischen Musters 6 zusammenfällt (Fig. 4b), um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend P/4, und weiter in eine Stellung, in der jede Linie mit jedem transparenten Zwischenraum zwischen den äußeren Hälften 6a zusammenfällt (Fig. 4c), um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend P/2,und weiter in eine Stellung, in der jede Linie mit der inneren Hälfte 6b des optischen Musters 6 zusammenfällt (Fig. 4d), um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend (3/4) P, und weiter in eine Stellung die gemäß Fig. 4a entspricht, um einen Betrag der relativen Drehung entsprechend "IP.

Hieraus ergibt sich, daß bei Betrachtung von einem solchen stationären System aus, das nicht mit der Welle 1 umläuft, ein ringförmiges Moire-Interferenz-Muster in einem Bereich B geschaffen wird, der einer Anordnung der inneren Hälften 6b entspricht (siehe Stellung in Fig. 4b), und ein ringförmiges Moire-Interferenz-Muster in einem Bereich A geschaffen wird, der einer Anordnung der äußeren Hälften 6a unter den in Fig. 4c gezeigten Bedingungen entspricht.

in Übereinstimmung mit einer Veränderung der Größe der re-

lativen Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3 , 3_ wird so das Moire-Interferenz-Muster abwechselnd im Bereich B oder im Bereich A geschaffen, wie wenn dies Muster zwischen den beiden Bereichen A und B wechseln würde.

Eine Detektoreinrichtung 7 stellt diese Verschiebungsbewegung des Moire-Interferenz-Musters fest. Beim gezeigten Beispiel ist die Detektoreinrichtung 7 so gestaltet, daß ein lichtaussendendes Faserelement 8 mit einem lichtaussendenden Teil 2a (Lichtsender) verbunden ist, das so am Gehäuse 2 angeordnet ist, daß es sich auf der einen Seite der beiden rotierenden Platten 3-, 3„ befindet. Ein Paar von lichtaufnehmenden Faserelementen 9.. , 9₂ sind

jeweils, dem Bereich A bzw. B entsprechend, mit einem lichtempfangenden Teil 2b (Lichtempfänger) verbunden, der am Gehäuse 2 auf der anderen Seite der beiden rotierenden Platten 3,, 3 angeordnet ist.

Die durch die Bereiche A und B übertragenen Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle 1o durch die lichtübertragende optische Faser 8 auf die Platten projiziert werden, werden individuell durch die jeweilige, lichtleitenden optischen Fasern 9-, 9₂ zu einem ersten optischen Detektor 1I₁, der dem Bereich A bzw. einem zweiten optischen Detektor 11₂r der ^dem Bereich B entspricht, geführt, und jeweilige Signale, die von diesen Detektoren 11., 11₂ abgegeben werden, können von einer Detektorschaltung verarbeitet werden, um die Verschiebung des Moire-Interferenz-Musters zu erfassen.

In diesem Fall kann eine solche Abänderung vorgenommen werden, daß mit Hilfe eines Spiegels oder dgl. die das Licht empfangenden optischen Faserelemente 9₁, 9₂ an der selben Seite wie das lichtsendende Faserelement 8 angeordnet werden.

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■*· Die Detektorschaltung wird nachfolgend mit Bezug auf das Blockdiagramm in Fig. 5 erläutert:

Die jeweiligen optischen Detektoren H₁» 11₂ sind an ihrer Ausgangsseite mit jeweiligen Wellenformern 12.., 12„ und jeweiligen Invertern 13.., 13„ versehen, so daß ein Impulssignal (Fig. 6a), das mit der Erzeugung des Moire-Musters im Bereich A synchronisiert ist, vom ersten Inverter 13. erzeugt wird, der an den ersten Detektor 1I₁ angeschlossen

¹^ ist, und ein Impulssignal (Fig. 6b), das mit der Erzeugung des Moire-Musters im Bereich B synchronisiert ist, vom zweiten Inverter 13- erzeugt wird, der mit dem zweiten Detektor 11„ verbunden ist, Ein Ausgangssignal des ersten Inverters 13- kann einem monostabilen Multivibrator 14 zugeführt werden und ein Ausgangssignal von diesem kann einem ersten und zweiten UND-Glied 15.., 15„ zugeführt werden, während ein Ausgangssignal des zweiten Inverters 13p direkt dem ersten UND-Glied 1S₁ und über einen Inverter 16 dem zweiten UND-Glied 15₂ zugeleitet wird. Ein Ausgangsimpulssignal vom ersten UND-Glied 1S₁ kann als Additions-Berechnungsimpuls einem Zähler 17 zugeführt werden, der mit den zwei UND-Gliedern 15^ 15„ verbunden ist, während ein Ausgangsimpulssignal des zweiten UND-Gliedes 15„ als Subtraktions-Berechnungssignal dem zähler 17 zugeführt wird, so daß ein Drehmoment aus dem Zählerstand-Signal, das vom Zähler 17 abgegeben wird, durch eine Ausgangssignalverarbeitungsschaltung 18 errechnet und abgegeben werden kann.

im Einzelnen wird, wenn die Welle 1 entsprechend der Erzeugung und dem Ansteigen der Drehbeanspruchung verdreht wird, und der in Fig. 4a gezeigte Zustand in den in Fig. 4b gezeigten entsprechend dem Ansteigen der relativen Verdrehung zwischen den rotierenden Platten 3.. , 3„ übergeht, ein Moire-Muster zunächst im Bereich B erzeugt, bevor es

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im Bereich A entsteht, und wird ein Ausgangssignal des zweiten Inverters 13« erzeugt, wodurch ein hochpegeliges Signal dem ersten UND-Glied 1S₁ und ein niederpegeliges Signal dem zweiten UND-Glied 15„ zugeleitet werden. Wenn danach die bestehenden Bedingungen in die in Fig. 4c gezeigten geändert werden, wird das Moire-Muster im Bereich A erzeugt und infolgedessen wird vom ersten Inverter 13.. ein Ausgangssignal erzeugt, wird ein Triggerimpuls vom monostabilen Multivibrator 14 erzeugt und wird dadurch ein einzelner Additions-Berechnungsimpuls dem Zähler 17 vom ersten UND-Glied 1S₁ zugeleitet. Danach wird in im wesentlichen gleicher Weise jedes einzelne Additions-Berechnungssignal in den Zähler 17 jedesmal eingegeben, wenn eine einer Teilung des Musters entsprechende relative Verdrehung eintritt.

Wenn dagegen der Betrag der relativen Verdrehung zwischen den beiden rotierenden Platten 3.. , 3„ entsprechend einer Verringerung des Drehmoments abnimmt, so verändern sich die Zustände entsprechend der Fig. 4d in die in der Fig. 4c gezeigten. Das Moire-Muster wird dann im Bereich A erzeugt, bevor es im Bereich B erzeugt wird. In diesem Fall werden dem UND-Glied 15„ vom Inverter 16 ein Signal mit hohem Pegel und ein Triggerimpuls vom monostabilen Multivibrator 14 zugeführt, so daß ein Subtraktions-Berechnungssignal dem Zähler 17 vom UND-Glied 15₂ zugeleitet wird.

So kann zu diesem Zeitpunkt die Verdrehung und damit aas Drehmoment der rotierenden Welle 1 aus dem Zählerstandssignal des Zählers 17 erfaßt werden.

Die optischen Muster 5,6, die auf den beiden rotierenden Platten 3.., 3„ gebildet sind, sind nicht auf solche Formen beschränkt, wie sie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen benutzt wurden, sondern es können auch solche Abänderungen in Betracht gezogen werden, bei denen

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die optischen Muster 5, 6 z.B. Linien aufweisen, die sich radial erstrecken und sich kreuzen (Fig. 7). Durch eine solche Anordnung wird auch ein ringförmiges Moire-Muster in jedem anderen Bereich geschaffen, bei dem die Kreuzungs- ° punkte der Muster 5, 6 sich in radialer Richtung nach innen oder außen entsprechend dem Wechsel der relativen Drehveränderung zwischen den beiden Platten 3., 3 verschieben. So wird das Moire-Muster über jeden gewünschten einzelnen Punkt in radialer Richtung einmal.. pro relativer Ver-Schiebung um einen Betrag, der einer Teilung P entspricht, verschoben. Somit kann das Drehmoment (Torsionsmoment) in nahezu der gleichen Weise erfaßt werden unter Verwendung von mindestens zwei optischen Detektoren, wobei die Verschieberichtung der Moire-Muster und die Anzahl der durch den Soll-Punkt gehenden Moire-Muster gemessen werden.

Es kann auch eine Anordnung, wie sie in der US-PS 3 688 57o gezeigt ist, in Betracht gezogen werden, bei der statt der rotierenden Platten 3.., 3₂ ein Paar rotierender Rohre

so mit der Welle verbunden sind, daß sie einen vorbestimmten Abstand zwischen sich freilassen. Eines der Rohre ist in das andere eingeführt, so daß die Außenfläche des inneren Rohres der Innenfläche des äußeren Rohres gegenüberliegt. Jedes der beiden rotierenden Rohre ist mit einem optischen Muster versehen, das aus vorbestimmten in Umfangsrichtung verlaufenden Linien mit Teilung (Schrittweite) besteht, so daß in etwa die gleiche Funktion wie oben erreicht wird.

Die Art der Anordnung ist jedoch deshalb ungünstig, weil die Ausbildung des optischen Musters auf einem solchen rohrförmigen Körper schwierig ist. Es ist auch schwierig und umständlich, die Rohre konzentrisch an der Welle zu befestigen, da jedes rotierende Rohr so angeordnet werden muß, daß beim Umlauf keine Schwenkbewegungen auftreten.

* Bei den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen kann sehr leicht infolge von Eindringen von Staub in das Gehäuse 2 oder infolge von Feuchtigkeitsniederschlag im Gehäuse 2 eine diffuse Lichtreflektion zwischen dem lichtaussenden Teil 2a und dem lichtaufnehmenden Teil 2b auftreten, so daß die Meßgenauigkeit verschlechtert wird. Zur Abhilfe kann das Gehäuse 2 luftdicht ausgeführt werden. Die Herstellung eines absolut dichten Gehäuses ist jedoch sehr schwierig und das Eindringen von Staub kann bis zu einem gewissen Grad, der Niederschlag von Feuchtigkeit dadurch jedoch nicht verhindert werden.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, durch die dieses Problem gelöst wird. Es wird nämlich ein Dich-

!5 tungsglied 2d, wie z.B. eine öldichtung oder dgl. zwischen der Welle 1 und der inneren Fläche an jedem Ende des Gehäuses 2 vorgesehen, die an einem Lager 2c, das die Welle trägt, angeordnet ist, so daß das Gehäuse 2 flüssigkeitsdicht durch die Dichtung 2d abgedichtet ist. Das Gehäuse ist ferner mit Flüssigkeit gefüllt.

Eine flüssigkeitsdichte Abdichtung des Gehäuses ist wesentlich leichter herstellbar, als eine luftdichte Abdichtung. Das Eindringen von Luft von außen in das Gehäuse 2 wird durch den Flüssigkeitsinhalt verhindert, wenn das Gehäuse 2 flüssigkeitsdicht ausgebildet ist. Dementsprechend wird auch mit Sicherheit verhindert, daß in der Außenluft enthaltene Feuchtigkeit in das Gehäuse 2 eindringen kann und sich dort niederschlägt. Demzufolge können die Detektionsverhältnisse zwischen dem lichtaussendenen Teil 2a und dem lichtempfangenden Teil 2b stets gleich gehalten werden, und das Auftreten von Ablesefehlern infolge sich ändernder Außenbedingungen wird sicher vermieden.

Es ist erwünscht, daß die verwendete Flüssigkeit stabile optische, physikalische und chemische Eigenschaften unter voraussehbaren äußeren Bedingungen aufweist. In dieser Hinsicht ist z.B. Silikonöl geeignet, und die Flüssigkeit kann je nach den Gegebenheiten unter Druck in das Gehäuse 2 eingefüllt werden.

Silikonöl ist bei Temperaturen von -3o °C - 7o ⁰C transparent und besitzt hohe Viskosität und ist vorteilhaft, um eine Flüssigkeitsdichtheit zu garantieren.

Nach der Erfindung wird so durch die relative Verdrehung von zwei rotierenden Platten gegeneinander, die durch Verdrehung einer Welle hervorgerufen wird, infolge der Verschiebung zwischen optischen Mustern, die auf die Platten aufgetragen sind, ein Moire-Interferenz-Muster geschaffen, so daß eine Drehmomentgröße durch Erfaßung der Verschiebung des Moire-Musters erfaßt werden kann. Ein stroboskopisches Licht wird nicht benötigt. Infolgedessen wird die Einrichtung um einen entsprechenden Betrag verbilligt. Zusätzlich kann die Drehbeanspruchung stets und nicht nur zu bestimmten Zeitpunkten abgelesen werden. Zusätzlich sind die Muster auf rotierenden Platten ausgebildet, . deren Herstellung und Befestigung auf der Welle im Vergleich zu rotierenden Rohren, wie sie vorher benutzt wurden, vereinfacht wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders dann vorteilhaft, wenn sie an einem Fahrzeug oder dgl. zur Überwachung der Maschine, einer Kraftübertragungsvorrichtung oder dgl. entsprechend der Drehbeanspruchung vorgesehen wird.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur optischen Drehomomentmessung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar rotierender Platten (3.., 3 ), deren jede ein optisches Muster (5, 6) trägt, einander zugewandt und so auf einer Welle (1) angeordnet sind, deren Drehmoment gemessen werden soll, daß ein vorgegebener Abstand zwischen ihren befestigten Stellungen verbleibt, so daß ein Moire-Interferenz-Muster (5, 6) entsprechend den Wechseln der relativen Verdrehungen der beiden Platten (3., 3 ) gegeneinander erzeugbar ist, und daß eine Detektoreinrichtung vorgesehen ist, die eine Verschiebung des Moire-Interferenz-Musters zwischen äußeren und inneren Bereichen (A, B) erfaßt, so daß hierdurch die Drehinomentbeanspruchung der Welle bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen (5) des optischen Musters (5, 6) auf einer üer beiden rotierenden Platten (3.., 3„) sich stufenlos ra-

BAD ORIGINAL

* dial erstreckt und jeder Streifen (6a, b) des optischen Musters auf der anderen Platte (3.. , 3 ) stufenförmig angeordnet ist und einen radial gerichteten inneren halben Bereich (B) und einen radial gerich- ^ teten äußeren halben Bereich (A) umfaßt, die sich in ihrer Phase voneinander unterscheiden, und daß die Detektoreinrichtung ein Paar optischer Detektoren zur Erfassung von jeweiligen Lichtstrahlen aufweist, die durch den radial äußeren Bereich (A) und den radial

¹^ inneren Bereich (B) des Musters der beiden Platten (3., 3 ) übertragen werden, so daß die Anzahl der Verschiebungen der Moire-Muster zwischen den vorhergehenden zwei Bereichen und die Richtung ihrer Verschiebung durch Ausgangssignale der beiden optischen Detektoren festgestellt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren und äußeren Bereiche (A, B) um einen Phasenunterschied gegeneinander versetzt sind, der 1/4 der Teilung (Schrittweite) des optischen Musters beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Muster (5, 6) einer der beiden Platten (3.. , 3₂) und das optische Muster (5, 6) der anderen der beiden Platten so angeordnet sind, daß die Streifen einander kreuzen, und daß die Detektoreinrichtung zumindest zwei optische Detektoren umfaßt, die die jeweiligen Lichtstrahlen, die durch mindestens zwei Bereiche in radialer Richtung der beiden rotierenden Platten (3.., 3~) treten, erfassen, so daß die Anzahl der Verschiebungen des Moire-Musters, das zwischen den beiden Bereichen (6a, b) verschoben wird, und ihre Verschieberichtung durch Ausgangssignale der Detektoren erfaßbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (2) die durch es hindurchgeführte Welle (1) trägt, daß die beiden rotierenden Platten (3 , 3 ) im Gehäuse (2) untergebracht sind und daß das Gehäuse (2) mit einem Lichtsender und einem Licht empfänger (9.., 9 ) für die beiden rotierenden Platten versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (2) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist und eine Flüssigkeit enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Silikonöl ist.