Ein Federkörper für alle Fälle Ein Federkörper für alle Fälle | HBM

FlexRange-Technologie mit hoher Grundgenauigkeit ermöglicht variable Drehmomenttests in unterschiedlichen Messbereichen

Drehmomentmessungen im Automotive-Bereich sind häufig eine besondere Herausforderung. Bei einigen Anwendungen besteht der Wunsch, mit nur einem Drehmoment-Sensor mehrere Messbereiche abzudecken. Dafür gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. So wird etwa der Messbereich des Sensors elektrisch oder mechanisch erweitert. Im ersten Fall leidet jedoch die Genauigkeit, weil dabei Messunsicherheits-Faktoren wie Hysterese, Signalrauschen und Temperaturgang des Nullpunktes mit der Messbereichsspreizung verstärkt werden. Im anderen Fall verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften wegen des sehr komplexen Messkörper-Aufbaus. HBM geht deshalb einen anderen Weg und hat den digitalen Drehmoment-Messflansch T12HP mit FlexRange entwickelt. Dieser Sensor deckt mit nur einem Federkörper den gesamten Messbereich mit einer enorm hohen Grundgenauigkeit ab.

Erhöhung der Energieeffizienz, verringerter Verbrauch, längere Reichweiten – die Anforderungen an Motoren und Automotive-Komponenten steigen kontinuierlich. Damit erhöhen sich auch die Anforderungen an die Genauigkeit in Forschung und Entwicklung – und somit an das Prüfequipment. Bei vielen Prüfanwendungen im Automotive-Bereich sind Drehmomentmessungen ein entscheidender Faktor. Ein besonders hoher Anspruch ist es, wenn während eines Messvorgangs unterschiedlich große Messbereiche abgedeckt werden müssen, etwa bei Motorentests. Ein Drehmomentsensor muss dann prüfbedingt sowohl hohe als auch geringe Drehmomente erfassen – bei gleichbleibend hoher Genauigkeit über den gesamten Messbereich. Die zentrale Herausforderung ist dabei, ein Gleichgewicht zwischen Messgenauigkeit und Fehlertoleranz zu erreichen.

Bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel Bremsentests, sind die auftretenden Drehmomentspitzen im Vergleich zu den durchschnittlich gemessenen Drehmomenten sehr hoch. Damit der Sensor bei Drehmomentspitzen nicht überlastet, beschädigt oder sogar zerstört wird, ist sein Nennmessbereich entsprechend zu dimensionieren. Die Drehmomentspitzen stellen zugleich das maximale Drehmoment in der Anwendung (peak torque) dar. Mit der Anpassung an das maximale Drehmoment ist ein Sensor aber möglicherweise für die Messung des restlichen, während des Tests auftretenden Drehmoments überdimensioniert. Ein Nachteil überdimensionierter Sensoren: Wichtige Datenblattangaben, die zur Fehlerbetrachtung herangezogen werden müssen, beziehen sich auf diesen Nennmessbereich und nicht auf das durchschnittlich gemessene Drehmoment.

Deshalb kann auch die entsprechende Fehlerbetrachtung ungünstig ausfallen, weil sich wichtige, im Datenblatt genannten Parameter, wie etwa der Temperaturgang TK0, Linearitätsabweichung und die Hysterese sowie Einflüsse durch parasitäre Lasten in der Regel auf den Nennmessbereich des Sensors beziehen.

Zwei Ansätze für Zweibereichs-Sensoren

Die ideale Lösung, um mehrere Messbereiche während eines Prüfvorgangs aufzunehmen, wäre die laufende Anpassung des Sensor-Messbereichs an das jeweilige maximale Drehmoment. Da dies technisch jedoch nicht praktikabel ist, haben sich verschiedene Varianten von Zweibereichs-Sensoren entwickelt, die jeweils einen großen und einen kleinen Messbereich abdecken können. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Zweibereichs-Sensor-Prinzipien: den Sensor mit zwei Federkörpern und den elektrischen Zweibereichs-Sensor mit nur einem durchgehenden Federkörper und zwei getrennten Messkanälen.

Mehrere Federkörper ermöglichen mehrere Messbereiche

Zweibereichs-Drehmomentsensoren messen in zwei unterschiedlich großen Drehmomentbereichen. Dafür haben sie zwei verschieden große Feder- beziehungsweise Messkörper mit unterschiedlichen Nennmessbereichen, die in Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sind. Jeder dieser Messkörper trägt eine speziell abgestimmte Dehnungsmessstreifen(DMS)-Brücke, die jeweils an einen Messverstärker angeschlossen ist. Damit lässt sich die Materialdehnung des Messkörpers bestimmen und davon das Drehmoment ableiten. Solche Drehmomentsensoren werden als „echte“ Zweibereichs-Sensoren bezeichnet. Die Variante mit in Reihe geschalteten Federkörpern hat den Nachteil, dass sie nur für statische oder quasi-statische Drehmomentmessungen geeignet ist.

Bei dynamischen Anwendungen würde der Überlastschutz des kleineren Federkörpers zu Signalüberlagerungen führen. Da der kleinere Federkörper auch die hohen Drehmomente des größeren Federkörpers mit aufnimmt, ist er mit einem mechanischen Überlastschutz ausgestattet, der bei zu hohen Drehmomenten die Verbindung trennt und an den größeren Sensor übergibt. Ohne diesen Überlastschutz besteht die Gefahr, dass der kleinere Körper beschädigt wird. Wenn dieser Überlastschutz greift, entsteht jedoch ein unsauberes Signal. Das kann in der späteren Auswertung der Messergebnisse zu ungenauen Interpretationen führen. Zudem ist bei dieser Anordnung der zweite, kleine Messbereich oft sehr „weich“ ausgeführt, um bei den kleinen Momenten noch einen hinreichend hohen Kennwert zu erzeugen. Dies führt dazu, dass dieser Messbereich sehr empfindlich auf parasitäre Belastungen wie etwa Axialkräfte reagiert, die auf das Drehmoment übersprechen und den Sensor im Extremfall sogar beschädigen oder zerstören können.

Bei einer weiteren Variante von „echten“ Zweibereichs-Sensoren sind die unterschiedlich großen Federkörper parallel geschaltet. Diese Bauart kommt ohne Überlastschutz aus und vermeidet damit zudem störende Signalüberlagerungen. Doch auch hier muss der kleinere Federkörper die großen Drehmomente mit aufnehmen. Dabei besteht die Gefahr, dass der kleinere Federkörper überlastet wird und sich plastisch verformt. Um das zu verhindern, wird der kleinere Federkörper so konstruiert, dass er das maximale Drehmoment des größeren Messkörpers mittragen kann. Das aber führt zu einem sehr geringen Kennwert der zweiten Dehnungsmessstreifen(DMS)-Brücke. Folge: Eine unzureichende Auflösung und zugleich hohe Ungenauigkeit auch bei Darstellung des Temperaturgangs.

Elektrischer Zweibereichs-Sensor simuliert kleinen Messbereich

Der Drehmoment-Sensor T12HP unterscheidet sich auch von den „unechten“ Zweibereichs-Sensoren, die nur einen Feder- beziehungsweise Messkörper haben und einen zweiten Federkörper elektrisch simulieren.

Bei diesem elektrischen Zweibereichs-Sensor ist ein weiterer Messverstärker an den Sensor angeschlossen, der auf den kleineren Messbereich eingestellt ist. Dieser zweite Messverstärker verstärkt das Ausgangssignal, meist um Faktor 5 oder 10. Damit steht ein zweites Nutzsignal zur Verfügung, das auch kleinere Drehmoment-Belastungen abbildet. Der Nachteil dieses Prinzips: Der zweite Messbereich erhöht die Genauigkeit nur scheinbar.

Die für die Messunsicherheit entscheidenden Parameter sind auf den Nennmessbereich bezogen, also auf das nicht verstärkte Nutzsignal. Da bei einem „unechten“ Zweibereichs-Sensor das zweite Signal nur elektrisch gespreizt wird, verstärken sich auch diese Einflussfaktoren, sofern keine zusätzlichen Werte für den zweiten Bereich explizit im Datenblatt angegeben sind, was die Messunsicherheit vergrößert. Wichtige Faktoren sind dabei:

  1. Signalrauschen
  2. Temperaturgang des Nullpunktes TK0
  3. Hysterese (Umkehrspanne)
  4. Parasitäre Belastungen

1. Signalrauschen

Jedes elektronische Signal hat ein Grundrauschen, das bei der Messung mit abgebildet wird. Beim Zweibereichs-Sensor hat das Signal für den kleineren Messbereich von Grund auf eine geringere Qualität, denn mit der Verstärkung nimmt dieses Signalrauschen ebenfalls zu. Beim Vergleich eines Nullsignalrauschens im großen (1:1) und im kleinen Messbereich (zum Beispiel 1:5) zeigt sich, dass die elektrische Verstärkung auch das Rauschen um etwa Faktor 5 verstärkt. Damit werden Toleranzen im Messsignal mitverstärkt, etwa solche die aufgrund von Temperatureinflüssen entstehen. Mit dem Drehmoment-Sensor T12HP ist das Signalrauschen gering, weil der zweite, kleinere Messbereich nicht mittels elektronischer Verstärkung erzeugt wird. Die hohe Grundgenauigkeit gepaart mit der hohen Auflösung des Sensors – der FlexRange-Funktionalität – deckt den gesamten Messbereich ab. Damit bleibt das Signalrauschen auch bei geringer Signalstärke im niedrigen Bereich.

2. Temperaturgang des Nullpunkt TK0

Temperatur hat einen Einfluss auf die Messgenauigkeit eines Senors. Wird bei einem elektrischen Zweibereichs-Sensor das Messsignal verstärkt, vergrößert sich auch der Temperaturgang des Nullpunkts TK0. Die DMS-Messbrücke ist auf den nominellen Messbereich mit dem Signalstärke-Faktor 1:1 eingestellt. Eine Signal-Spreizung mit Faktor 1:5 verstärkt auch die Genauigkeit um den Faktor 5, soweit nicht anders im Datenblatt angegeben. Ist der Temperaturgang des größeren Messbereichs auf 0,1 %/10K spezifiziert, ergibt sich für den zweiten kleineren Messbereich entsprechend ein Teilbereichsendwert von 0,5 %/10K. Auch hier ist darauf zu achten, ob im Datenblatt ein separater Wert für den Temperaturgang des zweiten Bereichs angegeben wird. Wenn nicht, dann bringt die Spreizung des Messsignals entsprechend keine Genauigkeitsverbesserung. Dank der FlexRange-Technologie von HBM kommt der T12HP mit nur einer Verstärkung über den gesamten Messbereich aus. Mit einem extrem geringen Wert von nur 0,005 %/10K wird auch im Teilbereich eine sehr hohe Genauigkeit erzielt.

3. Hysterese (Umkehrspannung)

Wird bei zuerst kontinuierlich zunehmendem Drehmoment und anschließend identischem, kontinuierlich abnehmendem Drehmoment die Kennlinie des Messsignals aufgenommen, stimmen die Ausgangssignale nicht exakt überein. Sie weichen jeweils von der Kennlinie ab. Die maximale Abweichung zwischen fallender und steigender Last wird als Hysterese oder auch Umkehrspanne bezeichnet. Sie hängt von den elastischen Eigenschaften des Federkörper-Materials und dem Design des Messkörpers ab.

Die Größe der Hysterese ist abhängig von der Spannung und der daraus folgenden Dehnung im Messkörper, also vom maximalen Drehmoment. Wird während einer Drehmoment-Messung, etwa eines Bremsentests mit offener und geschlossener Bremse, vom größeren auf den kleineren Messbereich umgeschaltet, bleibt die Hysterese wegen der hohen Vorlast beziehungsweise der Dehnung im Federkörper „gespeichert“. Allerdings verändert sich beim Messbereichswechsel die gemessene Abweichung von der Kennlinie – vom großen auf den kleinen Abstand.

Deshalb entsteht in der aufgezeichneten Messsignalkurve beim Wechsel eine Lücke, die Unstetigkeitsstelle oder auch der Nullpunktoffset. Dieser Fehler verstärkt sich analog zum Verstärkungsfaktor des Messsignals. So kann bei einem elektrischen Zweibereichs-Sensors die Umkehrspanne von 0,05 Prozent des nominalen Drehmoments im großen Messbereich (1:1) nach dem direkten Umschalten in den kleinen Messbereich (1:5) ein Offsetfehler von 0,25 Prozent des nominalen Drehmoments auftreten. Der Drehmoment-Aufnehmer T12HP deckt den kompletten Messbereich ab – und der Messbereichswechsel entfällt. Damit ermöglicht die FlexRange-Technologie ein durchgängiges Messsignal und verhindert die Unstetigkeitsstelle in der Anwendung und Genauigkeitsbetrachtung.

Eine Unstetigkeitsstelle entsteht immer dann, wenn sich zum Beispiel bei einem Zweibereichs-Sensor unterschiedliche Genauigkeitsstufen ergeben, die aber in deren Anwendung beziehungsweise Interpretation immer von der Vorbelastung und damit der Hysterese abhängen.

4. Parasitäre Belastungen

In der Praxis treten konstruktions- und montagebedingt bei nahezu allen Anwendungen im Antriebsstrang Achsversätze auf. Ursache dafür sind zum einen Toleranzen in der Maßhaltigkeit der verwendeten Bauteile, Ausrichtproblemstellungen und zum anderen äußere Einflüsse wie beispielsweise die Temperatur. Mit der Verwendung von Ausgleichkupplungen lässt sich verbleibender Versatz nahezu kompensieren. Doch das Übersprechen, das aufgrund parasitärer Lasten entsteht, kann ohne aufwendige zusätzliche messtechnische Maßnahmen nicht kompensiert werden. Durch die ausgefeilte Messkörpergeometrie und dank einer sehr hohen Genauigkeit und Qualität der DMS-Applikation beim T12HP ist dieser Einfluss auf ein Minimum reduziert. Die parasitären Belastungen sind Nullpunkt-bezogen und eine Spreizung des Messsignals bei einem elektrischen Zweibereichs-Sensor verstärkt den Einfluss der Belastungen um den Verstärkungsfaktor. Dabei erzeugen sie große Messfehler im kleinen Messbereich. Bei einem Einbereichs-Drehmoment-Sensor wie dem T12HP sind die parasitären Belastungen beherrschbar.

FlexRange-Funktionalität

Bei der Entwicklung der T12HP ist HBM an die physikalischen Grenzen der DMS-Technologie gegangen. Zusätzlich garantiert die Verwendung der HBM-Trägerfrequenztechnologie optimale Signalqualität. Die Folge ist ein Drehmoment-Messsystem mit einer extrem hohen Grundgenauigkeit und Stabilität sowie einer hohen effektiven Auflösung des Messwertes. Diese einzigartige Kombination macht es möglich, ausgewählte Messbereiche quasi wie mit einer Lupe mit ausreichend hoher Genauigkeit und Auflösung zu betrachten.

Mit dieser Philosophie wird die FlexRange-Funktionalität erst möglich, nämlich eine ausgezeichnete Genauigkeit, Stabilität und Auflösung bei jedem Messwert mit nur einem Messkörper und einem Signalpfad. Dies führt dazu, dass kein zweiter Messbereich notwendig ist um die Forderung nach hinreichender Genauigkeit und Auflösung auch im Teilbereich zu erfüllen.

Fazit

Bei Drehmomentmessungen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, verschieden große Drehmomente in zwei Messbereichen in einer Anwendung zu messen. Dabei treten bei den meisten Varianten bauformbedingte Genauigkeitsverluste speziell im kleineren Messbereich auf. Echte Zweibereichs-Sensoren mit mehreren Messkörpern sind aufgrund des notwendigen Überlastanschlages für dynamische Applikationen kaum geeignet. Da häufig der zweite Bereich empfindlich ausgelegt ist, um ein großes Nutzsignal zu erzeugen, sind die erlaubten Grenzlasten entsprechend gering und führen zu größerem Übersprechen auf das Drehmomentsignal mit vergleichsweise großem Fehleranteil.

Bei elektrischen Zweibereichs-Sensoren mit nur einem Messkörper verstärkt die Spreizung des Messsignals störende Eigenschaften wie Signalrauschen, Hysterese, Temperaturgang des Nullpunktes TK0 und parasitäre Belastungen. Sofern nichts anderes in den Datenblättern angegeben ist, erhöht sich dadurch die Messgenauigkeit des zweiten Bereiches nicht. Der Temperaturgang des Nullpunktes TK0 sowie das Signalrauschen vergrößern sich und beim Wechsel vom großen in den kleinen Messbereich kann eine Unstetigkeitsstelle entstehen. Zudem verstärkt das Prinzip des elektrischen Zweibereichs-Sensors anwendungsbedingte parasitäre Belastungen.

Bei dem digitalen Drehmoment-Sensor T12HP mit FlexRange-Funktionalität sind diese störenden Einflüsse minimiert. Der Aufnehmer verbindet die Filterungs- und Skalierungsflexibilität der digitalen Signalverarbeitung mit einer sehr hohen Grundgenauigkeit und Auflösung, besitzt also die Vorteile, die man sich von einem Zweibereichs-Sensor erwartet – ohne seine Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Dank des patentierten Messkörpers mit seiner enorm hohen Grundgenauigkeit und Auflösung in Verbindung mit der Trägerfrequenztechnologie lassen sich unter anderem für technische Angaben wie Linearität und Hysterese, Temperatureinfluss auf das Nullsignal TK0 garantierte Fehlergrenzen von lediglich 0,007 % beziehungsweise 0,005 %/10K realisieren. Der T12HP mit seiner Flex-Range-Funktionalität ist damit dem Zweibereichs-Sensor in vielen Belangen deutlich überlegen. Die Philosophie des T12HP, die physikalischen Grenzen der DMS-Technologie in vollem Umfang auszureizen und damit die Grundgenauigkeit des Sensors deutlich zu erhöhen, vereinfacht seinen Einsatz für den Anwender erheblich.

Deshalb benötigt der Messflansch T12HP von HBM im Teilbereich keinen zweiten Verstärker und hat bei sehr guten mechanischen Eigenschaften eine sehr hohe Genauigkeit über den gesamten Messbereich. Damit ist der Drehmoment-Aufnehmer T12HP für hochpräzise Wirkungsgradmessungen genauso gut geeignet wie für hochdynamische Drehmomentmessungen mit unterschiedlichen Messbereichen wie etwa befeuerten und geschleppten Motortests, Bremsenprüfungen mit aktivierten und gelösten Bremsen sowie Getriebe- und Reifentests.