DE102014214249B3

DE102014214249B3 - Maschinenelement und Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Momentes sowie Verfahren zur Herstellung des Maschinenelementes

Info

Publication number: DE102014214249B3
Application number: DE102014214249.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Matysik
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: GB2536982A; CN105300571B; GB201512632D0; US9587996B2; US20160025579A1; FR3024233A1; GB2536982B; GB2536982A9; CN105300571A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Maschinenelement, welches zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes sowie zur Messung der zu übertragenden Kraft bzw. des zu übertragenden Momentes ausgebildet ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, welche das erfindungsgemäße Maschinenelement umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Maschinenelementes. Das erfindungsgemäße Maschinenelement weist einen Primärsensor zur Messung der zu übertragenden Kraft oder des zu übertragenden Momentes auf, welcher eine Permanentmagnetisierung besitzt. Durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment wird ein außerhalb des Maschinenelementes auftretendes messbares Magnetfeld bewirkt. Die Permanentmagnetisierung erstreckt sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (02). Die Permanentmagnetisierung ist in einer oberflächlichen Schicht (01) des Maschinenelementes ausgebildet, welche eine größere magnetische Permeabilität zumindest als unter der oberflächlichen Schicht (01) befindliche Abschnitte des Maschinenelementes aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Maschinenelement, welches zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes sowie zur Messung der zu übertragenden Kraft bzw. des zu übertragenden Momentes ausgebildet ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, welche das erfindungsgemäße Maschinenelement umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Maschinenelementes.
Die US 5,321,985 A lehrt einen magnetostriktiven Drehmomentsensor, bei welchem eine magnetostriktive Schicht auf die äußere Oberfläche einer Welle aufgebracht ist und gegenüber von Anregungs- und Detektionsspulen positioniert ist. Die magnetostriktive Schicht ist durch die Anregungsspulen mit einem Magnetfeld beaufschlagbar, wobei das aus der magnetostriktiven Schicht austretende magnetische Feld mit den Detektionsspulen messbar ist. Ein auf die Welle wirkendes Drehmoment verursacht eine Materialspannung in der magnetostriktiven Schicht, wodurch sich die relative magnetische Permeabilität der magnetostriktiven Schicht richtungsabhängig ändert.
Die US 2007/0022809 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung von Drehmomenten, bei welcher eine Schicht aus einem magnetostriktiven Material in einer Welle ausgebildet ist. Diese Schicht umfasst eine Aluminiumdiffusionsschicht.
Die DE 39 40 220 A1 lehrt einen Belastungssensor zur Messung von Belastungen infolge eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Auf die Welle sind magnetostriktive Elemente in zwei Gruppen in einem Zick-Zack-Muster aufgebracht. Mithilfe von Abtastspulen wird ein Magnetfluss durch die magnetostriktiven Elemente bewirkt.
Aus der US 5,052,232 A ist ein magnetoelastischer Übertrager bekannt, bei welchem ein Maschinenelement mit zwei umlaufenden magnetostriktiven Beschichtungen versehen ist. Die Beschichtungen weisen entgegengesetzte helixartige Magnetisierungen auf.
Aus der DE 698 38 904 T2 ist ein Drehmomentsensor mit kreisförmiger Magnetisierung bekannt. Die Magnetisierung ist in einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material einer Welle ausgebildet und erstreckt sich kreisförmig um die Welle.
Die US 7,752,923 B2 zeigt einen magnetostriktiven Drehmomentsensor, bei welchem auf eine Welle eine magnetisch isolierende Schicht und darauf eine magnetostriktive Schicht aufgebracht sind. Die magnetisch isolierende und elektrisch leitende Schicht werden als ein Hohlzylinder ausgebildet und auf das dem Drehmoment ausgesetzte Element aufgepresst.
Die EP 0 162 957 A1 lehrt ein Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung an einer Welle unter Ausnutzung von magnetostriktiven Eigenschaften eines auf der Welle angeordneten Magnetmaterials. Zwischen der Welle und dem Magnetmaterial befindet sich eine unmagnetische Trägerhülse, welche kraftschlüssig auf die Welle aufgebracht wird.
Die DE 602 00 499 T2 zeigt einen Stellungsfühler mit einer magnetischen Struktur aus zwei ferromagnetischen Kränzen.
Die DE 691 32 101 T2 zeigt einen magnetischen Bildsensor mit einem Draht, der eine Magnetisierung in Umfangsrichtung aufweist.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt.
Die WO 2007/048143 A2 lehrt einen Sensor mit einem magnetisierten Schaft.
Die WO 01/27638 A1 zeigt einen Schwingungssensor mit einem Schaft, der umfänglich oder longitudinal magnetisiert ist.
Aus der WO 2006/053244 A2 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der eine Magnetisierung am einem rotierenden Schaft umfasst. Die Magnetisierung ist umfänglich ausgebildet.
Die US 8,191,431 B2 zeigt eine Sensoranordnung mit einem magnetisierten Schaft.
Aus der DE 600 08 543 T2 ist ein Wandlerelement bekannt, welches für eine Verwendung in einem Drehmoment- oder Kraftsensor vorgesehen ist. Das Wandlerelement liegt einstückig in einer Welle aus magnetisierbarem Material vor und weist eine in einer axialen Richtung ausgerichtete Magnetisierung auf.
Aus der JP 59-192930 A ist bekannt, das an einer rotierenden Welle angreifende Drehmoment mittels eines Magnetfeldsensors zu bestimmen, wobei auf die Oberfläche der Welle eine anisotropische magnetische Schicht aufgebracht ist. Die Schicht ist nicht selbst permanentmagnetisiert, sondern durch einen Permanentmagneten in einer Richtung magnetisiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die für die Messung von Kräften und/oder Momenten gemäß dem invers-magnetostriktiven Effekt notwendige Magnetisierung hinsichtlich Stabilität und Lebensdauer zu verbessern. Insbesondere soll eine Stabilität gegen Temperatureinfluss, Ummagnetisierung und mechanische Einflüsse, wie Schläge oder Erschütterungen verbessert werden. Als Maß für die Stabilität ist insbesondere der Betrag der Remanenzflussdichte zu sehen, welcher sich über die Lebensdauer allenfalls nur geringfügig verändern soll.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 7.
Das erfindungsgemäße Maschinenelement dient zum einem der Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes innerhalb einer Maschine. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt.
Das Maschinenelement erstreckt sich bevorzugt in einer Achse, welche bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes darstellt.
Das erfindungsgemäße Maschinenelement ermöglicht zum anderen die Messung der zu übertragenden Kraft bzw. des zu übertragenden Momentes. Hierfür weist es einen Primärsensor zur Messung der zu übertragenden Kraft bzw. des zu übertragenden Momentes auf, welcher eine Permanentmagnetisierung besitzt. Durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment wird wegen des invers-magnetostriktiven Effektes ein außerhalb des Maschinenelementes auftretendes messbares Magnetfeld bewirkt, welches insbesondere mit einem durch einen Magnetfeldsensor gebildeten Sekundärsensor messbar ist. Der Primärsensor, d. h. die Permanentmagnetisierung dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung des Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht.
Die Permanentmagnetisierung erstreckt sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades, sodass der Magnetisierungspfad endlos ist. Der Magnetisierungspfad verläuft im Material des Maschinenelementes. In einem Bereich um den Magnetisierungspfad ist das Material des Maschinenelementes permanentmagnetisiert. Außerhalb dieses Bereiches ist das Maschinenelement bevorzugt nicht magnetisiert. Der Magnetisierungspfad weist bevorzugt zumindest abschnittsweise eine auf die Achse des Maschinenelementes bezogene tangentiale Komponente auf. Die Permanentmagnetisierung entlang des Magnetisierungspfades ist bevorzugt in das Maschinenelement remanent eingebracht bzw. eingeprägt bzw. einkodiert.
Erfindungsgemäß ist die Permanentmagnetisierung in einer oberflächlichen Schicht des Maschinenelementes ausgebildet, welche insbesondere in einem von der Kraft bzw. von dem Moment unbelasteten Zustand eine größere magnetische Permeabilität zumindest als unter der oberflächlichen Schicht befindliche Abschnitte des Maschinenelementes aufweist. Bevorzugt weist die oberflächliche Schicht eine größere magnetische Permeabilität als sämtliche unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Die oberflächliche Schicht ist bevorzugt nur in Teilbereichen der Oberfläche des Maschinenelementes ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die oberflächliche Schicht nur im Bereich der Permanentmagnetisierung ausgebildet. Bevorzugt ist die Permanentmagnetisierung ausschließlich innerhalb der oberflächlichen Schicht ausgebildet. Die oberflächliche Schicht kann auf einem Maschinenelementgrundkörper angeordnet sein.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Maschinenelementes besteht darin, dass die oberflächliche Schicht mit dem dort befindlichen geschlossenen Magnetisierungspfad eine stabile Permanentmagnetisierung gewährleistet.
Die oberflächliche Schicht besteht bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material, sodass eine Messung der auftretenden Kraft bzw. des auftretenden Momentes gemäß dem invers-magnetostriktiven Effekt erfolgen kann.
Eine besondere Eigenschaft der Permanentmagnetisierung entlang des geschlossenen Magnetisierungspfades besteht darin, dass sie im unbelasteten Zustand nicht zu einem von außen feststellbaren Magnetfeld führt. Daher ist die Permanentmagnetisierung in einem durch die Kraft und/oder durch das Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes außerhalb des Maschinenelementes bevorzugt magnetisch neutral. Grundsätzlich könnte aber ein geringfügiges oder vernachlässigbar kleines Magnetfeld messbar sein.
Die Permanentmagnetisierung ist bevorzugt durch einen magnetisierten dreidimensionalen Teilbereich des Volumens des Maschinenelementes gebildet, der die Form eines geschlossenen Seiles aufweist, wobei der Magnetisierungspfad eine mittlere Achse des Seiles darstellt. Das in der oberflächlichen Schicht befindliche Seil weist bevorzugt einen kreisförmigen oder einen viereckigen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann auch abgeflacht sein, beispielsweise in Form einer abgeflachten Superellipse oder eines flachen Rechteckes. Bevorzugt ist der Querschnitt des Seiles entlang der Erstreckung des Seiles unveränderlich. Allerdings kann der Querschnitt des Seiles entlang der Erstreckung des Seiles auch veränderlich sein.
Der Magnetisierungspfad ist bevorzugt durch eine im Raum geschlossene dreidimensionale Kurve gebildet. Diese Kurve verläuft in der oberflächlichen Schicht des Maschinenelementes, insbesondere durch das Material der oberflächlichen Schicht des Maschinenelementes. Die Kurve kann grundsätzlich beliebig verlaufen, insbesondere kann die Kurve auch unregelmäßig verlaufen.
Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve ist bevorzugt achsensymmetrisch. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve weist somit bevorzugt mindestens eine Symmetrieachse auf.
Die oberflächliche Schicht kann auch in einem Hohlraum des Maschinenelementes ausgebildet sein. Auch kann die oberflächliche Schicht unterschiedliche Schichtstärken aufweisen. Der Magnetisierungspfad kann in unterschiedlichen Tiefen der oberflächlichen Schicht verlaufen, beispielsweise auch durch Aussparungen hindurch.
Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve kann sich auch umfänglich um eine Ausnehmung im Maschinenelement erstrecken. Bei der Ausnehmung kann es sich beispielsweise um eine Bohrung handeln, die radial im Maschinenelement angeordnet ist.
Bevorzugt ändert sich die Ausrichtung der Permanentmagnetisierung gegenüber der Achse entlang des Magnetisierungspfades. Somit ändert sich auch die Ausrichtung des Magnetisierungspfades entlang seiner Erstreckung in Bezug auf die Achse. Es sind also Abschnitte des Magnetisierungspfades vorhanden, die in Bezug auf die Achse unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes erstreckt sich der Magnetisierungspfad mit einem Mittelpunktswinkel von mindestens 360° über den Umfang des Maschinenelementes. Folglich erstreckt sich der Magnetisierungspfad um mehr als eine Umdrehung um das Maschinenelement. Der Scheitel des Mittelpunktswinkels liegt in der Achse des Maschinenelementes.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich der Magnetisierungspfad mit einem Mittelpunktswinkel weniger als 360° über den Umfang des Maschinenelementes, sodass der Magnetisierungspfad um weniger als eine Umdrehung um das Maschinenelement reicht.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes schließt sich der Magnetisierungspfad um die Achse, sodass die Achse durch das Innere des geschlossenen Magnetisierungspfades hindurch verläuft. Bei dieser ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen schließt sich der Magnetisierungspfad um den Umfang des Maschinenelementes.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Magnetisierungspfad bevorzugt durch eine geschlossene Zick-Zack-Linie oder durch eine geschlossene Wellenlinie gebildet, die sich um den Umfang des Maschinenelementes herum erstreckt und schließt.
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes ist der Magnetisierungspfad eine durch eine geschlossene Kurve gebildet, welche auf die oberflächliche Schicht projiziert ist, sodass sich der Magnetisierungspfad innerhalb der oberflächlichen Schicht ohne Einschluss der Achse schließt. Bei dieser zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen verläuft die Achse nicht durch das Innere des geschlossenen Magnetisierungspfades hindurch, wenngleich sich der Magnetisierungspfad über einen Mittelpunktswinkel von mehr als 360° um die Achse herum erstrecken kann.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist der Magnetisierungspfad bevorzugt durch einen Kreis, durch eine Ellipse, durch eine Superellipse, durch ein Quadrat, durch ein Trapez, durch ein Rechteck, durch ein Dreieck oder durch ein Parallelogramm gebildet. Der Kreis, die Ellipse, die Superellipse, das Quadrat, das Trapez, das Rechteck, das Dreieck bzw. das Parallelogramm ist auf die oberflächliche Schicht projiziert.
Die Seiten des Parallelogramms, des Quadrates, des Trapezes bzw. des Dreieckes bzw. die Achsen der Ellipse bzw. der Superellipse können parallel oder senkrecht gegenüber der Achse oder aber bevorzugt auch gegenüber der Achse des Maschinenelementes geneigt sein. Es sind unterschiedliche Neigungswinkel realisierbar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes sind mehrere der Permanentmagnetisierungen ausgebildet. Die mehreren Permanentmagnetisierungen entlang des jeweiligen Magnetisierungspfades sind bevorzugt gleich oder gespiegelt zueinander ausgebildet. Auch sind die mehreren Permanentmagnetisierungen bevorzugt in gleicher Weise gegenüber der Achse ausgerichtet. Die mehreren Permanentmagnetisierungen können zueinander beabstandet oder aneinander angrenzend angeordnet sein. Die Polarität der mehreren Permanentmagnetisierungen alterniert bevorzugt zwischen jeweils benachbarten der Permanentmagnetisierungen. Die mehreren Permanentmagnetisierungen können auch unterschiedlich ausgebildet sein, um gleichzeitig unterschiedliche Komponenten des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes messen zu können. Grundsätzlich können mehrere der die Primärsensorgeometrien bildenden Permanentmagnetisierungen bei dem Maschinenelement vorhanden sein, d. h., dass mehrere der oberflächlichen Schichten und mehrere der Magnetisierungspfade ausgebildet sind. Diese mehreren Permanentmagnetisierungen können unterschiedliche Geometrieausrichtungen, unterschiedliche Geometrieformen, unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen und/oder unterschiedliche Magnetisierungsstärken aufweisen.
Die Berandung der oberflächlichen Schicht bildet bevorzugt auch eine Berandung der Permanentmagnetisierung entlang des Magnetisierungspfades. Somit weist die oberflächliche Schicht bevorzugt die gleiche Ausdehnung und Form wie die Permanentmagnetisierung entlang des Magnetisierungspfades auf. Grundsätzlich kann sich die oberflächliche Schicht aber auch über die Permanentmagnetisierung hinaus erstrecken.
Die oberflächliche Schicht weist eine größere magnetische Permeabilität, insbesondere eine größere relative magnetische Permeabilität als die unmittelbar darunter befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Bevorzugt weist die oberflächliche Schicht eine mehrfach größere magnetische Permeabilität zumindest als die darunter befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Besonders bevorzugt weist die oberflächliche Schicht eine mehr als 100-fach so große magnetische Permeabilität wie die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes sind bevorzugt unmagnetisch, d. h. nicht ferromagnetisch und nicht oder nur kaum magnetostriktiv.
Die oberflächliche Schicht besitzt bevorzugt einen kleineren magnetischen Widerstand zumindest als die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes. Besonders bevorzugt besitzt die oberflächliche Schicht einen mehrfach kleineren magnetischen Widerstand zumindest als die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes.
Die oberflächliche Schicht ist bevorzugt hochremanent, wohingegen die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes nicht oder nur geringfügig remanent sind.
Die oberflächliche Schicht ist bevorzugt hartmagnetisch, wohingegen die unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes weichmagnetisch oder mehr bevorzugt unmagnetisch sind.
Die oberflächliche Schicht weist bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf. Daher weist die oberflächliche Schicht bevorzugt eine magnetostriktive Konstante auf, die betragsmäßig mehr als 10-fach so groß wie die magnetostriktive Konstante der unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes ist.
Die oberflächliche Schicht weist bevorzugt eine größere magnetische Permeabilität als sämtliche unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Die oberflächliche Schicht weist bevorzugt eine mehr als 100-fach so große magnetische Permeabilität wie sämtliche unter der oberflächlichen Schicht befindlichen Abschnitte des Maschinenelementes auf. Bevorzugt ist das Maschinenelement abgesehen von der oberflächlichen Schicht unmagnetisch, insbesondere paramagnetisch oder diamagnetisch.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes ist unter der oberflächlichen Schicht eine im Maschinenelement ausgebildete magnetische Isolationsschicht, d. h. eine magnetisch isolierende Schicht angeordnet. Die magnetische Isolationsschicht ist unmagnetisch, insbesondere paramagnetisch oder diamagnetisch. Sie weist eine geringe Permeabilität auf. Dabei können unter der magnetischen Isolationsschicht angeordnete Bereiche des Maschinenelementes dennoch magnetisch, insbesondere ferromagnetisch sein. Die magnetische Isolationsschicht kann auf einem Maschinenelementgrundkörper angeordnet sein.
Die magnetische Isolationsschicht überragt bevorzugt den Rand der oberflächlichen Schicht, sodass die magnetische Isolationsschicht die oberflächliche Schicht auch an deren seitlichen Rand magnetisch isoliert.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist am seitlichen Rand der oberflächlichen Schicht ein im Maschinenelement ausgebildeter magnetischer Isolationsrand angeordnet, der die oberflächliche Schicht auch an deren seitlichen Rand magnetisch isoliert.
Die oberflächliche Schicht ist bevorzugt chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den darunter befindlichen Abschnitt des Maschinenelementes aufgebracht. Folglich handelt es sich um eine durch Beschichten aufgebrachte Schicht. Geeignete Beschichtungstechnologien sind für nahezu alle Werkstoffe verfügbar.
Die oberflächliche Schicht ist bevorzugt chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf die magnetische Isolationsschicht aufgebracht. Folglich handelt es sich um eine durch Beschichten auf die magnetische Isolationsschicht aufgebrachte Schicht.
Die magnetische Isolationsschicht ist bevorzugt chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den darunter befindlichen Abschnitt des Maschinenelementes aufgebracht. Folglich handelt es sich um eine durch Beschichten aufgebrachte Schicht.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist die oberflächliche Schicht in das Maschinenelement eindiffundiert. Folglich handelt es sich um eine durch Diffusion ausgebildete Schicht. Ebenso ist die magnetische Isolationsschicht alternativ bevorzugt in das Maschinenelement eindiffundiert, sodass es sich um eine durch Diffusion ausgebildete Schicht handelt. Das Diffundieren ist insbesondere bei metallischen Werkstoffen anwendbar.
Das Ausbilden der oberflächlichen Schicht bzw. der magnetischen Isolationsschicht durch ein chemisches, mechanisches, thermisches bzw. thermomechanisches Beschichten und das Ausbilden der magnetischen Isolationsschicht bzw. der oberflächlichen Schicht durch Diffusion können kombiniert sein.
Bei besonderen Ausführungsformen weist das Maschinenelement einen mechanisch fest sitzenden Ring auf, auf welchem sich die oberflächliche Schicht und ggf. auch die magnetische Isolationsschicht befinden. Diese Ausführungsform ist zu wählen, wenn das Grundmaterial des Maschinenelementes nicht zur Ausbildung der oberflächlichen Schicht und ggf. auch der magnetischen Isolationsschicht geeignet ist, sodass für den Ring ein geeigneter Werkstoff gewählt werden kann.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel oder durch einen Flansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an dem erfindungsgemäßen Maschinenelement. Diese Anordnung umfasst zunächst das erfindungsgemäße Maschinenelement und weiterhin mindestens einen durch einen Magnetfeldsensor gebildeten Sekundärsensor, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist. Der Sekundärsensor dient zur Wandlung des Magnetfeldes in ein elektrisches Signal, welches somit abhängig von der zu messenden Kraft bzw. von dem zu messenden Moment ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt eine der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maschinenelementes.
Das Maschinenelement bildet bevorzugt einen integralen Bestandteil der Anordnung.
Der eine bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt durch Hall-Sensoren, Spulen, Förstersonden oder Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung der durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Felder geeignet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung des erfindungsgemäßen Maschinenelementes, insbesondere zur Ausbildung der oberflächlichen Schicht des Maschinenelementes.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Maschinenelementgrundkörper bereitgestellt, an bzw. in welchem die oberflächliche Schicht auszubilden ist. Der Maschinenelementgrundkörper weist bereits diejenigen mechanischen Eigenschaften auf, die für die Übertragung der vom Maschinenelement zu übertragenden Kraft bzw. des vom Maschinenelement zu übertragenden Momentes notwendig sind. Der Maschinenelementgrundkörper kann einen aufgepressten Ring umfassen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine oberflächliche Schicht am bzw. im Maschinenelementgrundkörper ausgebildet. Die oberflächliche Schicht weist eine Permanentmagnetisierung auf, wobei die oberflächliche Schicht eine größere magnetische Permeabilität zumindest als unter der oberflächlichen Schicht befindliche Abschnitte des Maschinenelementes aufweist. Die Permanentmagnetisierung erstreckt sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades.
Die oberflächliche Schicht kann grundsätzlich durch einen Beschichtungsvorgang auf dem Maschinenelementgrundkörper oder durch einen Diffusionsvorgang in dem Maschinenelementgrundkörper ausgebildet werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ausbilden der oberflächlichen Schicht dadurch, dass die oberflächliche Schicht chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den darunter befindlichen Abschnitt des Maschinenelementes aufgebracht wird. Es erfolgt somit ein Beschichten des darunter befindlichen Abschnittes des Maschinenelementes. In einem einfachen Fall erfolgt das Ausbilden der oberflächlichen Schicht dadurch, dass die oberflächliche Schicht chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den Maschinenelementgrundkörper, beispielsweise insbesondere auf den Ring aufgebracht wird.
Bevorzugt wird weiterhin eine magnetische Isolationsschicht unter der oberflächlichen Schicht ausgebildet. In diesem Fall erfolgt das Ausbilden der oberflächlichen Schicht mit der Permanentmagnetisierung bevorzugt dadurch, dass die oberflächliche Schicht chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf die magnetische Isolationsschicht aufgebracht wird.
Das Ausbilden der magnetischen Isolationsschicht erfolgt bevorzugt dadurch, dass die Isolationsschicht chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den Maschinenelementgrundkörper aufgebracht wird. Es erfolgt somit ein Beschichten des Maschinenelementgrundkörpers, beispielsweise insbesondere des Ringes.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ausbilden der oberflächlichen Schicht dadurch, dass diese in den Maschinenelementgrundkörper oder in die magnetische Isolationsschicht eindiffundiert wird. Auch erfolgt das Ausbilden der magnetischen Isolationsschicht alternativ bevorzugt dadurch, dass diese in den Maschinenelementgrundkörper eindiffundiert wird.
Am seitlichen Rand der oberflächlichen Schicht wird bevorzugt ein magnetischer Isolationsrand ausgebildet, insbesondere wenn das Maschinenelement unter der oberflächlichen Schicht magnetisch isolierend ist. Der magnetische Isolationsrand wird bevorzugt in den Maschinenelementgrundkörper eindiffundiert.
Das Ausbilden der oberflächlichen Schicht bzw. der magnetischen Isolationsschicht durch Beschichten und das Ausbilden der Isolationsschicht bzw. der oberflächlichen Schicht durch Diffusion können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann die oberflächliche Schicht durch Beschichten auf die eindiffundierte Isolationsschicht aufgebracht werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenelementes;
2 eine Schnittansicht einer in 1 gezeigten oberflächlichen Schicht;
3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes;
4 eine erste bevorzugte Ausführungsform der oberflächlichen Schicht;
5 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der oberflächlichen Schicht;
6 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der oberflächlichen Schicht;
7 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der oberflächlichen Schicht;
8 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der oberflächlichen Schicht;
9 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit verschiedenen Magnetisierungspfaden;
10 eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit einem Magnetisierungspfad;
11 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes in einer Schnittansicht;
12 einen Magnetisierungspfad gemäß einer allgemeinen Ausführungsform;
13 einen Magnetisierungspfad gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform; und
14 einen Magnetisierungspfad gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenelementes. Bei diesem Maschinenelement handelt es sich um eine Hohlwelle, die verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt sein kann, welche erfindungsgemäß messbar sind. Der Grundwerkstoff des Maschinenelementes ist beispielsweise weichmagnetischer Stahl.
Auf dem Mantel der Hohlwelle ist eine oberflächliche Schicht 01 ausgebildet, welche bei der gezeigten einfachen Ausführungsform die Form eines projizierten Kreisringes aufweist. Die oberflächliche Schicht 01 besteht aus einem magnetostriktiven Material und ist hartmagnetisch. In der oberflächlichen Schicht 01 ist eine Permanentmagnetisierung ausgebildet, welche sich entlang eines Magnetisierungspfades 02 erstreckt und einen Primärsensor bildet. Der Magnetisierungspfad 02 ist geschlossen. Bei der gezeigten einfachen Ausführungsform ist der Magnetisierungspfad 02 entlang eines Kreises geschlossen. Da der Magnetisierungspfad 02 geschlossen ist, wirkt die Permanentmagnetisierung nicht nach außen, solang auf das Maschinenelement keine Kraft und kein Moment einwirken.
Erfindungsgemäß ist der Magnetisierungspfad 02 nicht an die Kreisform gebunden, sondern kann in einer freien Form ausgeführt werden, beispielsweise auch als Freihandform. Die freie Formung führt zu verbesserten Kompensationsmöglichkeiten gegenüber externen Magnetfeldern und Temperatureinflüssen, insbesondere auch gegenüber großen Temperaturgradienten. Hierzu ist die Geometrie des Primärsensors, d. h. der Magnetisierungspfad, an unterschiedlichen Positionen mit einem durch einen Magnetfeldsensor gebildeten Sekundärsensor (nicht gezeigt) zu detektieren, wodurch unterschiedliche Messgrößen gewonnen werden können, die durch Verrechnung zur Kompensation genutzt werden können.
2 zeigt eine Schnittansicht der in 1 gezeigten oberflächlichen Schicht 01 mit dem darin angeordneten Magnetisierungspfad 02. Die durch den Magnetisierungspfad 02 symbolisierte Permanentmagnetisierung ist ausschließlich innerhalb der oberflächlichen Schicht 01 ausgebildet.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes. Bei diesem Maschinenelement handelt es sich wiederum um eine Hohlwelle. Die oberflächliche Schicht 01 mit der darin entlang des Magnetisierungspfades 02 ausgebildeten Permanentmagnetisierung gleicht der in 1 gezeigten Ausführungsform. Zusätzlich dazu ist eine magnetische Isolationsschicht 03, d. h. eine magnetisch isolierende Schicht ausgebildet, welche aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Werkstoff besteht. Die magnetische Isolationsschicht 03 ist unter der oberflächlichen Schicht 01 angeordnet und überragt diese. Somit weist auch die magnetische Isolationsschicht 03 eine projizierte Kreisringform auf, wobei ein in der Mitte ausgebildeter Freiraum 04 optional ist.
Die magnetische Isolationsschicht 03 weist eine geringe relative magnetische Permeabilität μ_r auf und dient der magnetischen Abkopplung der in der oberflächlichen Schicht 01 befindlichen Permanentmagnetisierung gegenüber dem übrigen aus Stahl bestehenden Maschinenelement. Hierdurch wird erreicht, dass die aus der magnetischen Isolationsschicht 03 und Luft bestehende Umgebung der in der oberflächlichen Schicht 01 befindlichen Permanentmagnetisierung eine relative magnetische Permeabilität μ_r von etwa Eins oder kleiner aufweist. Somit weist diese Umgebung einen hohen magnetischen Widerstand auf, wobei die magnetostriktive oberflächliche Schicht 01 eine weitaus größere relative magnetische Permeabilität μ_r besitzt und somit einen weitaus kleineren magnetischen Widerstand in deren Umgebung darstellt. Daher ist die Magnetfelddichte in der oberflächlichen Schicht 01 größer als in deren Umgebung, was eine wichtige Voraussetzung für die Stabilität der Permanentmagnetisierung in der oberflächlichen Schicht 01 ist.
4 zeigt eine Schnittansicht der oberflächlichen Schicht 01 bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die magnetische Isolationsschicht 03 und die oberflächliche Schicht 01 sind jeweils durch ein chemisches, mechanisches, thermisches oder thermomechanisches Beschichtungsverfahren gemäß DIN 8580 aufgebracht worden.
5 zeigt eine Schnittansicht der oberflächlichen Schicht 01 bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die magnetische Isolationsschicht 03 und die oberflächliche Schicht 01 sind jeweils durch Diffusion in dem Material des Maschinenelementes ausgebildet worden. Hierfür wurde zunächst die eine geringe Permeabilität aufweisende magnetische Isolationsschicht 03 durch Diffusion erzeugt. Anschließend wurde die magnetostriktive oberflächliche Schicht 01 durch Diffusion in der bereits erzeugten magnetischen Isolationsschicht 03 ausgebildet.
6 zeigt eine Schnittansicht der oberflächlichen Schicht 01 bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind ein magnetischer Isolationsrand 06 und die oberflächliche Schicht 01 jeweils durch Diffusion in das Material des Maschinenelementes ausgebildet worden. Hierfür wurde zunächst die magnetostriktive oberflächliche Schicht 01 durch Diffusion ausgebildet. Anschließend wurde der magnetische Isolationsrand 06 um die magnetostriktive oberflächliche Schicht 02 herum durch Diffusion ausgebildet.
7 zeigt eine Schnittansicht der oberflächlichen Schicht 01 bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist der magnetische Isolationsrand 06 durch Beschichten erzeugt worden, während die oberflächliche Schicht 01 durch Diffusion ausgebildet wurde. Hierfür wurde zunächst die magnetische Isolationsschicht 03 (gezeigt in 3) durch Beschichtung erzeugt, woraufhin die magnetostriktive oberflächliche Schicht 01 durch Diffusion in die magnetische Isolationsschicht 03 (gezeigt in 3) eingebracht wurde, was dazu führte, dass nur der magnetische Isolationsrand 06 verblieb.
8 zeigt eine Schnittansicht der oberflächlichen Schicht 01 bei einer fünften bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist die oberflächliche Schicht 01 durch Beschichten erzeugt worden, während die magnetische Isolationsschicht 03 durch Diffusion ausgebildet wurde. Hierfür wurde zunächst die magnetische Isolationsschicht 03 durch Diffusion ausgebildet, woraufhin die magnetostriktive oberflächliche Schicht 01 durch Beschichtung auf die magnetische Isolationsschicht 03 aufgebracht wurde.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit den verschiedenen Magnetisierungspfaden 02. Der an erster Stelle dargestellte Magnetisierungspfad 02 verläuft tangential über den gesamten Umfang des Maschinenelementes herum, sodass er einen Mittelpunktswinkel von 360° besitzt. Der Magnetisierungspfad 02 weist somit eine Kreisform auf.
Der an zweiter Stelle dargestellte Magnetisierungspfad 02 verläuft als Zick-Zack-Linie über den gesamten Umfang des Maschinenelementes herum, sodass er einen Mittelpunktswinkel von 360° aufweist. Die Zick-Zack-Linie ist aus kurzen Strecken des Magnetisierungspfades 02 zusammengesetzt, die einen gleichen Winkel 0° < α < 180° zueinander aufweisen.
Der an dritter Stelle dargestellte Magnetisierungspfad 02 verläuft mit einer Neigung zur tangentialen Richtung über den gesamten Umfang des Maschinenelementes herum, sodass er ebenfalls einen Mittelpunktswinkel von 360° aufweist. Diese Ausrichtung des Magnetisierungspfades 02 kann auch als diagonal zum Maschinenelement beschrieben werden.
Der an vierter Stelle dargestellte Magnetisierungspfad 02 umfasst zwei der an der zweiten Stelle dargestellten Magnetisierungspfade 02, die aneinander angrenzen, sodass eine sich wiederholende X-Form gebildet werden kann.
10 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit dem Magnetisierungspfad 02. Bei dieser Ausführungsform ist das Maschinenelement durch eine sich verjüngende Welle gebildet. Der Magnetisierungspfad 02 verläuft zum einen um den Umfang der Welle herum und zum anderen in axialer Richtung über den sich verjüngenden Abschnitt der Welle, indem der Magnetisierungspfad 02 seine Richtung mehrfach jeweils in einem rechten Winkel α ändert. Der Winkel α kann aber auch beliebig zwischen 0° und 180° gewählt werden.
11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelementes in einer Schnittansicht. Bei diesem Maschinenelement handelt es sich wiederum um eine Hohlwelle, die verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt sein kann. Es ist ein Winkel β veranschaulicht. 12 bis 14 enthalten Darstellungen des Maschinenelementes mit Bezug auf den Winkel β. 12 bis 14 zeigen eine zylindermantelförmige Oberfläche 07 verschiedener Ausführungsformen, wobei die zylindermantelförmige Oberfläche 07 jeweils über ein Abrollen der Hohlwelle über den Winkel β dargestellt ist. Dementsprechend ist die zylindermantelförmige Oberfläche 07 der Hohlwelle jeweils als ein Rechteck dargestellt.
12 zeigt den Magnetisierungspfad 02 gemäß einer allgemeinen Ausführungsform. Der Magnetisierungspfad 02 verläuft auf der zylindermantelförmigen Oberfläche 02 des Maschinenelementes (gezeigt in 11). Der Magnetisierungspfad 02 ist geschlossen und weist bei der gezeigten allgemeinen Ausführungsform eine unregelmäßige Form auf. Die Richtung des Magnetisierungspfades 02, d. h. die Orientierung der Permanentmagnetisierung ist selbstverständlich auch umgekehrt ausführbar.
13 zeigt den Magnetisierungspfad 02 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. In der abgerollten Darstellung weist der Magnetisierungspfad 02 die Form eines Quadrates auf. Das Quadrat kann bei alternativen Ausführungsformen durch Veränderung des Winkels α geneigt sein. Bei weiteren alternativen Ausführungsformen kann durch eine Veränderung des Winkels δ und/oder der Seitenlängen a, b, c, d statt einer Quadratform eine Trapezform, eine Parallelogrammform, eine Dreiecksform o. ä. des Magnetisierungspfades 02 erzielt werden. Auch können die Ecken der genannten Formen abgerundet sein. Grundsätzlich können die Ecken aller beschriebenen Ausführungsformen abgerundet sein, wodurch jeweils eine weitere Ausführungsform gebildet wird.
14 zeigt den Magnetisierungspfad 02 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. In der abgerollten Darstellung weist der Magnetisierungspfad 02 die Form einer Superellipse bzw. eines Langloches auf. Bei alternativen Ausführungsformen können der Winkel α, die Radien r₁, r₂ und die Seitenlänge a beliebig verändert sein.
Bezugszeichenliste

01: oberflächliche Schicht
02: Magnetisierungspfad
03: magnetische Isolationsschicht
04: Freiraum
05
06: magnetischer Isolationsrand
07: zylindermantelförmige Oberfläche

Claims

Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei das Maschinenelement einen Primärsensor zur Messung der zu übertragenden Kraft oder des zu übertragenden Momentes aufweist, welcher eine Permanentmagnetisierung besitzt; wobei durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment ein außerhalb des Maschinenelementes auftretendes messbares Magnetfeld bewirkt wird; wobei sich die Permanentmagnetisierung entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (02) erstreckt; und wobei die Permanentmagnetisierung in einer oberflächlichen Schicht (01) des Maschinenelementes ausgebildet ist, welche eine größere magnetische Permeabilität zumindest als unter der oberflächlichen Schicht (01) befindliche Abschnitte des Maschinenelementes aufweist.
Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Magnetisierungspfad (02) mit einem Mittelpunktswinkel von mindestens 360° über den Umfang des Maschinenelementes erstreckt, wobei sich der Magnetisierungspfad (02) um eine Achse des Maschinenelementes herum schließt.
Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Magnetisierungspfad (02) mit einem Mittelpunktswinkel von weniger als 360° über den Umfang des Maschinenelementes erstreckt.
Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungspfad (02) durch eine geschlossene Kurve gebildet ist, welche auf die oberflächliche Schicht (01) projiziert ist.
Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter der oberflächlichen Schicht (01) eine im Maschinenelement ausgebildete magnetische Isolationsschicht (03) angeordnet ist.
Anordnung mit einem Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und mit mindestens einem durch einen Magnetfeldsensor gebildeten Sekundärsensor, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 5: – Bereitstellen eines Maschinenelementgrundkörpers; und – Ausbilden einer oberflächlichen Schicht (01) am Maschinenelementgrundkörper, die eine Permanentmagnetisierung aufweist, wobei die oberflächliche Schicht (01) eine größere magnetische Permeabilität zumindest als unter der oberflächlichen Schicht (01) befindliche Abschnitte des Maschinenelementes aufweist, und wobei sich die Permanentmagnetisierung entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (02) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der oberflächlichen Schicht (01) dadurch erfolgt, dass die oberflächliche Schicht (01) chemisch, mechanisch, thermisch oder thermomechanisch auf den darunter befindlichen Abschnitt des Maschinenelementes aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine magnetische Isolationsschicht (03) unter der oberflächlichen Schicht (01) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der oberflächlichen Schicht (01) mit der Permanentmagnetisierung dadurch erfolgt, dass diese in den Maschinenelementgrundkörper oder in die magnetische Isolationsschicht (03) eindiffundiert wird.