Praxisbeispiel Sensorfusion

Der unsichtbare Drehmomentsensor

27. Mai 2022, 14:00 Uhr | Arno Erzberger, Onrasens
Schmuckbild Zahnräder
© Hernan Schmidt/stock.adobe.com

In vielen mechanischen Systemen sind Drehmomentsensoren für das Regeln oder Messen der übertragenen mechanischen Leistung hilfreich. Wie man die Wirkung auf einen mechanischen Körper unter Rotation misst, zeigt ein Beispiel aus der Praxis. 

Für Drehmomentsensoren gibt es drei weitverbreitete Anwendungen:

  • Leistungsmessungen an Prüfständen
  • Messung der menschlichen Tretleistung im Pedelec-Kurbelantrieb
  • Messung des Lenkmoments in Kraftfahrzeugen
     

Die aktuell verfügbaren Drehmomentsensoren, die für diese Anwendungen zum Einsatz kommen, lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen:

  • Drehmomentsensoren mit zusätzlichem integriertem (weichem) Torsionselement
  • Drehmomentsensoren ohne zusätzliches Torsionselement
     

Das Torsionselement dient dazu, eine definierte, leicht messbare elastische Verdrehung an einer Stelle des Torsionsstabes zu erzeugen, dort die Verdrehung zu messen und daraus das Drehmoment zu ermitteln.

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Drehmomentsensoren ohne Torsionselement verfügen über hochempfindliche Elemente, die geringe mechanische Verformungen messen (z. B. Dehnmessstreifen) oder Elemente, die typische physikalische Änderungen im Metallgefüge feststellen (z. B. über Magnetostriktion) und daraus den Drehmomentwert ermitteln.

In vielen Applikationen – vor allem bei der Übertragung hoher Drehmomente – sind weiche Torsionselemente nicht einsetzbar, weil das System für den primären mechanischen Zweck steif sein muss. Die Drehmomentsensoren ohne Torsionselemente sind meist komplex aufgebaut und daher teuer. Zusätzlich müssen Energieversorgung, Erregungsspannungen oder Signale berührungslos vom drehenden auf den stationären Teil übertragen werden. Hierfür werden induktive Kopplung, magnetische Kopplung oder Funkübertragung verwendet. Diese Arten der Übertragung erhöhen die Komplexität und die Kosten.

Aus den genannten Gründen werden in vielen Systemen Drehmomentsensoren vermieden, obwohl diese die Eigenschaften des Systems verbessern würden. Oft behilft man sich damit, das Drehmoment aus bekannten Größen im System zu schätzen und somit einen virtuellen Ansatz zu wählen – etwa über die aktuelle elektrische Leistung in Elektroantrieben, bei bekanntem Systemübertragungsverhalten und bekannten Verlusten.

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Prinzipaufbau der Drehmomentmessung
© Erzberger

Eine bewährte Methode

Es gibt aber noch eine weitere althergebrachte Methode, diese ist seit vielen Jahrzehnten bekannt, aber in Vergessenheit geraten. Es ist die Phasenmessung zwischen zwei Drehzahlsignalen unter der Verwendung der Antriebswelle als Torsionselement (Bild 1). Am Anfang der Antriebswelle wird die Drehzahl über ein periodisches Signal (z. B. Rechtecksignal) auf der Antriebsseite gemessen. Im größtmöglichen Abstand wird auf derselben Welle an der Abtriebsseite wieder die Drehzahl auf die gleiche Weise gemessen. Die Welle dazwischen ist somit das Torsionselement, und der Phasenversatz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsdrehzahl ist ein Maß für die Wellenverdrehung – und somit, bei bekannter Steifigkeit, ein direktes Maß für das anliegende Drehmoment (Bild 2). Diese Methode ist Stand der Technik und wurde z. B. bereits 1992 im US-Patent 5297044 anschaulich beschrieben. Mit den nun aktuell verfügbaren Drehzahlsensoren lässt sich dieses Verfahren kostengünstig mit Standardbauteilen umsetzen.

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Prinzipdarstellung der Sensorsignale und des resultierenden Phasenversatzes
© Erzberger

Was ist der Sensor?

Das Sensorsystem besteht aus den zwei Drehzahlsensoren mit Auswerteschaltung, zwei Geberrädern und der Welle als Torsionselement. Somit lässt sich das System in drei Teilsysteme aufteilen:

  • Drehzahlsensoren am Antrieb und am Abtrieb mit Schnittstellen zu den Geberrädern und elektrischer Schnittstelle zur Signalauswerteschaltung
  • Signalauswerteschaltung zur Ermittlung des Drehmomentmesswertes
  • Torsionswelle mit jeweils einem Geberrad am Antrieb und am Abtrieb

Zwei Sensorelemente aus der Elektronik, die beispielsweise baugleich gewählt werden, treffen auf die Torsionswelle mit Geberrädern als Element aus dem Maschinenbau und die elektronische Auswertung. Somit lässt sich für die Signalentstehung das Sensorsystem in zwei Grundkomponenten zerlegen, die einzeln nach der jeweiligen Disziplin konfiguriert werden. Die Wechselwirkung der beiden Grundkomponenten beschränkt sich auf die Wechselwirkung zwischen Drehzahlsensor und Geberrad.

Die Auswahl des Sensorprinzips erfolgt nach den Anforderungen des Systems. Rein physikalisch würde sich ein optisches Lichtschrankensystem anbieten, weil sich damit eine hohe Ortsauflösung durch eine geeignete Optik und das Geberrad darstellen lässt und die Totzeit auf einfache Weise geringgehalten werden kann. Da im folgenden Beispiel aber einen typischen Einsatz in einem Getriebe betrachtet werden soll, bietet sich aufgrund von Temperaturanforderungen bis 150 °C, Ölumgebung und Schmutzeintrag eine robuste und kostengünstige magnetische Hallsensorlösung an.


  1. Der unsichtbare Drehmomentsensor
  2. Notwendige Anforderungen

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