DE102011007465A1

DE102011007465A1 - Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung

Info

Publication number: DE102011007465A1
Application number: DE102011007465A
Authority: DE
Inventors: Horst Brehm; Armin Gerner; Eduard Beresch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18
Also published as: US20140029879A1; WO2012139875A1; EP2697619A1

Abstract

Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (3) wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung (4) zur Erfassung einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes eines an der Antriebswelle (2) im Bereich der Lageranordnung (3) vorgesehen oder mit der Antriebswelle (2) drehmomentfest verbundenen magnetisierten Abschnitt (5) aufweist, welche Feldänderung ein Maß für das übertragene Drehmoment ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, Drehmomente einer rotierenden Antriebswelle mittels mechanisch verbundener Teile, beispielsweise einem Hebel und ein Gestänge, zu erfassen. Auch die Erfassung des Drehmoments über einen Hydraulikdruck wird in der Praxis angewandt.
Die bekannten hierzu geeigneten Kombinationen aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung beziehungsweise Vorrichtungen eignen sich jedoch nur bedingt zur Erfassung eines Drehmoments, da die Messung über einen Hebel und ein Gestänge bei einer Drehmomentmessung Verschleiß verursacht und dem zufolge Wartungskosten als auch Wartungszeiten vermehrt in Anspruch genommen werden müssen. Ein weiterer Nachteil bei bekannten hierzu geeigneten Kombinationen aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung beziehungsweise Vorrichtungen ist eine Messung des Drehmoments über einen Hydraulikdruck, wobei die Ausgestaltungsform eine aufwendige Ansteuerung zufolge hat.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine insbesondere hinsichtlich einer Drehmomentmessung verbesserte Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung zur Erfassung des Drehmoments einer Antriebswelle anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lageranordnung wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes eines an der Antriebswelle im Bereich der Lageranordnung vorgesehenen oder mit der Antriebswelle drehmomentfest verbundenen magnetisierten Abschnitt aufweist, wobei die erfasste Feldänderung ein Maß für das übertragene Drehmoment ist.
Somit ist bei der erfindungsgemäßen Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung vorteilhafterweise keine Messung über einen Hebel und ein Gestänge notwendig, ebenso ist keine aufwendige Ansteuerung des Hydraulikdrucks erforderlich, da die Messung berührungsfrei erfolgt. Die Lageranordnung umfasst wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung zur Erfassung einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes eines an der Antriebswelle im Bereich der Lageranordnung vorgesehenen oder mit der Antriebswelle drehmomentfest verbundenen magnetisierten Abschnitt. Die Magnetfeldänderung der Welle ist einfach zu erfassen und direkt proportional zur mechanischen Belastung. Somit kann das Drehmoment berührungslos und verschleißfrei ermittelt werden. Auch sind solche Sensoreinrichtungen gegenüber vielen anwendungstypischen Einflüssen unempfindlich, wie beispielsweise hohe Temperaturen, aggressive Flüssigkeiten, Vibrationen oder mechanischen Erschütterungen und den meisten Arten von Staubpartikeln oder Schmutzpartikeln. Bei herkömmlichen Sensoreinrichtungen können zu hohe Temperaturen hingegen zu einer Entmagnetisierung führen, ebenso sind normalerweise zu starke Vibrationen, Schläge und sonstige mechanische Erschütterungen nachteilig. Des Weiteren ermöglicht die Sensoreinrichtung eine Drehmomenterfassung ohne Verfälschung des erfassten Drehmoments, beispielsweise hervorgerufen durch eine Hanglage eines Geländes oder eine Schrägstellung der Kombination, da durch die Hanglage bzw. die Schrägstellung zusätzlich eine Hangabtriebskraft auf die Kombination wirkt, wodurch diese schräg belastet wird. Jedoch hat dies keinen Einfluss auf die Drehmomenterfassung, da diese berührungslos und nicht wie dem Stand der Technik zu entnehmen ist, eine Messung über einem Hebel und ein Gestänge, erfolgt.
Verwendet werden kann jede Sensoreinrichtung, solange sie eine berührungsfreie Drehmomentmessung ermöglicht. Die Sensoreinrichtung, insbesondere die Sensoren, können aktiv oder passiv ausgebildet sein. Vorzugsweise sind passive Spulen zu verwenden, da diese sehr robust und kostengünstig zu fertigen sind und in Anwendungen mit hohen Betriebstemperaturen arbeiten können. Passive Sensoren sind Sensoren, die nur passive Elemente, beispielsweise Spulen, Widerstände oder Kondensatoren enthalten, und ohne eine permanente anliegende Stromversorgung betrieben werden. Aktive Sensoren hingegen sind Messfühler, die intern verstärkende oder signalformende Bauelemente, beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Optokoppler oder Relais enthalten und mit einer Stromversorgung betrieben werden.
Die Sensoreinrichtung kann an einem die Arbeitswelle lagernden Lager angeordnet sein, wobei selbstverständlich die Sensoreinrichtung an einem anderen nicht drehenden Bauteil angeordnet werden kann, solange der magnetisierte Abschnitt der Antriebswelle erfassbar bleibt.
Ein Außenring des als Radiallager ausgeführten Lagers kann axial verlängert werden, wobei die Sensoreinrichtung hier innenseitig am Außenring angeordnet ist. Somit kann eine zusätzliche Baueinheit vermieden werden. Idealerweise wird die Sensoreinrichtung im Lager integriert und kann folglich als eine Einheit verbaut werden, wodurch keine zusätzlichen und hohen Kosten entstehen.
Zweckmäßig ist eine umlaufende Nut am Außenring innenseitig eingebracht, in der die ringförmige Sensoreinrichtung angeordnet werden kann. Somit kann ein zusätzlicher radialer Bauraum vermieden werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Sensoreinrichtung mittels einem an der Lageranordnung, insbesondere am Außenring angeordneten, zur Antriebswelle hin abdichtenden Dichtelement, insbesondere einem Dichtring, einzufassen. Dies kann in Fällen notwendig sein, bei denen die Kombination nassen beziehungsweise feuchten klimatischen Arbeitsbedingungen ausgesetzt wird. Insofern kann ein Ausfallen der Elektronik, insbesondere der Sensoreinrichtung, vermieden werden.
Die Breite des magnetisierten Abschnitts kann im Wesentlichen der Breite der Sensoreinrichtung entsprechen. Selbstverständlich kann die Breite des magnetisierten Abschnitts beziehungsweise die Breite der Sensoreinrichtung variieren, solange eine ausreichende Überdeckung gegeben bzw. Erfassung der Magnetfeldänderung möglich ist.
Der magnetische Abschnitt kann an der Antriebswelle selbst vorgesehen oder ausgebildet sein. Alternativ kann der magnetisierte Abschnitt am drehmomentfest mit der Antriebswelle verbundenen Innenring des Lagers vorgesehen oder ausgebildet werden. Eine drehmomentfeste Verbindung kann beispielsweise durch Arbeitsverfahren wie Kleben, Schweißen, Löten oder Übermaßpassung ermöglicht werden. Selbstverständlich können weitere Arbeitsverfahren angewandt werden, die eine drehmomentfeste Verbindung ermöglichen.
Ferner betrifft die Erfindung ein landwirtschaftliches Arbeitsgerät, insbesondere landwirtschaftliches Fahrzeug, z. B. eine selbstfahrende Erntemaschine wie Mähdrescher, Feldhäcksler, Zuckerrübenvollernter, Kartoffelvollernter, umfassend wenigstens eine Kombination aus Arbeitswelle und Lageranordnung der beschriebenen Art, wobei anhand der von der Sensoreinrichtung ermittelte Magnetfeldänderungsinformationen in einer Steuerungseinrichtung wenigstens ein Betriebsparameter, der dem nachfolgenden Betrieb des Arbeitsgeräts zugrunde gelegt wird, ermittelbar ist. Unter Arbeitsgeräten können beispielsweise Maschinen oder Fahrzeuge umfassend eine Zapfwelle, ein Getriebe, ein Einzug, eine Trommel, ein Häcksler oder ein Schneidwerk verstanden werden. Mit Hilfe der ermittelten Magnetfeldänderungsinformationen können Betriebsparameter ermittelt beziehungsweise eingestellt werden. Die Erfindung kann allgemein bei Zugmaschinen wie Ballenpressen (Rund- und Quaderpressen), Erntewägen, Ladewägen, Heuwendern, Kreiselmähwerken, Schneidwerken eingesetzt werden.
Beispielsweise ist anhand des ermittelten Drehmoments an der Antriebswelle ein Rückschluss auf die Fördermenge eines Fördergutes möglich. Eine Rückmeldung an die Steuerung und/oder an den Fahrer kann somit eine optimale Fahrgeschwindigkeit einer Erntemaschine oder einer Zugmaschine gewährleisten, womit eine hohe Ausnutzung von Arbeitsgeräten beziehungsweise landwirtschaftlichen Fahrzeugen ermöglicht wird, ohne eine Überlast mit damit verbundenen Schäden, beispielsweise die Zerstörung von Geräten, Einheiten oder Lagern zu riskieren. Insofern kann eine längere Lebensdauer der Arbeitsgeräte ermöglicht werden.
Weiterhin kann die Drehmomenterfassung auch Verstopfungen der Arbeitsgeräte verhindern, indem die Fahrgeschwindigkeit reduziert wird. Ein sogenannter Reversierbetrieb, also ein Betriebsmodus welcher rückwärts abläuft, kann somit vermieden werden.
Zudem kann die Steuereinrichtung mit dem ermittelten Drehmoment eine optimale Ausbringung eines Streuguts, beispielsweise von einem Düngestreuer, einem Miststreuer, einem Kalkstreuer, einem Salzstreuer oder einem Sandstreuer (Winterdienst), berechnen und dies durch Veränderungen der Drehzahl einer Schleuderscheibe am Streuer umsetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kombination einer ersten Ausführungsform; und
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kombination einer zweiten Ausführungsform; und
3 eine Prinzipdarstellung einem erfindungsgemäßen landwirtschaftlichen Arbeitsgerät, insbesondere einem landwirtschaftlichen Fahrzeug einer ersten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt als Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Kombination 1, umfassend eine Antriebswelle 2 und eine die Antriebswelle 2 lagernde Lageranordnung 3, wobei die Antriebswelle 2 um eine horizontale Achse drehbar ist. Dies wird durch den Drehpfeil D angedeutet. Zweckmäßig ist in die Lageranordnung 3 eine umlaufende Nut am nicht drehenden Außenring 9 innenseitig eingebracht, in der eine ringförmige Sensoreinrichtung 4 angeordnet ist. Somit wird ermöglicht, dass ein zusätzlicher radialer Bauraum vermieden wird.
Die Sensoreinrichtung 4, hier beispielsweise ausgebildet mit Spulen, dient zur Erfassung einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes eines an der Antriebswelle 2 im Bereich der Lageranordnung 3 vorgesehenen magnetisierten Abschnitts 5, welche Feldänderung ein Maß für das übertragende Drehmoment ist. In dem magnetisierten Abschnitt 5 der ferromagnetischen Antriebswelle 2 befinden sich Weißsche Bezirke bzw. Domänen, in denen Elektronenspins, welche die Elementarmagnete der Materie bilden, parallel ausgerichtet sind. Kommt es nun zu einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes an der Antriebswelle 2, ändern sich die Weißsche Bezirke bzw. die Domänen in dem magnetisierten Abschnitt 5, wodurch es zu einer Magnetfeldänderung kommt. Diese Magnetfeldänderung der Welle ist über die Sensoreinrichtung 4 leicht zu erfassen und ist direkt proportional zur mechanischen Torsionsbelastung, womit das Drehmoment verschleißfrei und berührungslos ermittelt wird. Eine lokale Magnetisierung des Abschnitts 5 kann beispielsweise durch ein Magnetisierungsgerät mit einem Dauermagneten bzw. einem Permanentmagneten erreicht werden.
Die Sensoreinrichtung 4 ist über einen Kabelabgang 6 mit einer nachgeschalteten Steuerungseinrichtung 7 verbunden, die die empfangenen Signale beispielsweise dahingehend verarbeitet, um die optimale Fahrgeschwindigkeit zu ermitteln und die Fahrgeschwindigkeit zu reduzieren bzw. zu erhöhen oder um die Ausnutzung/Belastung der Maschine zu ermitteln. Eine Rückmeldung dieser Information bzw. Informationen kann beispielsweise über ein visuelles Anzeigegerät, z. B. ein Display erfolgen.
Im gezeigten Beispiel ist vor der Sensoreinrichtung 4 ein Dichtelement 11, vorzugsweise ein Dichtring 11a, angeordnet, um die Sensoreinrichtung 4 gegenüber der Antriebwelle 2 abzudichten und einen Ausfall der Elektronik und somit einen Ausfall der Sensoreinrichtung zu verhindern. Die Folge eines Ausfalls der Sensoreinrichtung wäre demnach, dass die Drehmomenterfassung nicht ermittelbar ist und somit beispielsweise eine optimale Ausbringung des Streuguts nicht ermittelbar ist.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kombination 1, wobei soweit möglich für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. 2 zeigt als Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Kombination 1 entsprechend 1, allerdings erfasst die Sensoreinrichtung 4 die torsionsbedingte Änderung eines Magnetfeldes eines magnetisierten Abschnitts 5 am drehmomentfest mit der Antriebswelle 2 verbundenen Innenring des Lagers 8, wobei die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie in 1 gelten. Infolge dessen ist die Magnetfeldänderung auch hier ein Maß für das übertragende Drehmoment. Eine drehmomentfeste Verbindung kann beispielsweise durch Arbeitsverfahren wie Kleben, Schweißen, Löten oder Übermaßpassung erreicht werden. Der Abschnitt 5 kann am Innenring selbst ausgebildet werden, oder als separates Ringbauteil am Innenring befestigt werden.
Die 3 zeigt als Prinzipdarstellung ein erfindungsgemäßes landwirtschaftliches Arbeitsgerät, insbesondere ein landwirtschaftliches Fahrzeug, hier exemplarisch einen Traktor 13, wobei der Traktor 13 an der Frontseite 14 ein Arbeitsgerät 15 aufweist, beispielsweise einen Nebenabtrieb bzw. eine Zapfwelle 16, an der die nicht näher gezeigte erfindungsgemäße Kombination 1 in dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Die erfassten Drehmoment-Signale werden von der Sensoreinrichtung 4 an die Steuerungseinrichtung 7 weitergeleitet, wonach weitere Schritte eingeleitet werden. Zu nennen wäre eine Berechnung zur optimalen Ausbringung eines Streuguts, beispielsweise von einem Düngestreuer, einem Miststreuer oder einem Kalkstreuer. Das Ergebnis führt beispielsweise zu einer Veränderung der Drehzahl einer Schleuderscheibe am Streuer, sodass eine optimale Ausbringung eines Streuguts gewährleistet wird.
Bezugszeichenliste

1: Kombination
2: Antriebswelle
3: Lageranordnung
4: Sensoreinrichtung
5: magnetischer Abschnitt
5a: magnetischer Teil des Lagerinnenrings
6: Kabelabgang
7: Steuereinrichtung
8: Lagerinnenring
9: Lageraußenring
10: Nut
11: Dichtelement
11a: Dichtring
12: Gehäuse
13: Traktor
14: Frontseite
15: Arbeitsgerät
16: Nebenabtrieb/Zapfwelle

Claims

Kombination aus einer ein Drehmoment übertragenden Antriebswelle und einer die Antriebswelle lagernden Lageranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (3) wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung (4) zur Erfassung einer torsionsbedingten Änderung eines Magnetfeldes eines an der Antriebswelle (2) im Bereich der Lageranordnung (3) vorgesehen oder mit der Antriebswelle (2) drehmomentfest verbundenen magnetisierten Abschnitt (5) aufweist, welche Feldänderung ein Maß für das übertragene Drehmoment ist.
Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (4) an einem die Arbeitswelle (2) lagernden Lager angeordnet ist.
Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenring (9) des als Radiallager ausgeführten Lagers axial verlängert ist, wobei die Sensoreinrichtung (4) am Außenring (9) innenseitig angeordnet ist.
Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (9) eine umlaufende Nut (10) vorgesehen ist, in der die ringförmige Sensoreinrichtung (4) angeordnet ist.
Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (4) mittels einem an der Lageranordnung (3), insbesondere am Außenring (9) angeordneten, zur Antriebswelle (2) hin abdichtenden Dichtelements (11), insbesondere eines Dichtrings (11a), eingefasst ist.
Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – axial gesehen – die Breite des magnetisierten Abschnitts (5) im Wesentlichen der Breite der Sensoreinrichtung (4) entspricht.
Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Abschnitt (5) an der Antriebswelle (2) selbst vorgesehen oder ausgebildet ist, oder dass der magnetisierte Abschnitt (5) am drehmomentfest mit der Antriebswelle (2) verbundenen Innenring (8) des Lagers vorgesehen oder ausgebildet ist.
Landwirtschaftliches Arbeitsgerät, insbesondere landwirtschaftliches Fahrzeug, z. B. eine selbstfahrende Erntemaschine wie Mähdrescher, Feldhäcksler, Zuckerrübenvollernter, Kartoffelvollernter, umfassend wenigstens eine Kombination aus Arbeitswelle (2) und Lageranordnung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anhand der von der Sensoreinrichtung (4) ermittelte Magnetfeldänderungsinformationen in einer Steuerungseinrichtung (7) wenigstens ein Betriebsparameter, der dem nachfolgenden Betrieb des Arbeitsgeräts zugrunde gelegt wird, ermittelbar ist.