專利名稱：在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的方法、測量裝置及控制程序的制作方法
在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的方法、測量裝置及控制程序
背景技術(shù)：
在工業(yè)處理和制造過程中對包括傳動機構(gòu)的傳動系統(tǒng)有著大量復雜的要求，例如在較長的使用周期內(nèi)可靠運行，同時維護費用最小。例如影響工業(yè)處理和制造過程的傳動系統(tǒng)故障可例如由于設(shè)備停機時間而引起很高的經(jīng)濟損失。尤其在風電設(shè)備中，傳動機構(gòu)在其運轉(zhuǎn)期間要承受扭矩的動態(tài)負載順序、彎曲力矩以及軸向和徑向力等。為了構(gòu)造傳動機構(gòu)，可使用由設(shè)備操作員或制造商所定義的負載總和。如果所述負載總和不對應(yīng)于運行期間出現(xiàn)的實際負載，則會出現(xiàn)問題。為了識別并避免超負載情況，可以在傳動機構(gòu)中設(shè)置扭矩傳感器。在軸上測量扭矩通?；谌缦率聦嵼S具有扭簧特性，并且由于扭矩作用而旋轉(zhuǎn)。 例如可借助應(yīng)變儀、光學傳感器或者磁致彈性傳感器來確定所述旋轉(zhuǎn)。如果已知軸的抗扭剛度，則可利用所確定的旋轉(zhuǎn)得出作用于軸的扭矩。光學傳感器可以包括軸向間隔開地布置在軸上的槽盤，可檢測這些槽盤的相對旋轉(zhuǎn)。例如在DE 19745823A1中描述了這種類型的測量裝置。作為其替代，可將光柵設(shè)置在軸上，通過扭矩作用來確定光柵的變形。在磁致彈性傳感器的情況下則使用鐵磁材料，其導磁率取決于負載而變化。從DE 281M63A1可知，將兩個電磁脈沖發(fā)生器相隔一定軸向距離布置在軸上，這些脈沖發(fā)生器各自分配電磁傳感器。利用所述傳感器和下游比較器，可確定脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的信號之間因扭矩而引起的相移。WO 2000/08434A1描述了一種用來綜合檢測旋轉(zhuǎn)機械部件的旋轉(zhuǎn)角和扭矩的傳感器裝置，其中，角發(fā)射器和傳感器被布置成使得能夠檢測部件的扭轉(zhuǎn)，作為角發(fā)射器之間的角度的相對變化。軸向間隔地連接到機械部件的兩個齒輪具有相同的齒數(shù)，并且各自與用作角發(fā)射器的齒輪嚙合。用作角發(fā)射器的齒輪同樣具有相同的齒數(shù)。為了更精確地計算部件的旋轉(zhuǎn)角，還設(shè)置有另一個齒輪，其齒數(shù)不同于用作角發(fā)射器的齒輪。所述另一個齒輪與連接到部件的齒輪中的一個嚙合。WO 2000/08434A1所述的傳感器裝置需要相對大的空間， 并且不適于集成在現(xiàn)有的傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)之中。此外，為了將這種傳感器裝置集成在傳動機構(gòu)之中，通常在傳感器的安裝位置處需要長的電源線。在該連接中，必須要保證以適當?shù)姆绞结槍C械負載、熱負載以及電磁負載來保護電源線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的目的是提供一種用于扭矩檢測的方法以及該方法的合適的實施方式，所述方法可在傳動機構(gòu)中以簡單方式實現(xiàn)并且允許長期可靠且對故障不敏感的非接觸測量。根據(jù)本發(fā)明，通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法、具有權(quán)利要求12所述特征的測量裝置以及具有權(quán)利要求13所述特征的控制程序來實現(xiàn)所述目的。在從屬權(quán)利要求中提供本發(fā)明的有利發(fā)展。按照本發(fā)明所述，為了檢測傳動機構(gòu)中的扭矩，利用至少一個振動傳感器檢測出至少一個振動信號，該至少一個振動信號與相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率對應(yīng)，并且其相移取決于相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的至少一個齒嚙合持續(xù)時間。在該情況中，所述齒嚙合持續(xù)時間由于嚙合變形而與扭矩有關(guān)?？筛鶕?jù)所檢測的振動信號的和/或至少一個齒嚙合持續(xù)時間的相移來確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩。例如，本發(fā)明允許利用迄今為止用于傳動機構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)或條件監(jiān)測系統(tǒng)并另外用于檢測扭矩的振動傳感器。與以往布置在傳動機構(gòu)軸周圍并且因此而需要安裝空間的非接觸式扭矩測量系統(tǒng)的不同之處在于，根據(jù)本發(fā)明的測量裝置可更易于集成在傳動機構(gòu)之中。為了檢測扭矩，也可以確定至少兩個不同齒嚙合的齒嚙合頻率的相移之間的取決于扭矩的差異。然后，根據(jù)相移之間的差異確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩。作為其替代，可檢測與多個不同齒嚙合對應(yīng)的多個振動信號或者振動信號分量。 這種情況下，可根據(jù)多個不同齒嚙合算出的平均值來確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩。這種情況下，對于傳動機構(gòu)的齒嚙合可以監(jiān)測平均值和單個齒嚙合的扭矩測量值之間的偏差。如果偏差超過可指定的閾值，則可以例如產(chǎn)生報警信號，該報警信號包括指明相關(guān)的齒嚙合。


以下將參照示例性實施例對本發(fā)明進行更詳細解釋，其中圖1以示例方式示出了具有漸開線嚙合的圓柱齒輪副的齒嚙合示意圖，圖2示出了針對多個不同扭矩負載創(chuàng)建的曲線圖，其具有沿著齒嚙合區(qū)間的齒廓壓力曲線，圖3示出了具有傳動機構(gòu)和扭矩測量裝置的布置的示意圖。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明，圖1以示例方式示出具有漸開線嚙合的圓柱齒輪副的齒嚙合。圓柱齒輪副的兩個齒輪101、102在時刻Tl處在第一位置(實線)，第一齒輪101的齒111這時在嚙合點A與第二齒輪102的齒121嚙合。此外，這兩個齒輪101、102在時刻T2 處在第二位置(虛線)，這時當兩個齒輪101、102在圖中所示方向轉(zhuǎn)動時，第一齒輪101的齒111與第二齒輪102的齒121之間的嚙合在嚙合點E處終止。只有齒輪101、102的兩個齒111、121在嚙合點B和嚙合點D之間的單獨嚙合區(qū)域中相互嚙合。與此相反，齒輪101、 102的其它齒在嚙合點A和B之間以及嚙合點D和E之間的雙個嚙合區(qū)域中相互連接。齒輪101、102在稱作滾動接觸點的嚙合點C處以沒有滑動摩擦的方式沿彼此滾動。在漸開線嚙合的情況下，嚙合點A-E處在直線103上。齒輪副的嚙合齒在負載作用下變形，因此沿旋轉(zhuǎn)方向跟隨的齒被認為相對較早地嚙合。這產(chǎn)生了不斷變化的齒嚙合持續(xù)時間和齒作用力波動，這進而引起噪聲和振動?？梢越柚谡駝觽鞲衅鱽頇z測所述噪聲或振動作為振動信號。在這種情況下，所述振動信號代表齒輪相互嚙合的齒輪副的齒嚙合頻率。所述振動信號具有相移，該相移取決于相互嚙合的齒輪的至少一個齒嚙合持續(xù)時間。在直齒齒輪的情況下，變形基本上由齒剛度和負載作用下產(chǎn)生的作用扭矩來確定。這導致了隨著扭矩的增大而變大的齒嚙合相移。這基本上也適用于具有斜齒的齒輪。對應(yīng)于圖2中針對多個不同扭矩負載產(chǎn)生的并具有齒廓壓力曲線201-206的曲線圖，齒嚙合持續(xù)時間沿著嚙合點A和E之間的齒嚙合部分隨著扭矩增大而連續(xù)增加。曲線201與最小扭矩負載對應(yīng)，曲線206與最高扭矩負載對應(yīng)。扭矩負載從曲線201至曲線206連續(xù)增大。此外，參照齒廓壓力而明顯的是，沿著嚙合點B和D之間的齒嚙合部分的齒嚙合持續(xù)時間隨著扭矩負載的增大而下降。例如可以利用空氣聲振動檢測器或者固體聲振動檢測器來檢測這種隨負載變化的特性。圖3示意性示出的布置包括扭矩測量裝置，該扭矩測量裝置具有安裝于傳動機構(gòu) 307外殼上的兩個振動傳感器301、302以及基于計算機的信號處理單元306。原則上，即使單個振動傳感器也是足夠的。這種情況下，應(yīng)選用具有更高運算能力并且例如能夠純粹基于硬件基準而被執(zhí)行的信號處理單元。利用兩個振動傳感器301、302檢測振動信號，這些振動信號各自表示第一變速級 371與第二變速級372的相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率。如上所述，齒嚙合頻率的相移取決于相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合持續(xù)時間。齒嚙合持續(xù)時間進而由于嚙合變形與扭矩有關(guān)。兩個振動傳感器301、302是傳動機構(gòu)307的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)309的傳感器，所述傳感器用來確定振動標志，因此如果存在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，則基本上不需要新的傳感器來檢測扭矩。利用兩個振動傳感器，第一變速級371的相互嚙合的傳動機構(gòu)齒與第二變速級 372的相合嚙合傳動機構(gòu)齒之間的傳動系經(jīng)歷與扭矩有關(guān)的旋轉(zhuǎn)。傳動系的所述旋轉(zhuǎn)導致由兩個振動傳感器301、302檢測的振動信號之間產(chǎn)生相移。所涉及的傳動機構(gòu)齒之間的傳動系經(jīng)常具有扭簧剛度，其對于一系列的所有傳動機構(gòu)而言，是基本相同的，并且例如可在傳動機構(gòu)試驗臺上的校準操作的范圍內(nèi)確定。扭矩測量裝置的信號處理單元306包括處理器361、工作存儲器362、非易失性存儲器363(例如硬盤驅(qū)動器或閃存)以及輸入/輸出單元364。信號處理單元305經(jīng)由與分配到所述信號處理單元的帶通濾波器305耦接到振動傳感器301、302。將控制程序308存儲在信號處理單元306的存儲器363之中，該控制程序可以被加載到工作存儲器362之中，并且具有可通過處理器361執(zhí)行的代碼段，在執(zhí)行所述代碼段后，通過振動傳感器301、302檢測振動信號。當控制程序308在信號處理單元306中運行時，根據(jù)所檢測的振動信號的相移或者根據(jù)控制程序308檢測的齒嚙合持續(xù)時間，確定作用于傳動機構(gòu)307的扭矩。例如，可以從控制程序執(zhí)行的方法所確定的扭矩的滯后變化曲線得出例如軸承間隙或者齒隙所弓I起的傳動系中的間隙。借助于信號處理單元306，也可以將所檢測的振動信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，例如通過反拉普拉斯變換或者傅立葉變換進行轉(zhuǎn)換，或者在離散信號的情況下通過反Z變換進行轉(zhuǎn)換。然后，可以根據(jù)被轉(zhuǎn)換到時域的振動信號，確定嚙合點B和D之間以及嚙合點A和E 之間的齒嚙合持續(xù)時間。關(guān)于圍繞所涉及的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合基本頻率的可預定的頻域，可通過帶通濾波器305對借助于振動傳感器301、302檢測到的振動信號進行預處理，使之可用于信號處理單元306。在本示例性實施例中，借助于分配給兩個變速級371、372的轉(zhuǎn)速計303、304確定齒嚙合基本頻率。上述在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的方法還可增加對多個扭矩測量信號求平均值的功能。這樣就能對比傳動機構(gòu)齒的幾何差異，并且可以檢測嚙合誤差或者增大的間隙。為此， 可以檢測與多個不同齒嚙合對應(yīng)的多個振動信號或者振動信號分量。然后，根據(jù)多個不同齒嚙合算出的平均值來確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩。然后，對于傳動機構(gòu)的齒嚙合可監(jiān)測平均值和單個齒嚙合的扭矩測量值之間的偏差。如果偏差高于可指定閾值，則例如生成包括指明相關(guān)的齒嚙合的報警信號。 本發(fā)明的應(yīng)用并不限于這里所述的示例性實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的方法，其中-利用至少一個振動傳感器檢測至少一個振動信號，所述至少一個振動信號與相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率對應(yīng)，并且其相移取決于所述相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的至少一個齒嚙合持續(xù)時間，-所述齒嚙合持續(xù)時間由于嚙合變形而與扭矩有關(guān)，-根據(jù)所檢測的振動信號的和/或所述至少一個齒嚙合持續(xù)時間的相移，確定作用于所述傳動機構(gòu)的扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定至少兩個不同齒嚙合的齒嚙合頻率的相移之間的取決于扭矩的差異，并且其中，根據(jù)所述相移之間的差異確定作用于所述傳動機構(gòu)的扭矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，檢測與多個不同齒嚙合對應(yīng)的多個振動信號或者振動信號分量，并且其中，根據(jù)多個不同齒嚙合算出的平均值確定作用于所述傳動機構(gòu)的扭矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，對于傳動機構(gòu)的齒嚙合檢測所述平均值和單個齒嚙合的扭矩測量值之間的偏差，并且其中，如果偏差高于可指定的閾值，則生成報警信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述報警信號包括指明相關(guān)的齒嚙合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其中，將所述至少一個振動信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，并且其中，根據(jù)被轉(zhuǎn)換到時域的所述振動信號，確定嚙合點B與嚙合點D之間的齒嚙合持續(xù)時間，和/或確定嚙合點A與嚙合點E之間的齒嚙合持續(xù)時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其中，關(guān)于圍繞齒嚙合基本頻率的可預定的頻域，對所述至少一個振動信號進行帶通濾波。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，借助于轉(zhuǎn)速表確定所述齒嚙合基本頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中，所述至少一個振動傳感器是空氣聲振動檢測器或者固體聲振動檢測器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法，其中，所述至少一個振動傳感器是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的用來確定所述振動信號的傳感器。
11.一種用來確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩的測量裝置，具有-用來檢測至少一個振動信號的至少一個振動傳感器，所述至少一個振動信號與相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率對應(yīng)，并且其相移取決于所述相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的至少一個齒嚙合持續(xù)時間，其中，所述齒嚙合持續(xù)時間由于嚙合變形而與扭矩有關(guān)，-連接到所述至少一個振動傳感器的信號處理單元，用于根據(jù)所檢測的振動信號的和 /或所述至少一個齒嚙合持續(xù)時間的相移來確定作用于所述傳動機構(gòu)的扭矩。
12.一種用于在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的控制程序，所述控制程序能加載到數(shù)據(jù)處理裝置的工作存儲器之中，并且具有能通過處理器單元進行處理的至少一個代碼段，當執(zhí)行所述代碼段時，-借助于所述至少一個振動傳感器檢測至少一個振動信號，所述至少一個振動信號與相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率對應(yīng)，并且其相移取決于所述相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的至少一個齒嚙合持續(xù)時間，其中，所述齒嚙合持續(xù)時間由于嚙合變形而與扭矩有關(guān)，-當所述控制程序在所述數(shù)據(jù)處理裝置中運行時，根據(jù)所檢測的振動信號的和/或所述至少一個齒嚙合持續(xù)時間的相移，確定作用于所述傳動機構(gòu)的扭矩。
全文摘要
本發(fā)明涉及在傳動機構(gòu)中檢測扭矩的方法、測量裝置及控制程序。按照本發(fā)明所述，為了檢測傳動機構(gòu)中的扭矩，利用至少一個振動傳感器檢測出至少一個振動信號，該至少一個振動信號與相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的齒嚙合頻率對應(yīng)，并且其相移取決于相互嚙合的傳動機構(gòu)齒的至少一個齒嚙合持續(xù)時間。在該情況中，所述齒嚙合持續(xù)時間由于嚙合變形而與扭矩有關(guān)。可根據(jù)所檢測的振動信號的和/或至少一個齒嚙合持續(xù)時間的相移來確定作用于傳動機構(gòu)的扭矩。
文檔編號G01L3/00GK102279068SQ20111011333
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者A·克萊因-希特帕斯, J-D·賴默斯 申請人:溫納吉股份公司