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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Welle mit einer in einem gehärteten Wellenabschnitt erzeugten, eine Drehmomentmessung ermöglichenden Magnetisierung, wobei die Welle zumindest in dem Wellenabschnitt lediglich eine gehärtete, verschleißfeste und die Magnetisierung tragende Randschicht und der Wellenkern eine demgegenüber höhere Duktilität aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Für eine berührungslose Messung eines über eine Welle übertragenen Drehmoments wird unter anderem das Messprinzip der inversen Magnetostriktion angewendet. Diesem Messprinzip, auch Magnetoelastizität genannt, liegt zugrunde, dass sich eine im unbelasteten Material gegebenen Magnetisierung durch eine mechanische Spannung, vorliegend eine Torsion, ändert. D. h., dass eine Wechselwirkung zwischen der mechanischen Spannung respektive Dehnung und den magnetischen Größen der Induktion bzw. der magnetischen Feldstärke in entsprechenden magnetisierbaren Stoffen, beispielsweise ferritischen Stoffen ergibt. Im Ausgangszustand, wenn, wie vorliegend, die Welle nicht beansprucht ist, sind die nach Aufprägen der Magnetisierung innerhalb des magnetisierten Bereichs gegebenen sogenannten Weiß'schen Bezirke, in denen das jeweilige magnetische Moment der Atome gleichgerichtet ist, verschieden orientiert, so dass sich makroskopisch keine erfassbare Gesamtmagnetisierung ergibt, die über einen zugeordneten Sensor erfasst werden kann. D. h., dass kein Magnetfeld gemessen werden kann. Wird jedoch aufgrund eines Momenteneintrags ein Torsionsmoment eingebracht, so kommt es zu einer Veränderung der Bereiche respektive der Orientierung der einzelnen bereichsweisen Magnetisierungen, so dass sich ein linear vom Grad des eingetragenen Torsionsmoments abhängiges äußeres Magnetfeld über einen geeigneten berührungslos arbeitenden Magnetfeldsensor erfassen lässt.
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Um eine solche magnetoelastische Drehmomentmessung zu ermöglichen weist die Welle einen gehärteten Wellenabschnitt auf, soweit sie nicht über ihre gesamte Länge gehärtet ist, der eine aufgeprägte permanente Magnetisierung aufweist. Um eine gute Sensitivität des Materials respektive der Magnetisierung auf das eingetragene Torsionsmoment sowie eine gute Sensorperformance, also Signalerfassung zu erzielen werden speziell durchhärtbare Legierungen als Wellenmaterial verwendet. D. h., dass die Welle durchgehärtet wird, folglich über ihren gesamten Querschnitt eine weitgehend gleichförmig, hohe Härte aufweist. Damit einher geht aber eine gewisse Sprödigkeit, was zur Folge hat, dass es insbesondere bei schlagartiger oder punktueller Belastung zu einem Sprödbruch kommen kann.
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Die
DE 68906017 T2 offenbart einen magnetostriktiven Drehmomentsensor zum kontaktlosen Erfassen eines auf einer Rotationswelle aufgebrachten Drehmoments aufgrund einer Änderung der magnetischen Permeabilität.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Welle anzugeben, die einerseits eine genaue Erfassung eines Drehmoments ermöglicht, andererseits aber auch hochbelastbar ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Welle mit einer in einem gehärteten Wellenabschnitt erzeugten, eine Drehmomentmessung ermöglichenden Magnetisierung versehen ist, wobei die Welle zumindest in dem Wellenabschnitt lediglich eine gehärtete, verschleißfeste und die Magnetisierung tragende Randschicht und der Wellenkern eine demgegenüber höhere Duktilität aufweist, und wobei die gehärtete Randschicht eine Tiefe von wenigstens 2 mm aufweist.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Welle dadurch aus, dass sie eine verschleißgehärtete Randschicht aufweist, die die Magnetisierung trägt. Wie beschrieben ist es aus Gründen der Sensitivität respektive der Signalerfassung erforderlich, ein gehärtetes Gefüge auszubilden, das entsprechend permanentmagnetisiert ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es ausreichend ist, wenn lediglich eine in eine hinreichende Tiefe reichende gehärtete Randschicht vorliegt, da für eine entsprechend genaue Messung die Magnetisierung nur oberflächennah und mit geringer Eindringtiefe vorliegen braucht. D. h., dass ein Durchhärten nicht erforderlich ist. Vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der sich an die gehärtete, verschleißfeste Randschicht anschließende Wellenkern eine demgegenüber höhere Duktilität aufweist. Das Wellenmaterial ist also im Kern nicht spröde, wie bei durchgehärteten Wellen, sondern hinreichend duktil, so dass auch schlagartige Torsionsbelastungen etc. nicht zu einem Sprödbruch führen können. Somit ist bei der erfindungsgemäßen Welle einerseits in dem Bereich der Sensorik, also dem die Magnetisierung tragenden Bereich, dem der berührungslos arbeitende Magnetfeldsensor zugeordnet ist, einerseits ein spezielles gehärtetes Gefüge gegeben, wie auch eine hinreichende Einhärtetiefe erreicht wird. Andererseits ist nach wie vor eine hinreichende Duktilität des Wellenmaterials gegeben, so dass die Welle ein wesentlich breiteres Belastungsprofil aufweist, als es durchgehärtete Wellen zeigen.
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Die gehärtete Randschicht weist erfindungsgemäß eine Tiefe von wenigstens 2 mm, insbesondere von wenigstens 3 mm aufweisen. Eine maximale Tiefe von ca. 6 mm ist in der Regel ausreichend. Eine solche, relativ geringe Randschichttiefe ist ausreichend, um das Material hinreichend aufzumagnetisieren. Selbstverständlich ist es möglich, insbesondere bei Wellen größeren Durchmessers auch stärkere gehärtete Randschichten auszubilden. Die Randschicht respektive das durch die Randschichthärtung erzeugte Gefüge sollte dabei einen möglichst geringen Restaustenitgehalt aufweisen und ansonsten im Wesentlichen als ferritisches Gefüge vorliegen.
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Die Randschicht selbst wird bevorzugt durch Induktionshärtung, Flammhärtung oder Laserstrahlhärtung erzeugt. Beim Induktionshärten wird die Welle für eine definierte Zeit einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt. Das Wechselfeld führt aufgrund induzierter Ströme in der Welle an der Oberfläche zu einer oberflächennahen Erwärmung, wobei die Schichttiefe frequenzabhängig ist. Je höher die Frequenz, desto geringer ist die Schichttiefe, bis zu welcher die Welle ausreichend erwärmt wird, und umgekehrt. Durch anschließendes Abschrecken erfolgt die entsprechende Gefügeausbildung.
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Ähnlich wie beim Induktivhärten wird beim Flammhärten die Randschicht mit einer Brennerflamme erwärmt, wonach ebenfalls ein Abschrecken zur Härtung erfolgt.
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Beim Laserhärten wird mittels eines über die Oberfläche geführten Laserstrahls in sehr kurzer Zeit die Erwärmung vorgenommen, wobei auch hier nach Erreichen der Umwandlungstemperatur die Welle abgeschreckt wird.
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Grundsätzlich sollte der Härtevorgang so durchgeführt werden, dass sich eine Randschichthärte im Bereich zwischen 500–700 HV 10 (Vickershärte) einstellt, wobei jedweder im Intervall liegender Wert erfindungswesentlich ist.
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Bevorzugt wird eine Welle verwendet, die aus einem vorvergüteten Werkstoff besteht. D. h., dass das Grundmaterial bereits eine Härtung erfahren hat, so dass sich im Kern eine definierte Basis- oder Grundhärte ergibt. Die Kernhärte sollte im Bereich von 33 HRC bis 40 HRC (Rockwellhärte, Skala C) liegen. Diese Härte, die gleichzeitig die Duktilität bestimmt, ändert sich während des Randschichthärtens nicht, da wie oben ausgeführt durch die Härteverfahren die Welle lediglich oberflächennah erwärmt und gehärtet wird.
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Bevorzugt wird die Welle über ihre gesamte Länge randschichtgehärtet, d. h., dass sich die gehärtete Randschicht über die gesamte Wellenlänge erstreckt. Sofern an der Welle bestimmte definierte Geometrien wie beispielsweise eine Verzahnung und Ähnliches ausgebildet sind, ist es mitunter denkbar, lokal unterschied tief zu härten, mithin also das Härteverfahren entsprechend zu variieren. Im Falle einer Induktionshärtung kann hier beispielsweise eine Kombination von Induktionshärtung und Hochfrequenz- und Mittelfrequenzanlassen angewendet werden.
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Neben der Welle selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Welle zumindest in dem Wellenabschnitt zur Ausbildung einer verschleißfesten Randschicht gehärtet wird, wonach die Magnetisierung in der Randschicht durch Anlegen eines Magnetfelds erzeugt wird.
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Die Härtung erfolgt erfindungsgemäß derart, dass eine Randschicht mit einer Tiefe von wenigstens 2 mm, insbesondere von wenigstens 3 mm erzeugt wird. Die Tiefe sollte bevorzugt maximal 6 mm betragen, damit der harte Randschichtring nicht zu dick wird und die über den Querschnitt gesehene Gesamtduktilität nicht nachteilig beeinflusst wird respektive die Sprödigkeit zu groß wird. Bevorzugt wird eine Welle aus einem vorvergüteten Werkstoff verwendet, die bevorzugt eine kleine Korngröße aufweist, die mit sinkender Erwärmungszeit feiner gewählt wird. Die Härteparameter können entsprechend eingestellt werden. Im Rahmen der Vorvergütung kann beispielsweise ein Vakuumhärten oder ein Härten unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.
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Die eigentliche Randschichthärtung erfolgt, wie bereits beschrieben, bevorzugt durch Induktionshärtung, Flammhärtung oder Laserstrahlhärtung.
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Wenngleich die gehärtete Randschicht nur lokal vorgesehen sein kann, also beispielsweise an einem umlaufenden Längenabschnitt der Welle, ist es denkbar, die Welle auch über ihre gesamte Länge zu härten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige Figur zeigt eine Teilschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Welle mit einer zugeordneten Drehmomentmesseinrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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Die Welle 1 besteht aus einem vorvergütetem Stahl, also aus einem Werkstoff, der eine durch einen Härtevorgang definierte Grundhärte aufweist. Längs eines Wellenabschnitts 2 ist eine gehärtete, verschleißfeste Randschicht 3 ausgebildet, die eine Tiefe von ca. 2–6 mm, je nach Wellendurchmesser, besitzt. Die gehärtete Randschicht 3 wird bevorzugt durch Induktionshärtung hergestellt, kann aber auch durch Flammhärtung oder Laserstrahlhärtung erzeugt werden. Wenngleich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Randschicht 3 nur in dem axial gesehen begrenzten Wellenabschnitt 2 ausgebildet ist, wäre es grundsätzlich denkbar, die gehärtete Randschicht 3 auch über die gesamte Wellenlänge auszubilden.
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Die Härte in der Randschicht 3 beträgt bevorzugt 500–700 HV 10 (Vickershärte). Die Härte im Kern 4 der Welle, der von der Randschicht 3 umgeben ist, ist demgegenüber geringer, d. h., dass die Duktilität des Wellenmaterials im Kern 4 deutlich höher ist als in der Randschicht 3.
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Der Randschicht 3 ist eine permanente Magnetisierung aufgeprägt. Durch den Härtevorgang wird in der Randschicht 3 ein Gefüge mit einem möglichst hohen ferritischen Anteil und einem geringen Restaustenitanteil gebildet, das für das Aufprägen der Magnetisierung besonders vorteilhaft ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung einer entsprechend tiefen Randschicht 3 ausreichend ist, um einen hinreichenden Magnetisierungsgrad, der für eine magnetoelastische Drehmomentmessung ausreichend ist, zu erreichen. Ein Durchhärten der Welle ist folglich nicht erforderlich.
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Da der Kern 4 wie beschrieben nicht durchgehärtet ist, sondern gegenüber der Randschicht 3 wesentlich duktiler ist, weißt er andere mechanische Eigenschaften als die Randschicht 3 auf, so dass die Welle – anders als eine durchgehärtete Welle – auch Belastungen, insbesondere schlagartigen Belastungen, Stand hält und eine Sprödbruchgefahr nicht gegeben ist.
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Der Welle 1 ist eine hier von der Welle 1 durchsetzte Messeinrichtung 5 zugeordnet, die in der Lage ist, ein sich im Falle einer Einleitung eines Torsionsmoments in die Welle 1 ergebendes Magnetfeld, das aus einer Umordnung und Ausrichtung der magnetisierten Bereiche der Randschicht 3 in Abhängigkeit der Größe des Torsionsmoments ergibt, zu erfassen und, gegebenenfalls in einer nachgeschalteten Steuerungseinrichtung, hierauf gestützt das Torsionsmoment zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Welle zeichnet sich folglich dadurch aus, dass die Duktilität im Kern erhalten bleibt, gleichzeitig aber auch aufgrund der Randschichthärtung ein Gefüge gegeben ist, das für die Magnetisierbarkeit und die Remanenz der Magnetisierung und damit auch für die Sensorperformance von Vorteil ist.
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Weiterhin kann eine Erhöhung der Schwingfestigkeit sowie eine Erhöhung der Steifigkeit durch die harte und somit unelastische Ummantelung erreicht werden. Ferner wird durch die Ausbildung der gehärteten Randschicht, insbesondere wenn sich diese über die gesamte Wellenlänge erstreckt, eine deutliche Erhöhung der Haltbarkeit und Dauerfestigkeit aufgrund der verschleißfesten Eigenschaften erreicht.
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Sind an der Welle geometrische Strukturen, die der Kopplung mit anderen Elementen dienen, wie beispielsweise einer Verzahnung oder dergleichen vorgesehen, so kann, wenn die Randschichthärtung auch in diesem Bereich erfolgt, eine Erhöhung der Belastbarkeit dieser gehärteten Arbeitsflächen, beispielsweise an den Eingriffspunkten von Zahnflanken, erreicht werden.
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Der Einsatz einer solchen erfindungsgemäßen Welle ist überall dort möglich, wo ein Drehmoment über die Welle übertragen werden soll, verbunden mit einer entsprechenden Drehmomentmessung auf magnetoelastischer Basis. Auch sind keinerlei Größenbeschränkungen der Welle in Länge und Durchmesser gegeben, so dass kleinbauende Anwendungen wie beispielsweise in kleinen Elektromotoren oder Pumpen gleichermaßen denkbar sind, wie großbauende Anwendungen beispielsweise in Form von Schiffswellen, Wellen von Windkraftanlagen, Baumaschinen etc.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Wellenabschnitt
- 3
- Randschicht
- 4
- Kern
- 5
- Messeinrichtung
