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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement. Die Anordnung umfasst eine auf dem Maschinenelement angeordnete Hülse, welche einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung aufweist. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher gegenüber der Hülse angeordnet ist. Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.
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Die
EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
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Die
US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
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Die
US 8,087,304 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, bei welchem der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes unterdrückt werden soll. Hierfür umfasst der Drehmomentsensor drei einzelne Magnetfeldsensoren, die unterschiedlich ausgerichteten umlaufenden Magnetisierungen gegenüberstehen.
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Aus der
DE 10 2015 200 268 B3 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes bekannt, welche mindestens zwei axial zueinander beabstandete Magnetfeldsensoren aufweist, zwischen denen ein Magnetfeldleitelement ausgebildet ist.
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Die
US 6,301,946 B1 zeigt ein Bandwickelverfahren, bei welchem ein von einem Warmwalzwerk ankommendes Band von einer Bandschere auf eine vorbestimmte Länge geschnitten wird. Das geschnittene Band wird abwechselnd von einem Dorn eines ersten Wicklers und einem Dorn eines zweiten Wicklers aufgewickelt, und zwar über Wickelklemmwalzen, die auf der Ausgabeseite der Bandschere angeordnet sind.
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Aus der
EP 0 803 053 B1 und aus der
US 5,465,627 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst, welcher eine umlaufende Magnetisierung besitzt. Zur Erzeugung der umlaufenden Magnetisierung kann eine Welle in Rotation versetzt werden, sodass durch einen Permanentmagnet oder durch eine Spule ein tangentiales Magnetfeld in der Welle erzeugt wird. Der Messwandler in Form eines Ringes kann auch dadurch polarisiert werden, dass ein elektrischer Leiter durch die Welle bzw. durch den Ring gefädelt und bestromt wird, wobei der Ring partiell in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit getaucht sein kann. Ein Sensor kann mit einem Joch gegenüber dem magnetoelastischen Messwandler angeordnet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Anordnung für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an einem mit einer Hülse versehenen Maschinenelement bereitzustellen.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. 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 in einer Achse. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale Richtung definiert, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
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Die Anordnung umfasst eine auf dem Maschinenelement angeordnete Hülse. Die Hülse sitzt auf dem Maschinenelement. Das Maschinenelement erstreckt sich durch einen Innenraum der Hülse. Die Hülse weist einen Magnetisierungsbereich für eine in der Hülse ausgebildete Magnetisierung auf. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt umfänglich um die Achse. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt umfänglich innerhalb eines Materials der Hülse. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes.
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Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher gegenüber der Hülse angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Primärsensor, d. h. der Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist die Hülse in zwei axial beabstandeten Befestigungsbereichen jeweils durch mindestens eine Befestigung an dem Maschinenelement befestigt, sodass die zu messende Kraft bzw. das zu messende Moment von dem Maschinenelement auf die Hülse übertragen wird. Axial zwischen den Befestigungsbereichen ist ein Zwischenbereich ausgebildet, in welchem die Hülse drehbar auf dem Maschinenelement angeordnet ist, da im Zwischenbereich keine Befestigung der Hülse am Maschinenelement ausgebildet ist. Die Hülse ist gegenüber dem Maschinenelement wegen der mindestens zwei Befestigungen nicht frei drehbar, jedoch kann sie im Zwischenbereich durch eine Verdrehung zwischen den beiden Befestigungsbereichen frei elastisch verformt werden.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass mechanische Spannungen des Maschinenelementes in einem hohen Maße proportional auf die Hülse übertragen werden, da sich die Hülse im Zwischenbereich frei verformen kann, sodass eine unerwünschte Hysterese vermieden ist.
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Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen sitzt die Hülse im Zwischenbereich passgenau und ohne mechanische Spannung auf dem Maschinenelement. Der passgenaue Sitz erlaubt die Drehbarkeit der Hülse im Zwischenbereich. Es muss kein Spalt zwischen der Hülse und dem Maschinenelement ausgebildet sein. Die erste Gruppe bevorzugter Ausführungsformen weist den Vorteil auf, dass sich die Hülse beim Befestigen am Maschinenelement nicht verformen kann, sodass die erste Gruppe bevorzugter Ausführungsformen insbesondere für dünnwandige Hülsen geeignet ist, deren Wandstärke höchstens 1 mm beträgt.
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Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist die Hülse im Zwischenbereich umfänglich vom Maschinenelement beabstandet, sodass die Hülse im Zwischenbereich einen umlaufenden Spalt, d. h. ein Spiel gegenüber dem Maschinenelement aufweist. Somit kontaktiert die Hülse im Zwischenbereich das Maschinenelement nicht. Die zweite Gruppe bevorzugter Ausführungsformen weist den Vorteil auf, dass der mit dem Magnetfeldsensor zu messende magnetische Fluss verstärkt ist, da der magnetische Fluss im Inneren der durch die Hülse und durch das Maschinenelement gebildeten Einheit verringert ist.
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Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen ist die Hülse im Zwischenbereich umfänglich bevorzugt gleichmäßig vom Maschinenelement beabstandet, sodass der im Zwischenbereich ausgebildete umlaufende Spalt zwischen der Hülse und dem Maschinenelement in der axialen Richtung und in der umfänglichen Richtung konstant ist. Der umlaufende Spalt weist somit die Form eines Hohlzylinders auf. Die Hülse ist koaxial zu dem im Zwischenbereich bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Maschinenelement angeordnet.
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Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen weist die Hülse in den Befestigungsbereichen bevorzugt jeweils einen umlaufenden radial nach innen gerichteten Absatz auf, mit welchem sie auf dem Maschinenelement sitzt. Die Befestigungen der Hülse am Maschinenelement sind jeweils zwischen den Absätzen und dem Maschinenelement ausgebildet. Die beiden Absätze bilden bevorzugt die axialen Enden der Hülse.
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Bei allen Ausführungsformen sind die Befestigungsbereiche der Hülse bevorzugt an den axialen Enden der Hülse ausgebildet. Der Zwischenbereich ist axial bevorzugt axial mittig bezogen auf die Hülse ausgebildet und erstreckt sich über eine axiale Länge, die bevorzugt mindestens die Hälfte und besonders bevorzugt mindestens zwei Drittel der axialen Länge der Hülse beträgt.
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Die Befestigungsbereiche der Hülse erstrecken sich bevorzugt umfänglich um die Achse herum. Die Befestigungsbereiche der Hülse weisen bevorzugt jeweils die Form eines Hohlzylinders auf, der auf dem bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Maschinenelement sitzt.
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Die Hülse ist in den Befestigungsbereichen bevorzugt jeweils durch eine Lötverbindung an dem Maschinenelement befestigt. Die beiden Lötverbindungen erstrecken sich bevorzugt vollumfänglich um das Maschinenelement, sodass die Hülse vollumfänglich durch die jeweilige Lötverbindung am Maschinenelement befestigt ist.
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Die beiden Lötverbindungen sind bevorzugt jeweils durch eine Laserhartlötverbindung gebildet. Die Befestigung durch Laserhartlöten ist sicher und aufwandsarm.
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Die Hülse weist in den beiden Befestigungsbereichen bevorzugt jeweils eine radial nach innen gerichtete Lötfase auf, die bevorzugt vollständig umlaufend ausgebildet ist. Die beiden Lötfasen sind bevorzugt an den beiden axialen Enden der Hülse ausgebildet. Die beiden Lötfasen sind bevorzugt an radialen Innenseiten der beiden axialen Enden der Hülse ausgebildet. Die beiden umlaufenden Lötfasen weisen bevorzugt jeweils eine Hohlkegelstumpfform auf. Die Lötfasen sind bevorzugt bei Ausführungsformen der Hülse ausgebildet, deren Wandstärke mehr als 1 mm beträgt.
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Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
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Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand der Hülse bzw. des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass dann kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.
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Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt der Hülse ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt der Hülse besteht die Hülse bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material, welches magnetisch hart oder magnetisch halbhart ist. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich besitzt bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern die Hülse als solche magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht die Hülse aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl. Hingegen muss das Maschinenelement nicht aus einem Werkstoff bestehen, welcher besondere Eigenschaften im Zusammenhang mit der auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung aufweist. Bevorzugt bestehen die Hülse und das Maschinenelement aus unterschiedlichen Werkstoffen; bevorzugt aus unterschiedlichen Stählen.
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Der mindestens eine Magnetisierungsbereich stellt einen Teil des Volumens der Hülse dar. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die Achse der Hülse und des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der Ringform bildet. Besonders bevorzugt weist der Magnetisierungsbereich die Form eines zur Achse der Hülse bzw. des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
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Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt axial innerhalb des Zwischenbereiches. Der Magnetisierungsbereich muss sich nicht bis in die Befestigungsbereiche erstrecken, sodass sich der Magnetisierungsbereich bevorzugt ausschließlich axial innerhalb des Zwischenbereiches erstreckt.
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Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt jeweils durch eine Empfängerspule oder durch ein Halbleitersensorelement gebildet. Die Empfängerspulen bzw. die Halbleitersensorelemente wandeln das empfangene magnetische Feld in ein elektrisches Signal.
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Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.
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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, der koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Maschinenelement kann auch hohl sein.
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Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Achse, durch ein Getriebeteil, durch eine Schaltgabel oder durch einen Flansch gebildet. Die Welle, die Achse, das Getriebeteil, die Schaltgabel bzw. der Flansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges, eines Differentials, eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige hohle Maschinenelementtypen gebildet sein.
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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 erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht;
- 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht;
- 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht; und
- 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht.
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht. Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Maschinenelement in Form einer Welle 01 wirkt. Die Welle 01 weist eine Achse 02 auf, in welcher sich die Welle 01 erstreckt. Auf der Welle 01 sitzt passgenau eine Hülse 03. Die Hülse 03 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den invers-magnetostriktiven Effekt aufweist.
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An den axialen Enden der Hülse 03 ist jeweils ein Befestigungsbereich 04 ausgebildet. In den beiden Befestigungsbereichen 04 ist die Hülse 03 jeweils mit einer umlaufenden Lötverbindung 06 an der Welle 01 befestigt. Die umlaufenden Lötverbindungen 06 sind an den seitlichen Stirnflächen der Hülse 03 ausgebildet. In einem Zwischenbereich 07 axial zwischen den beiden Befestigungsbereichen 04 ist die Hülse 03 nicht an der Welle 01 befestigt, sondern sitzt passgenau und drehbar auf der Welle 01. Wird die Welle 01 beispielsweise durch ein in der Achse 02 wirkendes Drehmoment verformt, so wird über die beiden Befestigungsbereiche 04 auch auf die Hülse 03 ein Drehmoment übertragen, sodass sich die Hülse 03 verformt. Im Zwischenbereich 07 ist diese Verformung nicht dadurch beschränkt, dass die Hülse 03 im Zwischenbereich 07 an der Welle 01 befestigt ist.
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Die Hülse 03 weist innerhalb des Zwischenbereiches 07 einen Permanentmagnetisierungsbereich 08 auf, in welchem die Hülse 03 permanentmagnetisiert ist. Der Permanentmagnetisierungsbereich 08 erstreckt sich vollständig umlaufend um die Achse 02, sodass er eine ringförmige Permanentmagnetisierung aufweist.
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Die Anordnung umfasst weiterhin einen Magnetfeldsensor (nicht gezeigt), der gegenüber der Hülse 03 angeordnet ist.
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Die Hülse 03 weist eine Wanddicke von höchstens 1 mm auf.
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2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht. Diese zweite Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform beträgt die Wanddicke der Hülse 03 mehr als 1 mm. Ein weiterer Unterschied besteht ermöglicht durch die größere Wanddicke darin, dass die Hülse 03 in den Befestigungsbereichen 04 an ihren axialen Enden jeweils eine umlaufende Lötfase 09 aufweist. Die Lötfasen 09 sind radial schräg nach innen gerichtet. Die Lötverbindungen 06 sind im Wesentlichen in den Lötfasen 09 ausgebildet.
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3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht. Diese dritte Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist die Hülse 03 im Zwischenbereich 07 umfänglich von der Welle 01 beabstandet, sodass zwischen dem Inneren der Hülse 03 und der Welle 01 ein umlaufende Spalt 11 ausgebildet ist. Insoweit weisen die Befestigungsbereiche 04 jeweils einen umlaufenden radial nach innen gerichteten Absatz 12 auf.
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4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittansicht. Diese vierte Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform beträgt die Wanddicke der Hülse 03 mehr als 1 mm. Ein weiterer Unterschied besteht ermöglicht durch die größere Wanddicke darin, dass die Hülse 03 in den Befestigungsbereichen 04 an ihren axialen Enden jeweils eine umlaufende Lötfase 09 aufweist. Die Lötfasen 09 sind radial schräg nach innen gerichtet. Die Lötverbindungen 06 sind im Wesentlichen in den Lötfasen 09 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Welle
- 02
- Achse
- 03
- Hülse
- 04
- Befestigungsbereich
- 05
- -
- 06
- Lötverbindung
- 07
- Zwischenbereich
- 08
- Permanentmagnetisierungsbereich
- 09
- Lötfase
- 10
- -
- 11
- Spalt
- 12
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2365927 B1 [0002]
- US 6490934 B2 [0003]
- US 8087304 B2 [0004]
- DE 102015200268 B3 [0005]
- US 6301946 B1 [0006]
- EP 0803053 B1 [0007]
- US 5465627 [0007]
