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Sensorvorrichtung mit einem auf dem magnetoelastischen Effekt beruhenden Sensorelement und Kugelführung
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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, welches auf dem magnetoelastischen Effekt beruht. Außerdem betrifft die Erfindung eine Kugelführung, die einen Grundkörper mit Lagerflächen für eine Vielzahl von Lagerkugeln aufweist. Die Vielzahl von Lagerkugeln wird von diesen Lagerflächen gehalten.
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Sensorvorrichtungen, mit denen mechanische Spannungen zum Zweck einer Kraftmessung gemessen werden können, sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise lassen sich auf Bauteilen Dehnungsmessstreifen aufbringen, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit des im Bauteil vorliegenden Spannungszustandes verändern. Eine andere Möglichkeit liegt in der Nutzung des magnetoelastischen Effekts. Der magnetoelastische Effekt beruht auf der Änderung der magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials bei mechanischer Belastung. Als Materialien können zum Beispiel Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt zum Einsatz kommen. Die Größe des magnetoelastischen Effekts ist abhängig vom verwendeten Material. Beispielsweise ändern Zug- oder Druckspannungen im Material die magnetischen Eigenschaften.
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Ein magnetoelastischer Sensor beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Permeabilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Dieser Effekt wird daher auch als magnetoeleatischer Effekt bezeichnet. Da mechanische Spannungen durch Zug- und Druckkräfte sowie durch Torsion erzeugt werden, kann der magnetoelastische Effekt zur Kraft- und zur Drehmomentmessung herangezogen werden und ist daher vielseitig einsetzbar, wie beispielsweise in der
DE 10 2011 081 869 A1 beschrieben wird.
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Messköpfe zum Messen des magnetoelastischen Effekts umfassen eine Sende- oder Erregerspule, mit der in einer ferromagnetischen Schicht oder einem ferromagnetischen Bauteil ein Magnetfeld induziert wird. Dabei wird in der Schicht oder dem Bauteil ein Antwortsignal generiert, dessen magnetische Flussdichte von der Permeabilität der Schicht oder des Bauteils abhängt. Diese wird wiederum von den in der Schicht oder dem Bauteil herrschenden mechanischen Spannungen beeinflusst. Die magnetische Flussdichte des Antwortsignals bestimmt die Stärke der in der Empfangsspule induzierten Spannung. Aus der Stromstärke können dann die mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht oder dem Bauteil berechnet werden.
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Der magnetoelastische Effekt kann zum Beispiel auch zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente von Wellen zu erfassen. Die magnetoelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken. Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommt, ist aus
DE 10 2011 075 400 A1 bekannt. Zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen wird in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule angeordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, das auf einem magnetoelastischen Effekt beruht, anzugeben, mit dem die Überwachung von Kugelführungen möglich ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung eine Kugelführung anzugeben, die überwacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Sensorelement eine ferromagnetische Kugel in der Sensorvorrichtung gehalten ist, wobei in der Sensorvorrichtung zur drehbaren Lagerung der Kugel eine Gleitlagerung ausgebildet ist. In die Gleitlagerung ist mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule integriert, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung deren jeweilige Spulenmmittelachse zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Kugel ausgerichtet sein kann. Außerdem sind erfindungsgemäß die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule auf einem ferromagnetischen gemeinsamen Kernbauteil angeordnet, dessen Enden an die Kugel herangeführt sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung für die Sensorvorrichtung wird es vorteilhaft möglich, ein Sensorelement zur Verfügung zu stellen, welches in eine Kugelführung eingebaut werden kann. Das Sensorelement, das selbst eine Kugel ist, verhält sich vorteilhaft genauso wie eine Kugel der Kugelführung, so dass mit über dem kugelförmigen Sensorelement Aussagen über die Funktion der Kugelführung getroffen werden können, die sich aus den auf dem magnetoelastischen Effekt basierenden Messungen ergeben. Dabei ist die Sensorvorrichtung vorteilhaft sehr einfach aufgebaut. Diese besteht aus dem gemeinsamen Kernbauteil, mindestens einer Erregerspule und mindestens einer Empfängerspule sowie der Kugel als Sensorelement. Darüber hinaus ist zur Auswertung der Sensorsignale und zur Ansteuerung der Erregerspule eine elektronische Kontrolleinheit notwendig.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auch zu einem anderen Zweck verwendet werden, als zur Integration in eine Kugelführung. Mit der Sensorvorrichtung lassen sich beispielsweise Bewegungen eines Bauteils auf einer Unterlage sowie Lagerkräfte aufgrund eines durch das Bauteil ausgeübten Drucks auf die Unterlage ermitteln.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine Lagerschale aus einem nicht ferromagnetischen Material aufweist, in die das Kernbauteil zumindest mit seinen der Kugel zugewandten Enden eingebettet ist. Hierbei kann die Lagerschale die Aufgabe der Lagerung der Kugel übernehmen, während das Kernbauteil so nah an die Kugel herangeführt wird, dass mit der Kugel über das Kernbauteil ein magnetischer Kreis erzeugt wird. Dieser erlaubt die Auswertung des Sensorsignals unter Ausnutzung des magnetoelastischen Effekts. Das Kernbauteil kann auch so nah an die Kugel herangeführt werden, dass dieses die Oberfläche der Kugel berührt. In diesem Fall wird der Hauptteil der auftretenden Lagerkräfte jedoch durch die Lagerschale aufgenommen, die zu diesem Zweck eine größere Lagerfläche zur Verfügung stellt und durch Auswahl geeigneter Toleranzen auch einen höheren Anpressdruck der Kugel aufnimmt, als die Enden des Kernbauteils.
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Die Lagerschale sollte aus einem nicht ferromagnetischen Material bestehen, damit diese das Messergebnis nicht beeinflusst und der magnetische Kreis ausschließlich durch das Kernbauteil und die Kugel verläuft. Das Material der Lagerschale kann metallisch, keramisch oder beispielsweise auch aus Kunststoff sein. In die Lagerschale kann überdies eine Gleitschicht eingefügt sein. Diese Gleitschicht kann beispielsweise aus Teflon ausgebildet werden. Das Kernbauteil sowie die Kugel sind aus einem ferromagnetischen Material gefertigt. Als ferromagnetische Materialien können Eisen, Stahl, Kobalt oder Nickel zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Kernbauteil Enden ausgebildet sind, die als Lagerflächen für die Kugel ausgebildet sind. Diese Bauform hat den Vorteil, dass die Kugel mit der geringstmöglichen Reibung gehalten werden kann. Gleichzeitig können durch die Anpresskraft der Kugel an den Enden des Kernbauteils die zwischen der Kugel und dem Kernbauteil auftretenden Spalte so eng wie möglich gehalten werden. Daher wird der magnetische Fluss beim Übergang zwischen der Kugel und dem Kernbauteil vorteilhaft nur minimal gestört. Dies ist einem genauen Messergebnis zuträglich. Das Kernbauteil übernimmt bei dieser Ausgestaltung der Erfindung sowohl die Aufgabe der Erzeugung eines Messergebnisses als auch der mechanischen Lagerung der Kugel. Dies gilt zumindest dann, wenn die Kugel alleine durch die durch die Enden des Kernbauteils gebildeten Lagerflächen gelagert wird, also zusätzlich keine Gleitfläche durch eine Lagerschale zur Verfügung steht.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Lagerflächen mit einer Gleitschicht beschichtet sind. Diese Gleitschicht verbessert die Laufeigenschaften der Kugel in den durch die Enden des Kernbauteils gebildeten Lagerflächen. Die Gleitschicht muss hinreichend dünn ausgebildet sein, damit der magnetische Fluss die Gleitschicht überbrückt und möglichst wenig gestört wird. Dies gilt zumindest dann, wenn die Gleitschicht z. B. aus Teflon oder einem anderen nichtferromagnetischen Material gebildet ist. Vorteilhaft kann als Gleitschicht auch Nickel verwendet werden, welches hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Dies ermöglicht die Bildung des Kernbauteils beispielsweise aus kostengünstigem Eisen, während die Lagerflächen an den Enden des Kernbauteils mit Nickel beschichtet sind. Da Nickel selbst auch ein ferromagnetisches Material ist, wird durch dieses der magnetische Fluss nur wenig oder gar nicht beeinträchtigt.
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Für den Fall, dass alleine die Enden des Kernbauteils Lagerflächen bilden, ist es vorteilhaft, wenn genau drei Lagerflächen vorgesehen werden, also das Kernbauteil genau drei Enden hat. Diese Bauform ermöglicht eine eindeutige Positionierung der Kugel im Raum, wobei diese durch eine Haltekraft an die drei Stützstellen angedrückt werden muss. Dies kann beispielsweise durch Aufsetzen der Sensorvorrichtung auf eine Unterlage gewährleistet werden. Die Lagerung der Kugel in genau drei Lagerflächen hat den Vorteil, dass diese mit der geringstmöglichen Reibung gelagert werden kann.
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Allerdings kann auch vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Kernbauteil genau vier Lagerflächen aufweist. Hierbei ist eine feste Positionierung der Kugel im Raum möglich, ohne dass diese durch eine weitere Haltekraft fixiert werden muss. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine Sensorvorrichtung erzeugen, die für den mobilen Einsatz gedacht ist, d. h., dass die Sensorvorrichtung von einer Messstelle zur anderen Messstelle transferiert werden kann, ohne dass die Kugel aus der Sensorvorrichtung herausfällt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die vier Lagerflächen derart angeordnet sind, dass ihre Berührungsflächen mit der Kugel je einen Eckpunkt eines gedachten Tetraeders im Inneren der Kugel beinhalten. Durch diese Anordnung lässt sich vorteilhaft eine sehr ausgeglichene Lagerung der Kugel erzeugen, so dass die Lagerstellen möglichst gleichmäßig belastet werden.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kernbauteil genau eine Erregerspule und mehrere Empfängerspulen aufweist. Es ist vorteilhafterweise nur eine Erregerspule notwendig, um in dem Kernbauteil für jede der Empfängerspulen einen magnetischen Kreis zu erzeugen, wobei sich die magnetischen Kreise der verschiedenen Empfängerspulen in der Region des Kernbauteils treffen, die die Erregerspule trägt. Die Verwendung von mehreren Empfängerspulen hat den Vorteil, dass ein genaueres Messergebnis erzeugbar ist. Dies kann durch differentielle Berücksichtigung aller Messergebnisse der Empfängerspulen erreicht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spannungszustände in der Kugel ortsaufgelöst zu messen. Dies lässt Rückschlüsse auf die Belastungsart in der Kugel zu. Beispielsweise kann auf diese Weise die Richtung einer Druckkraft auf die Kugel bestimmt werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kugel vor dem Einsetzen in die Sensorvorrichtung zu kartieren. Hiermit ist gemeint, dass die magnetischen Muster, die die Kugel aufgrund der Verteilung der Elementarmagnete des ferromagnetischen Materials aufweist, aufgezeichnet werden. Dies lässt während der Messung bei Vorsehen mehrerer Empfängerspulen eine Erkennung der Muster zu, so dass die Drehbewegungen der Kugel quantitativ erfasst werden können. Auf diesem Weg lässt sich beispielsweise ein Lagesensor aufbauen, mit dem die Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen ermittelt werden kann.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch die eingangs angegebene Kugelführung gelöst. Hierfür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit mindestens einer der Lagerkugeln der Kugelführung eine Sensorvorrichtung gemäß der vorbeschriebenen Bauform ausgebildet wird. Mit dieser besonderen Kugel kann beispielsweise ermittelt werden, welcher mechanischen Beanspruchung die Kugelführung ausgesetzt ist. Kommt es zu einer Überbeanspruchung der Kugelführung, so kann dies ermittelt werden, bevor die Kugelführung aufgrund einer mechanischen Überlastung versagt. Hierdurch können insbesondere bei sicherheitsrelevanten Einrichtungen auftretende Schäden von vornherein vermieden werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung als schematischer Schnitt, bei der eine Lagerschale zum Einsatz kommt
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2 und 3 Seitenansichten von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei denen die Kugel an den Enden des Kernbauteils gelagert ist, als Seitenansichten und
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4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kugelführung im Schnitt.
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Eine Sensorvorrichtung 11 gemäß 1 weist eine Kugel 12 als Sensorelement auf, welche in einer Lagerschale 13 gehalten ist. Zur Verringerung der Reibungskräfte weist die Lagerschale 13 eine Gleitschicht 14 aus Teflon aus. Außerdem besitzt die Lagerschale 13 Öffnungen, in die ein Kernbauteil 15 eingeschoben ist. Dieses Kernbauteil weist zwei Enden 16 auf, welche direkt an die Kontur der Kugel 12 angepasst sind, so dass zwischen der Kugel 12 und den Kernbauteil 15 nur ein minimaler Spalt entsteht.
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In die Lagerschale 13 sind außerdem eine Erregerspule 17 und eine Empfängerspule 18 integriert, die jeweils das Kernbauteil 15 umgeben. Die Erregerspule 17 und die Empfängerspule 18 sind über Leitungen 19 an eine zentrale Kontrolleinheit 20 angeschlossen. Die Kontrolleinheit 20 versorgt die Erregerspule 17 mit Energie und kann eine induzierte Spannung der Empfängerspule 18 messen. Weiterhin können die Signale der Erregerspule (oder mehrerer Erregerspulen – nicht dargestellt) ausgewertet werden und das Messergebnis weiterhin in nicht dargestellter Weise ausgegeben werden.
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Wird mittels der Erregerspule 17 ein Magnetfeld im Spuleninneren erzeugt, bildet sich im Kernbauteil 15 ein magnetischer Kreis 21 aus, der über die Kugel 12 geschlossen wird. Wird eine Druckkraft P auf die Kugel, die auf einer Unterlage 22 ruht, verändert, so ändert sich in der Kugel aufgrund des magnetoelastischen Effekts auch der magnetische Fluss im magnetischen Kreis 21. Diese Änderung kann durch einen Strom an der Erregerspule 17 gemessen werden.
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Gemäß 2 ist eine andere Bauform der Sensorvorrichtung gezeigt. Das Kernbauteil 15 dient hierbei alleine zur Lagerung der Kugel 12 über Lagerflächen 23, die durch die Enden 16 des Kernbauteils 15 gebildet werden. Zur Verbesserung der Lagereigenschaften sind die Enden 16 jeweils mit einer Gleitschicht 24 ausgestattet. Insgesamt sind drei solcher Enden 16 zur Lagerung der Kugel 12 vorgesehen. Eines dieser Enden trägt eine Erregerspule 17 und die beiden anderen Enden tragen je eine Empfängerspule 18.
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Damit die Kugel 12 zuverlässig in dem Kernbauteil 15 gelagert sein kann, ist eine bleibende Druckkraft P erforderlich, welche in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 durch die Unterlage 22 gewährleistet ist. Das Kernbauteil 15 ist an einem Bauteil 25 befestigt, welches beispielsweise der Boden eines Gehäuses sein kann. Mit einer solchen Anordnung ließe sich beispielsweise die Gewichtskraft des Gehäuses ermitteln, da dieses Spannungen in der Kugel 22 aufgrund der Druckkraft P erzeugen wird.
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Gemäß 3 ist eine andere Bauform der Sensorvorrichtung dargestellt, die ebenfalls zur Lagerung der Kugel 12 lediglich das Kernbauteil 15 zur Verfügung stellt. Dieses hat vier Enden 16, die derart an der Kugel angeordnet sind, dass die Lagerpunkte auf den Ecken eines gedachten, im Innern der Kugel befindlichen Tetraeders 25 liegen. Die Sensorvorrichtung lagert die Kugel 12 zuverlässig in allen Raumrichtungen, so dass die Sensoreinheit eine unabhängige Baueinheit ergibt und die Kugel 12 verliersicher durch das Kernbauteil 15 gelagert ist. Die Baueinheit könnte als Standardbauteil ausgeführt sein, welches sich beliebig in eine Bohrung eines Bauteils einschieben ließe, deren Querschnitt durch eine strichpunktierte Linie 26 angedeutet ist.
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Gemäß 4 ist eine Kugelführung 27 im Schnitt dargestellt, die auf eine Welle 28 gesteckt ist. Diese weist im Inneren Lagerflächen 29 auf, in denen Lagerkugeln 30 gelagert sind. Außerdem ist eine Kugel 12 in einer gesonderten Lagerschale 13 vorgesehen, die dieselbe Größe und dieselben Eigenschafen aufweist wie die Lagerkugeln 30. Die Lagerschale 13 ist abseits von der Lagerfläche 29 ausgebildet, so dass dort in einem Einbauraum 31, der durch einen Deckel 32 verschlossen ist, ein nicht dargestelltes Kernbauteil montiert werden kann. Die in der Kugelführung realisierte Sensorvorrichtung lässt daher Rückschlüsse über den Belastungszustand der Kugelführung zu und kann entsprechend 1 ausgestaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011081869 A1 [0004]
- DE 102011075400 A1 [0006]
