Drehmomentsensor

Hallo
Vielleicht erstmal zum Hintergrund: Ich bin Modellbauer und habe mir in den letzten Jahren ein Auto (M 1:5) gebastelt. Antrieb 20ccm Benzinmotor (Allrad über Kardanwelle). Dafür habe ich mir auch noch ein CVT Getriebe gebaut. Nachdem die Steuerung der Kegel inzwischen einigermassen klappt hat sich bei den ersten Probefahrten herausgestellt, dass sich Gas und Übersetzung nicht so einfach steuern lässt. Auch eine Regelung/Mischung bringt nicht viel.
So weit ich mich inzwischen in die Thematik eingelesen habe bräuchte ich so etwas wie einen Drehmomentsensor am Abtrieb. Die sind allerdings teuer, groß, schwer, ... Habt ihr evtl eine Idee, wie ich mir so etwas selber bauen könnte?
Da ich Schlosser bin komme ich seitens der Mechanik klar. Elektronik nun ja.... Mikrokontroller kann ich so halbwegs programmieren. Habe mir mit denen von Atmel ein ABS/ASR und ein Telemetriesystem ins Auto gebaut.

Danke schonmal
Thomas

[PicNick]

Hi, bin kein Fachmann: Das ganze Getriebe presst doch mit der gerade aufgewendeten Kraft gegen seine Halterung. Was is, wenn du das mit Piezo- oder anderen Druckmessern mißt ? (Für den Motor gilt natürlich das Gleiche) Wenn der Druck zu groß wird mußt du runterschalten, sonst vice versa . ???
Gebt's mir nur, ich hab Schläge verdient ](*,)

Hallo PicNick

Die Anpresskraft der Kegelscheiben ist kein Problem mehr. Ich messe die Drehzahlen am Ein- und Ausgang und regle die Anpresskraft entsprechend (Motorstrom der Servos).

Ich habe mich vermutlich etwas unklar ausgedrückt: Ich bräuchte die Drehmomentmessung um den Antriebsmotor (Benzinmotor) im richtigen Drehzahl/momentbereich zu halten (Ich kenne die genaue Motorcharakteristik leider nicht). Das würde ich widerum gern über die passende Untersetzung regeln.
Natülich gibt es einen Drehzahlbereich, in dem der Motor sein größtes Moment entwickelt. Der ist jedoch nicht immer gleich und hängt stark von anderen Faktoren, wie Aussentemperatur (Temperatur der Ansaugluft), Motortemperatur, Gemischeinstellung, ...
Daher dachte ich an eine Drehmomentmessung an der Kardanwelle.

Thomas

[PicNick]

Na ja, ich hab' mir das so gedacht :
Das mit der Drehzahl ist klar, da gibts Grenzwerte, etc.
Aber die KRAFT, die wirkt, kannst Du doch durch das Gegendrehmoment messen (nicht ?).
Als Torsionskraft an der Kardanwelle, da ist es aber abhängig von der Getriebeübers. Oder, da's ja um den Motor geht, am Gegendrehmoment, das dieser erfährt.
d.h. egal, wie das Getriebe gerade übersetzt, den MOTOR wird's doch dann am stärksten ins sein Lager pressen, wenn er die höchste Leistung abgibt. Ober- und unterhalb seines Maximums wird dieser Druck nachlassen.
Wie man allerdings diesen Wert letztlich zum Regeln von Drehzahl, Gemisch und sonst was verwendet, darüber schweig' ich stille.
Konnt' ich Dir nicht nützen, vielleicht hab ich dich wenigstens amüsiert.
mfg Robert

Hallo Robert
Kraft auf Motorlager: Das habe ich auch schon einmal angedacht, vor allem als ich von Piezosensoren erfahren habe. Hab es aber dann wieder verworfen weil die Sensoren sehr spröde sein sollen (brechen?) und mir gesagt wurde dass ich bei den Vibrationen ohnehin nichts brauchbares messen kann.
Hast du vielleicht noch eine Idee auf Lager? evtl. wie ich das Moment auf der Kardanwelle messen kann (weil das will ich ja maximieren damit der kleine vom Fleck kommt)?
Thomas

[PicNick]

Nun, WENN du die Kardanwelle teilen könntest und mit einer (geeignet starken) Feder verbindest, aber dadurch die Welle leicht verdrehbar machst und hättest auf jedem Teil Sensormarken für Opto-sensoren und nimmst beide auf, haben die zwei dann eine Phasenverschiebung, je nachdem, wieweit die Feder nachgibt (= Drehmoment).
Da Dir ja die spanhebende Metallverarbeitung vertraut ist, fällt vielleicht auch ein anderer Mechanismus ein, diese Torsion darstellbar zu machen. Durch die Opto sensoren wär das halt berührungsfrei und könnt auch vibrieren.
Das Problem ist halt, daß die Welle ja nicht schlagen darf.
Wenn's recht ist, denk ich noch nach mfg Robert

Schau mal unter http://www.liedtke-antriebstechnik.de/de/public/drehmomentmessung.html
... aber keine ahnung, was sowas kosten kann/darf, noch wie schwer
das ist. Ansonsten kommstdu um eine DMS-Brücke mit dem ganzen Schnickschnack wohl nicht drumherum, jedoch wird das dann auch ne menge mehraufwand und eher nicht kleiner (bischen genau solls doch auch sein).


"Gast 02" (nicht Thomas) Es ist immer schwierig die anonymen Posts richtig zuzuordnen. Manfred

[PicNick]

Ist auch die Frage, geht's um's Bauen oder ums Fahren ? Im letzteren Fall hast du sicher recht, im anderen Fall ist kaufen feig, überhaupt für einen Fachmann wie Dich.
Immer noch denk' ich, daß die aufgewendete Kraft doch irgendwo anders zu messen sein muß. Blattfedern (wenn vorhanden) bekommen eine S-Schlag, Längslenker werden belastet, das ganze Differential will unter Last eine Nickbewegung machen (wollen), usw.
Gut, ich muß für's Erste wohl das Feld räumen, Du hast ja wohl schon länger drüber nachgedacht, in der Schnelle kann ich nicht mehr bieten.
Unabhängig werd' ich aber weiter drüber nachdenken, weil mich sowas ärgert. mfg Robert

[Manf]

die aufgewendete Kraft doch irgendwo anders zu messen sein muß


vor allem als ich von Piezosensoren erfahren habe. Hab es aber dann wieder verworfen weil die Sensoren sehr spröde sein sollen (brechen?)

Es gibt ja nicht nur Piezosensoren.

Die DMS Brücke scheint mir an der Aufhängung des Getriebes schon besser angebracht zu sein als auf der Kardanwelle.

Es wird schon schwierig an der Minaturwelle die DMS anzubringen und dann noch die Daten drahtlos an das Fahrzeug zu übertragen.
Manfred

[nikolaus10]

Hallo
Piezosensoren sind halt Keramikaehnlich und haben damit etwa deren Eigenschaften.
Probier doch mal folgendes: leg unter der einen seite der Motorblockaufnahme diese kleine Piezopiepser, diese scheiben mit den zwei Anschluessen, na du weist schon. Die geben bei Druck eine kleine Spannung ab. Natuerlich must du das elektrisch isolieren und mech. aufbereiten.
Fuer die Vibrationen koennte man vielleicht gute Filter einsetzen.

MFG

[Manf]

leg unter der einen seite der Motorblockaufnahme diese kleine Piezopiepser, diese scheiben mit den zwei Anschluessen, na du weist schon.
Die arbeiten mit Durchbiegung und sind in dieser Hinsicht den Kräften des Getriebes kaum gewachsen.
Sie geben die Ladung bei Druck auch nur einmal ab, das heißt über den Strom, der herauskommt muß intergriert werden. (Oder die Ladung wird über die gesamte Meßdauer isoliert).
Hast Du das mit den Piezo Piepsern schon mal ausprobiert?
Manfred

Hallo und vielen Dank für eure Vorschläge.
Robert: Die Idee mit der optischen Abtastung gefällt mir eigentlich sehr gut (nicht zuletzt, weil ich das auch so für die Drehzahlmessung der einzelnen Räder so gemacht hab). Nur nochmal um sicher zu gehen, dass ich das auch richtig verstanden hab: Ich habe zwei Markierungen auf der Welle, vor und nach der Feder. Dann habe ich noch so was wie eine elektronische Stoppuhr. Mit der messe ich dann die Zeitdifferenz zwischen den beiden Markierungen während der Drehung. Dann brauche ich noch die Drehzahl der Welle (Messe ich bereits).
Ohne Belastung müßte ich eine sehr kleine oder gar keine Zeitdifferenz messen. Mit Belastung ist die Zeitdifferenz vom Übertragenen Moment und von der Drehzahl abhängig. Drehzahl kann ich dann herausrechnen (oder?).
Stimmt das so? oder habe ich dich falsch verstanden.
Dann müßte ich noch testen, ob die Verzögerung zwischen den Vorder- und Hinterrädern mein ABS/ASR anschlagen läßt. Wenn ja ist das kein großes Problem weil ich das nur weniger empfindlich einstellen brauche.

Spaß macht beides, also Fahren und Basteln. Seit ich aber mit den Scheibenbremsen, Telemetriesystem usw. angefangen habe Bastel ich viel mehr, weil ich das interessanter finde (Mein Sohn hat mich auf die Mikrokontroller gebracht).
Ich glaube du überschätzt mich da. Mir fehlen viele Grundlagen, für diese Bücher, so dass ich nicht alles verstehe.

Mandfred: Ich kenne die Empfindlichkeit von Dehnungsmeßstreifen nicht, aber meine Getriebeaufhängung ist bis auf die Lager aus Alu. Ich muß sagen am liebsten wäre mir eine Messung an der Welle, weil ich an den Differentialen bzw. am Getriebe kaum noch Platz habe. Eine Veränderung am Getriebe wäre auch mit sehr viel Aufwand verbunden.
An der Kardanwelle habe ich Platz oder ich kann einfach Platz schaffen.(Elektronik ist schnell an einem anderen Platz befestigt.)
Die Welle ist aus Silberstahl und hat 8mm Durchmesser (ist vermutlich etwas übertrieben war aber damals gerade zur Hand)

Thomas

Entschuldigung, aber eure Vorschläge kamen während ich getippt habe.

Nein, so etwas mit den Piepsern (ich hoffe ich meine das Richtige) habe ich noch nie versucht.

Thomas

[PicNick]

Hallo, wieder ich: Ja, das hab ich so gemeint. Die Auswertung für's Drehmoment is ja drehzahlunabhängig (oder soll es sein).
Stell ich mir so vor: An der Motorseite (die ja immer früher dran ist) kriegst Du einen Impuls (= 0 Grad). jetzt zählst du mit Timer, bis die Umdrehung beendet ist (nächster Impuls). Der Zähler ist (je nach Drehzahl) bis, sagen wir Z gekommen. Der Impuls vom anderen Sensor kommt irgendwann dazwischen, bei der Zahl X. Beide Zahlen sind drehzahlabhängig, stehen aber immer zueinander in einem Verhältnis, das dem Drehmoment entspricht (eigtl. der Torsion)
Ideal wär natürlich, wenn die (Timer)Zahlgeschwindigkeit von der tatsächlichen Drehzahl kontrolliert wäre, dass du also für jede ganze umdrehung trotzdem (fast) den gleichen Wert bekommst. (Gleichmäßigere Auflösung übers Drehzahlbereich)
WICHTIG: nicht die Zeit wird gemessen, sondern der Verdrehungswinkel.
Vielleicht kannst du letzteres dem Junior delegieren, der freut sich sicher.
Gut find' ich, dass die Sensorik berührungs- und belastungsfrei ist
Weniger gut ist die Teilung der Welle an sich, das könnt' noch etwas Hirnschmalz brauchen. Vielleicht zwei Flansche, die sich etwas verdrehen können, aber axial fixiert sind ? (Wie eine Hardy-Scheibe mit Federn statt Gummi) mfg Robert

[RG]

In letzter Zeit hatte ich beruflich mit berührungsloser Drehmomentmessung zu tun und weiß daher, daß derartige Sensoren einige 100 Euro kosten. Da sollte man das vorgeschlagene Prinzip der torsionsweichen Welle schon mal testen. Das Bildchen soll eine Möglichkeit der Befestigung der Feder andeuten.

RG

[Manf]

Ein großer Schritt von 8mm Silberstahl zu der Feder die da noch übrig bleibt.

Wie wäre es dann mit einem Winkelanschlag?

Wie groß soll der Meßwinkel denn werden?

Manfred

[PicNick]

@RG: super, ab sofort bist Du Ober-Ehren-Mitglied, mir gefällt das.
Zum Evaluieren im Trockendock zum Testen der Sensoren und Saftware reicht das allemal, so wie's is.
Die Art und Befestigung der Feder kann man sicher noch optimieren aber ich find', das is doch mal ein Ansatz. =D>
mfg robert

Hallo
vielen Dank euch allen. Entschuldigt die späte Antwort, aber ich habe in den letzten Tagen neue Lagerböcke (für von und nach der Feder) gemacht und eine neue Silberstahlwelle vorbereitet. Muss jetzt noch auf die bestellten Zahnräder warten.
Nun hätte ich noch eine Frage: Ich hatte vor mir eine passende Feder zu machen, bin mir aber über die Stärke des Federstahldrahts noch nicht so ganz schlüssig. Anfangs dachte ich an 1mm Durchmesser (war grad zur Hand) und 5 Windungen dicht beieinander. Die Feder sollte sich dann "abwickeln".
Rein gefühlsmässig kommt mir das aber viel zu schwach vor. Ich befürchte dass es mir da die Feder komplett abwickelt wenn ich Gas gebe.
Hättet ihr evtl. noch Vorschläge zur Federgeometrie? oder einfach nur dickerer Draht oder doch ein Flansch?

Thomas

[Manf]

Das Moment über die Torsion zu messen ist völlig o.k.
(Darüber, die Torsion von außen zu messen reden wir viellicht später noch mal.)
Man sollte in jedem Fall eine Lastspitze einplanen, die Feder sollte beim Nachgeben nicht in einen Überlastzustand kommen und ein Anschlag sollte die Zerstörung verhindern. Grenze des Meßbereichs aber nicht des Funktionsbereichs.
Kann man den Meßbereich auf 90° Torsion begrenzen?
Manfred

[farmerjo]

Hi!
Interessante Aufgabe. Hürliman hat bei deren Traktoren auch ein Momentenmessung über die Torsion der Zapfwelle mit zwei Induktivennäherungssensoren und ein paar Noppen auf der Welle ralisiert, sehr schöne Sache. Problme gibt es aber mit der eigen Schwingung der Welle, du hast ja keine statische Belastung sondern eher was schwellendes, aber probiern geht über studieren.
Man kann Piezosensoren auch dazuveranlassene konstant eine Spannung abzugeben, die Firma Kistler ist da sehr weit gekommen, aber der Preis ist auch nicht schlecht. Aber man könnte den Motor ja auch auf eine Wippe stellen die mit einem Lager un einer Feder verbunden ist und dann die Drehung, bzw. die daraus resultierende Abstandänderung kapazitiv, oder induktiv messen.
Mit DMS ist auf Wellen unter 10mm Durchmesser aus eigener Erfahrung verdammt kompliziert, man bekommt die da kaum noch vernünftig aufgeklebt.
Mit Vibrationen ist garnicht so wild wie viele denken, hatte beruflich auch das Problem, aber wir haben die rausgemittelt, haben auch erst alle geschrien das ginge so nicht, dann habenw ir da ne Referenz wiegezelle dazugetan und es stellte sich heraus das die Werte einen fehler <5% hatten, also ziemlich im Grünen Bereich.

Gruß Johann!

[UserChristian]

Hallo,
das ganze mit Dehnmeßstreifen ?
Auf den vorderen und hinteren Teil der Welle wird ein Impulsgeber angebracht (Über Licht oder auch Magnet).
Mit einem Oszi kann dann anhand der Phasenverschiebung der Drehwinkel
erfasst werden. Dieser Drehwinkel entspricht dem Drehmoment.