DE102018118174A1

DE102018118174A1 - Messanordnung zum Messen eines Torsionsmomentes und Maschinenelementanordnung mit dieser

Info

Publication number: DE102018118174A1
Application number: DE102018118174.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Neuschaefer-Rube
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen eines Torsionsmomentes (Mt) an einem sich in einer Achse (02) erstreckenden Maschinenelement (01) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (01) ist dazu ausgebildet, innerhalb einer Maschinenelementanordnung das Torsionsmoment (Mt) zu übertragen. Das Maschinenelement (01) wird in der Maschinenelementanordnung zudem mit einer Querkraft (F) beansprucht, die in eine Richtung senkrecht zum Torsionsmoment (Mt) wirkt. Das Maschinenelement (01) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (02) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (03) für jeweils eine Magnetisierung auf. Die Messanordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (06), welche jeweils zur einzelnen Messung eines durch die jeweilige Magnetisierung und durch das Torsionsmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Erfindungsgemäß weisen die Magnetfeldsensoren (06) eine gleiche umfängliche Position auf, die in einer Ebene, in welcher die Richtung der Querkraft (F) und die Achse (02) liegen, oder in einer Ebene, welche senkrecht zur Richtung der Querkraft (F) ausgerichtet ist und in welcher die Achse (02) liegt, angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Maschinenelementanordnung, innerhalb welcher eine Messung eines Torsionsmomentes (Mt) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen eines Torsionsmomentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Maschinenelementanordnung, innerhalb welcher eine Messung eines Torsionsmomentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes möglich ist.
Die DE 10 2011 078 819 A1 zeigt einen geteilten Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges, welcher zwischen seinen beiden Stabilisatorteilen einen Aktuator für eine Torsion der Stabilisatorteile aufweist. An mindestens einem der Stabilisatorteile ist ein magnetisch kodierter Primärsensor angeordnet. Der Primärsensor ist vorzugsweise als magnetisch kodierter Abschnitt des Stabilisatorteils ausgebildet. Ein als Magnetfeldsensor ausgeführter Sekundärsensor wandelt die Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal um.
Die US 2014/0360285 A1 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, mit welchem ein auf eine Hohlwelle wirkendes Drehmoment messbar ist. Die Hohlwelle weist drei umfänglich magnetisierte Magnetisierungsbereiche mit abwechselnden Polaritäten auf. Gegenüber den Magnetisierungsbereichen sind mindestens vier sekundäre Magnetfeldsensoren angeordnet.
Die US 6,490,934 B2 zeigt 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.
Aus der DE 10 2015 209 286 A1 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes mit mindestens zwei beabstandeten Magnetfeldsensoren bekannt. Zur Messung wird der invers-magnetostriktive Effekt genutzt. Die Anordnung umfasst ein Maschinenelement, welches mindestens einen Magnetisierungsbereich aufweist. Die Signale der einzelnen Magnetfeldsensoren werden einer Verarbeitungseinheit zugeführt.
In der DE 10 2013 219 761 B3 ist eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes beschrieben. Das Maschinenelement ist zudem einer senkrecht zur Achse ausgerichteten Querkraft und/oder einer sich senkrecht zur Achse erstreckenden örtlichen Temperaturänderung ausgesetzt.
Die US 8,893,562 B2 zeigt ein System zur Erfassung eines magnetischen Rauschens bei einem magnetoelastischen Drehmomentsensor. Es wird eine Sensoranordnung mit zwei gegenläufig umlaufenden Magnetspuren, also gegensätzlich polarisierten Magnetisierungen, und mehreren Magnetfeldsensoren gezeigt, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor je Spur angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine aufwandsarm herzustellende Messanordnung für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung eines Torsionsmomentes bereitzustellen. Weiterhin ist eine entsprechende Maschinenelementanordnung bereitzustellen.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Messanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Maschinenelementanordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 gelöst.
Die erfindungsgemäße Messanordnung dient zum Messen eines Torsionsmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Torsionsmoment wirkt auf das Maschinenelement der Messanordnung, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Torsionsmoment liegt in der Achse. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die nachfolgend angegebenen Richtungen, nämlich eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung sind auf die genannte Achse bezogen. Die Messanordnung umfasst das Maschinenelement.
Das Maschinenelement ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment innerhalb einer Maschinenelementanordnung zu übertragen. Die Maschinenelementanordnung umfasst weitere Maschinenelemente, mit denen das zuvor beschriebene Maschinenelement in einem Drehmomentfluss zur Übertragung des genannten Torsionsmomentes steht. Das Maschinenelement wird innerhalb der Maschinenelementanordnung zudem mit einer Querkraft beansprucht. Die Querkraft wirkt senkrecht zum Torsionsmoment. Die Richtung der Querkraft ist bevorzugt unveränderlich. Bevorzugt wirkt die Querkraft als einzige Kraft senkrecht zum Torsionsmoment, was durch eine besondere Ausbildung des Maschinenelementes und der weiteren Maschinenelemente der Maschinenelementanordnung bedingt ist. Hierfür wirkt innerhalb der Maschinenelementanordnung ein Drehmoment bevorzugt über einen Hebelarm auf die Achse, sodass das Drehmoment als das Torsionsmoment und als die Querkraft auf das Maschinenelement wirkt. Bevorzugt wirken alle auf das Maschinenelement wirkenden Kräfte und Momente ausschließlich als das Torsionsmoment und als die einzige Querkraft auf das Maschinenelement. Der Betrag des Torsionsmomentes und der Betrag der Querkraft sind bevorzugt zueinander proportional.
Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens zwei die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche, d. h. um zirkuläre Magnetisierungsbereiche, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil der Magnetisierungsbereiche bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt jeweils entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt sind die Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung des Torsionsmomentes.
Das Maschinenelement weist bevorzugt weiterhin magnetisch neutrale Bereiche auf, die jeweils axial zwischen den Magnetisierungsbereichen und/oder axial neben den Magnetisierungsbereichen des Maschinenelementes angeordnet sind. Der eine bzw. die mehreren magnetisch neutralen Bereiche zwischen den Magnetisierungsbereichen können sich bereits jeweils dadurch ergeben, dass sich die Magnetisierungen der jeweils benachbarten entgegengesetzt polarisierten Magnetisierungsbereiche in einem kurzen axialen Abschnitt aufheben. Das Maschinenelement besitzt bevorzugt mindestens einen der magnetisch neutralen Bereiche. Die magnetisch neutralen Bereiche weisen weder eine Permanentmagnetisierung auf, noch ist die Messanordnung dazu ausgebildet, die magnetisch neutralen Bereiche temporär zu magnetisieren. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt nicht magnetisiert. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt jeweils in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet.
Die Messanordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Torsionsmomentes bilden. Die Primärsensoren, d. h. die Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung des zu messenden Torsionsmomentes und der Querkraft in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung eines durch die jeweilige Magnetisierung sowie durch das Torsionsmoment und gegebenenfalls die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung einer axial ausgerichteten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch das Torsionsmoment und gegebenenfalls die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Messanordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine gleiche axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche auf, wodurch sich eine Zuordnung der einzelnen Magnetfeldsensoren zu den Magnetisierungsbereichen ergibt. Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind jeweils einem der mindestens zwei Magnetisierungsbereiche zugeordnet.
Erfindungsgemäß weisen die Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche bzw. gleiche tangentiale Position auf. Bevorzugt liegen die Magnetfeldsensoren auf einer Geraden, die parallel zur Achse ausgerichtet ist. Diese umfängliche Position ist in einer Ebene angeordnet, in welcher die Richtung der Querkraft und die Achse liegen. Alternativ ist diese umfängliche Position in einer Ebene angeordnet, welche senkrecht zur Richtung der Querkraft ausgerichtet ist und in welcher die Achse liegt, was bevorzugt voraussetzt, dass der Betrag des Torsionsmomentes und der Betrag der Querkraft zueinander proportional sind. Demnach liegen die Magnetfeldsensoren in einer die Achse umfassenden Ebene, die zu einer in Richtung der Querkraft ausgerichteten Geraden, welche die Achse schneidet, einen Winkel aufweist, welcher 0°, 90°, 180° oder 270° beträgt. Eine geringfügige Abweichung der Anordnung der Magnetfeldsensoren in den beschriebenen Ebenen bzw. der angeführten Winkelangaben führt nicht dazu, dass die erfindungsgemäße Wirkung nicht eintritt. Aufgrund einer kosinusartigen Abhängigkeit sind Abweichungen von einigen Grad möglich. Die Richtung der Querkraft ist bevorzugt konstant, sodass sie sich nicht ändert.
Die Querkraft bewirkt eine Schubspannung im Maschinenelement, wobei die Schubspannung umfänglich unterschiedliche Werte aufweist. Der Betrag der Schubspannung ist maximal, wenn der oben beschriebene Winkel 90° oder 270° beträgt. Beträgt der Winkel 90°, so addieren sich bevorzugt die durch das Torsionsmoment bewirkte Magnetfeldkomponente und die durch die Querkraft bewirkte Magnetfeldkomponente. Beträgt der Winkel 270°, so ergibt sich bevorzugt die Differenz der durch das Torsionsmoment bewirkten Magnetfeldkomponente und der durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldkomponente. Die Schubspannung infolge der Querkraft ist Null, wenn der oben beschriebene Winkel 0° oder 180° beträgt. Die erfindungsgemäße Messanordnung weist also den Vorteil auf, dass durch die besondere Anordnung der Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Querkraft keine Magnetfeldsensoren an weiteren umfänglichen Positionen erforderlich sind, um den Einfluss der Querkraft auf die Bestimmung des Torsionsmomentes eliminieren zu können. Insoweit ist die erfindungsgemäße Messanordnung einfacher ausgebildet und kann aufwandsärmer hergestellt werden.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf, sodass sie auch eine gleiche radiale Position besitzen.
Die zwei Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Insbesondere weisen die Magnetisierungen der beiden Magnetisierungsbereiche jeweils unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen bevorzugt jeweils benachbarte der Magnetisierungsbereiche unterschiedliche Polaritäten auf. Die Magnetisierungsbereiche sind abgesehen von deren Polarität bevorzugt gleich ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf.
Die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierungen grundsätzlich temporär sind. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von dem Torsionsmoment und der Querkraft unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des jeweiligen Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des jeweiligen Magnetisierungsbereiches abgesehen von einem möglichen Störfeld messbar ist.
Die mindestens zwei permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils in einem magnetoelastisch ausgebildeten axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl.
Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Maschinenelement mindestens drei der Magnetisierungsbereiche auf und die Messanordnung weist mindestens drei der Magnetfeldsensoren auf, wobei jedem der Magnetisierungsbereiche einer der Magnetfeldsensoren zugeordnet ist. Weiterhin bevorzugt ist ein vierter der Magnetfeldsensoren an einem der Magnetfeldsensoren angeordnet, sodass er die gleiche axiale Position wie der zugeordnete Magnetisierungsbereich aufweist. Der vierte Magnetfeldsensor ist unmittelbar neben oder hinter dem jeweiligen Magnetfeldsensor angeordnet. Durch den vierten Magnetfeldsensor kann erkannt werden, ob der ebenfalls dort befindliche Magnetfeldsensor fehlerhaft ist. Die unmittelbar neben- oder hintereinander angeordneten Magnetfeldsensoren sind dem Magnetfeld in einem gleichen Maße ausgesetzt, sodass sie hinsichtlich der auszuführenden Messung so angesehen werden können, dass sie dieselbe Position besitzen. Der vierte Magnetfeldsensor ist bevorzugt an dem axial mittleren der Magnetfeldsensoren angeordnet.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren liegen bevorzugt gemeinsam auf einer zur Achse parallelen Gerade. Mindestens zwei der eine gleiche umfängliche bzw. gleiche tangentiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind axial benachbart und weisen bevorzugt jeweils eine gleiche axiale Position wie axial benachbarte der Magnetisierungsbereiche auf. Es können auch zwei eine gleiche tangentiale bzw. gleiche umfängliche Position aufweisende Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position wie nur einer der Magnetisierungsbereiche aufweisen, wobei diese Magnetfeldsensoren bevorzugt unmittelbar hinter- oder nebeneinander angeordnet sind und hinsichtlich der auszuführenden Messung so angesehen werden können, dass sie dieselbe Position aufweisen.
Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf.
Bevorzugt umfasst die Messanordnung neben den regulären Magnetfeldsensoren weiterhin mindestens einen Fehlererfassungsmagnetfeldsensor, der an einer axialen Position eines der magnetisch neutralen Bereiche angeordnet ist. Bevorzugt weist der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor die gleiche umfängliche Position wie die regulären Magnetfeldsensoren auf. Der Fehlererfassungsmagnetfeldsensor erlaubt eine redundante Messung und dient daher der Detektion bzw. Bestimmung von Messfehlern. Besonders bevorzugt dient der Fehlererfassungsmagnetfeldsensor der Erfassung von Störfeldern, sodass diese für die Auswertung der Messsignale der regulären Magnetfeldsensoren berücksichtigt werden können. Weiterhin bevorzugt dient der Fehlererfassungsmagnetfeldsensor der Erkennung von fehlerhaften Messwerten der regulären Magnetfeldsensoren, um auf Störfelder und/oder einen Defekt des jeweiligen Magnetfeldsensors schließen zu können. Bei Verwendung eines Fehlererfassungsmagnetfeldsensors in der Messanordnung besteht eine Redundanz, sodass Störfeldeinflüsse rechnerisch ermittelt und eliminiert werden können. Die störfeldbereinigten Messwerte der regulären Magnetfeldsensoren werden bevorzugt verglichen, wobei bei einer Differenz zwischen diesen störfeldbereinigten Messwerten außerhalb eines Toleranzbereiches auf einen Fehler einer der regulären Magnetfeldsensoren geschlossen wird.
Besonders bevorzugt weist die Messanordnung mindestens zwei der Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren auf. Mit zwei oder mehr der Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren können fehlerhafte Messwerte auch bei linear veränderlichen, axialen Störfeldern erkannt und korrigiert werden. Bei linear veränderlichen axialen Störfeldern sind vorzugsweise zwei der Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren jeweils an einem von zwei axial benachbarten magnetisch neutralen Bereichen angeordnet.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor den gleichen Abstand zu der Achse wie die regulären Magnetfeldsensoren auf.
Der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor ist bevorzugt mittig zwischen zwei benachbarten der Magnetfeldsensoren angeordnet.
Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform weist die Messanordnung den vierten regulären Magnetfeldsensor sowie den mindestens einen Fehlererfassungsmagnetfeldsensor auf, wodurch diverse Fehlererkennungen und Fehlerkorrekturen möglich sind.
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. 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 ist bevorzugt hohl. Die Magnetfeldsensoren können in dem hohlen Prisma bzw. Zylinder oder außerhalb des Prismas bzw. Zylinders angeordnet sein. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden hohlen Kreiszylinders auf, wobei der hohle Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch oder durch einen Hohlflansch gebildet.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Komponente eines aktiven elektromechanischen Wankstabilisators eines Kraftfahrzeuges gebildet. Bei dieser Komponente handelt es sich bevorzugt um einen Hohlflansch. Der im Kraftfahrzeug verbaute Wankstabilisator ist an seinen beiden axialen Enden mit jeweils einem Radträger gelenkig verbunden. Somit bildet das Kraftfahrzeug die Maschinenelementanordnung, welche dazu ausgebildet ist, die Querkraft und das Torsionsmoment auf das durch die Komponente des Wankstabilisators gebildete Maschinenelement zu übertragen.
Das Maschinenelement ist alternativ bevorzugt durch eine Welle oder durch eine Hülse eines Sensortretlagers eines Elektrofahrrades gebildet. Somit bildet das Elektrofahrrad die Maschinenelementanordnung, welche dazu ausgebildet ist, die Querkraft und das Torsionsmoment auf das durch die Welle bzw. durch die Hülse des Sensortretlagers gebildete Maschinenelement zu übertragen. Die Welle kann hohl sein.
Das Maschinenelement ist alternativ bevorzugt durch eine Welle eines Düngemittelstreuers gebildet. Somit bildet der Düngemittelstreuer die Maschinenelementanordnung, welche dazu ausgebildet ist, die Querkraft und das Torsionsmoment auf das durch die Welle des Düngemittelstreuers gebildete Maschinenelement zu übertragen. Die Welle kann hohl sein.
Das Maschinenelement ist alternativ bevorzugt durch eine Welle eines Getriebemoduls für ein Kraftfahrzeug gebildet. Somit bildet das Getriebemodul die Maschinenelementanordnung, welche dazu ausgebildet ist, die Querkraft und das Torsionsmoment auf das durch die Welle des Getriebemoduls gebildete Maschinenelement zu übertragen. Die Welle kann hohl sein.
Das Maschinenelement kann aber auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen in entsprechenden Maschinenelementanordnungen gebildet sein.
Die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung umfasst die zuvor beschriebene Messanordnung. Die Maschinenelementanordnung ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment und die Querkraft auf das Maschinenelement zu übertragen. Die Maschinenelementanordnung ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Querkraft als einzige Kraft senkrecht zum Torsionsmoment auf das Maschinenelement zu übertragen. Die Maschinenelementanordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung. Im Übrigen weist die Maschinenelementanordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messanordnung angegeben sind.
Die Maschinenelementanordnung ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug ausgebildet bzw. durch ein Kraftfahrzeug gebildet. Das Kraftfahrzeug umfasst einen aktiven elektromechanischen Wankstabilisator. Das Maschinenelement ist durch eine Komponente des Wankstabilisators, insbesondere durch einen Hohlflansch des Wankstabilisators gebildet. Das Kraftfahrzeug mit dem Wankstabilisator ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment sowie die Querkraft auf die Komponente des Wankstabilisators zu übertragen. Dies ergibt sich aus dem Aufbau des Wankstabilisators mit Hebelarmen an beiden Enden und deren Aufhängung an Radträgern des Kraftfahrzeuges.
Die Maschinenelementanordnung ist alternativ bevorzugt in einem Elektrofahrrad ausgebildet bzw. durch ein Elektrofahrrad gebildet. Das Elektrofahrrad umfasst ein Sensortretlager. Das Maschinenelement ist durch eine Welle oder durch eine Hülse des Sensortretlagers gebildet. Das Elektrofahrrad mit dem Sensortretlager ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment und die Querkraft auf die Welle bzw. auf die Hülse des Sensortretlagers zu übertragen.
Die Maschinenelementanordnung ist alternativ bevorzugt in einem Düngemittelstreuer ausgebildet bzw. durch einen Düngemittelstreuer gebildet. Das Maschinenelement ist durch eine Welle des Düngemittelstreuers gebildet. Der Düngemittelstreuer ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment und die Querkraft auf die Welle zu übertragen.
Die Maschinenelementanordnung ist alternativ bevorzugt durch ein Getriebemodul eines Kraftfahrzeuges gebildet. Das Maschinenelement ist durch eine Welle des Getriebemoduls gebildet. Das Getriebemodul ist dazu ausgebildet, das Torsionsmoment und die Querkraft auf die Welle zu übertragen.
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 Messanordnung in zwei Ansichten;
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten;
3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten; und
4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten;
5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten;
6 eine sechste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten;
7 eine siebente bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten; und
8 eine achte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in zwei Ansichten.

1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Die Messanordnung umfasst ein Maschinenelement aus einem Stahl in Form eines Hohlflansches 01, welcher sich in einer Achse 02 erstreckt. Auf den Hohlflansch 01 wirkt ein Torsionsmoment Mt, welches mit der erfindungsgemäßen Messanordnung gemessen werden kann. Weiterhin wirkt auf den Hohlflansch 01 eine Querkraft F_Q , welche senkrecht zur Achse 02 ausgerichtet ist.
Der Hohlflansch 01 weist zwei Magnetisierungsbereiche 03 in Form von umlaufenden Spuren auf. Die beiden Magnetisierungsbereiche 03 sind permanentmagnetisiert und entgegengesetzt gepolt, was jeweils durch einen den Umlaufsinn veranschaulichenden Pfeil 04 dargestellt ist. Die beiden Magnetisierungsbereiche 03 bilden einen Primärsensor für die Messung des Torsionsmomentes Mt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.
Die Anordnung umfasst weiterhin zwei Magnetfeldsensoren 06, die sich im Inneren des Hohlflansches 01 befinden. Die zwei Magnetfeldsensoren 06 weisen einen gleichen Abstand zur Achse 02 sowie eine gleiche umfängliche Position auf.
Die zwei Magnetfeldsensoren 06 dienen jeweils zur Messung einer axialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung der Magnetisierungsbereiche 03 und durch das Torsionsmoment Mt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes. Eine Magnetfeldrichtung dieses Magnetfeldes ist jeweils an den Positionen der Magnetfeldsensoren 06 durch einen die jeweilige Magnetfeldrichtung veranschaulichenden Pfeil 07 dargestellt.
Die beiden Magnetfeldsensoren 06 weisen jeweils eine gleiche axiale Position wie einer der beiden Magnetisierungsbereiche 03 auf. Jeweils ein Magnetfeldsensor 06 ist demnach einem der zwei Magnetisierungsbereiche 03 zugeordnet.
Die zwei Magnetfeldsensoren 06 weisen eine gleiche umfängliche Position auf, die in einer Ebene liegt, in welcher die Richtung der Querkraft F_Q und die Achse 02 liegen. Die Magnetfeldsensoren 06 liegen jeweils an einer Position, die in Bezug auf die Achse 02 gegenüber einer die Achse 02 schneidenden Gerade, die entlang der Richtung der Querkraft F_Q verläuft, einen Winkel aufweist, welcher 0° beträgt. An dieser umfänglichen Position der Magnetfeldsensoren 06 ist ein Einfluss durch die Querkraft F_Q gleich Null. Dieser Effekt tritt ebenfalls auf, wenn dieser Winkel 180° beträgt.
Weiterhin weist der Hohlflansch 01 magnetisch neutrale axiale Abschnitte 08 auf, die axial zwischen den benachbarten Magnetisierungsbereichen 03 sowie in axialer Richtung vor und hinter den Magnetisierungsbereichen 03 ausgebildet sind. Des Weiteren weist die Messanordnung mindestens einen Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09 auf, der eine gleiche axiale Position wie einer der magnetisch neutralen Abschnitte 08 aufweist, wobei der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09 an drei möglichen Positionen 11, 12, 13 dargestellt ist. Der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09 weist umfänglich die gleiche axiale Position wie die Magnetfeldsensoren 06 auf und dient der Ermittlung von Messfehlern oder eines Ausfalls eines der Magnetfeldsensoren 06. Der mindestens eine Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09 ist an einer der drei gezeigten Positionen 11, 12, 13 angeordnet, wodurch ein axiales Störfeld ermittelbar ist und fehlerhafte Messwerte bei einem konstanten axialen Störfeld erkannt werden können. Die Messanordnung weist alternativ bevorzugt mindestens zwei der Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren 09 auf, die an zweien der Positionen 11, 12, 13 angeordnet sind, um ein linear veränderliches axiales Störfeld erfassen zu können.
Das Maschinenelement kann auch ohne Hohlraum ausgeführt werden; beispielsweise als eine Vollwelle oder als ein Vollflansch. Die Magnetfeldsensoren 06 sind entsprechend gegenüber einer Außenfläche des Maschinenelementes an den beschriebenen axialen und umfänglichen Positionen anzuordnen. Selbstveränderlich können auch trotz eines Hohlraumes im Maschinenelement die Magnetfeldsensoren gegenüber einer Außenfläche des Maschinenelementes angeordnet sein.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensoren 06 an einer gleichen umfänglichen Position in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Richtung der Querkraft F_Q ausgerichtet ist und in welcher die Achse 02 liegt. Die Magnetfeldsensoren 06 liegen jeweils an einer Position, die in Bezug auf die Achse 02 gegenüber einer die Achse 02 schneidenden Gerade, die entlang der Richtung der Querkraft F_Q verläuft, einen Winkel aufweist, welcher 90° beträgt. An dieser umfänglichen Position der Magnetfeldsensoren 06 ist ein Einfluss durch die Querkraft F_Q maximal.
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform weist der Hohlflansch 01 drei der Magnetisierungsbereiche 03 auf, die abwechselnd gepolt sind. Die Messanordnung umfasst drei der Magnetfeldsensoren 06, die jeweils an einer axialen Position einer der drei Magnetisierungsbereiche angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren 06 weisen eine gleiche umfängliche Position auf. Abweichend zu der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Messanordnung einen weiteren der Magnetfeldsensoren 06, der an dem dem axial mittleren Magnetisierungsbereich 03 zugeordneten Magnetfeldsensor 06 angeordnet ist. Die Messanordnung umfasst weiterhin den mindestens einen Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09, der an einer der vier gezeigten Positionen 11, 12, 13, 14 angeordnet ist.
4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform weist der Hohlflansch 01 drei der Magnetisierungsbereiche 03 auf, die abwechselnd gepolt sind. Die Messanordnung umfasst drei der Magnetfeldsensoren 06, die jeweils an einer axialen Position einer der drei Magnetisierungsbereiche angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren 06 weisen eine gleiche umfängliche Position auf. Abweichend zu der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Messanordnung einen weiteren der Magnetfeldsensoren 06, der an dem dem axial mittleren Magnetisierungsbereich 03 zugeordneten Magnetfeldsensor 06 angeordnet ist. Die Messanordnung umfasst weiterhin den Fehlererfassungsmagnetfeldsensor 09, der an einer der vier gezeigten Positionen 11, 12, 13, 14 angeordnet ist.
5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist das Maschinenelement 01 nicht hohl, sondern ist durch einen Vollflansch gebildet. Die Magnetfeldsensoren 06 und die Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren 09 weisen entsprechend eine abweichende radiale Position auf, die außerhalb des Vollflansches 01 liegt.
6 zeigt eine sechste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist das Maschinenelement 01 nicht hohl, sondern ist durch einen Vollflansch gebildet. Die Magnetfeldsensoren 06 und die Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren 09 weisen entsprechend eine abweichende radiale Position auf, die außerhalb des Vollflansches 01 liegt.
7 zeigt eine siebente bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform ist das Maschinenelement 01 nicht hohl, sondern ist durch einen Vollflansch gebildet. Die Magnetfeldsensoren 06 und die Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren 09 weisen entsprechend eine abweichende radiale Position auf, die außerhalb des Vollflansches 01 liegt.
8 zeigt eine achte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 4 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform ist das Maschinenelement 01 nicht hohl, sondern ist durch einen Vollflansch gebildet. Die Magnetfeldsensoren 06 und die Fehlererfassungsmagnetfeldsensoren 09 weisen entsprechend eine abweichende radiale Position auf, die außerhalb des Vollflansches 01 liegt.
Bezugszeichenliste

01: Hohlflansch/Vollflansch
02: Achse
03: Magnetisierungsbereich
04: Pfeil (Umlaufsinn)
05: -
06: Magnetfeldsensor
07: Pfeil (Magnetfeldrichtung)
08: magnetisch neutraler Abschnitt
09: Fehlererfassungsmagnetfeldsensor
10: -
11: mögliche Position des Fehlererfassungsmagnetfeldsensors
12: mögliche Position des Fehlererfassungsmagnetfeldsensors
13: mögliche Position des Fehlererfassungsmagnetfeldsensors
14: mögliche Position des Fehlererfassungsmagnetfeldsensors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011078819 A1 [0002]
US 2014/0360285 A1 [0003]
US 6490934 B2 [0004]
DE 102015209286 A1 [0005]
DE 102013219761 B3 [0006]
US 8893562 B2 [0007]

Claims

Messanordnung zum Messen eines Torsionsmomentes (Mt) an einem sich in einer Achse (02) erstreckenden Maschinenelement (01), welches dazu ausgebildet ist, innerhalb einer Maschinenelementanordnung das Torsionsmoment (Mt) zu übertragen; wobei das Maschinenelement (01) in der Maschinenelementanordnung zudem mit einer Querkraft (F_Q) beansprucht wird, die in eine Richtung senkrecht zum Torsionsmoment (Mt) wirkt; wobei das Maschinenelement (01) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (02) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (03) für jeweils eine Magnetisierung aufweist; und wobei die Messanordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (06) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung eines durch die jeweilige Magnetisierung und durch das Torsionsmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (06) eine gleiche umfängliche Position aufweisen, die in einer Ebene, in welcher die Richtung der Querkraft (F_Q) und die Achse (02) liegen, oder in einer Ebene, welche senkrecht zur Richtung der Querkraft (F_Q) ausgerichtet ist und in welcher die Achse (02) liegt, angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (06) jeweils eine gleiche axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche (03) aufweisen.
Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) drei der sich umfänglich um die Achse (02) herum erstreckenden Magnetisierungsbereiche (03) aufweist, wobei jeweils einer der Magnetfeldsensoren (06) eine gleiche axiale Position wie einer der drei Magnetisierungsbereiche (03) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin mindestens einen vierten der Magnetfeldsensoren (06) umfasst, der an einem anderen der Magnetfeldsensoren (06) angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) weiterhin magnetisch neutrale Bereiche (08) aufweist, die jeweils axial zwischen den Magnetisierungsbereichen (03) oder axial neben den Magnetisierungsbereichen (03) angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin mindestens einen Fehlererfassungsmagnetfeldsensor (09) umfasst, der an einer axialen Position eines der magnetisch neutralen Bereiche (08) angeordnet ist und die gleiche umfängliche Position wie die Magnetfeldsensoren (06) aufweist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche (03) entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsbereiche (03) permanent magnetisiert sind, sodass die Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind.
Maschinenelementanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei die Maschinenelementanordnung dazu ausgebildet ist, das Torsionsmoment (Mt) und die Querkraft (F_Q) auf das Maschinenelement (01) zu übertragen.
Maschinenelementanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Kraftfahrzeug gebildet ist, welches einen elektromechanischen Wankstabilisator umfasst, wobei das Maschinenelement (01) durch eine Komponente des Wankstabilisators gebildet ist, und wobei das Kraftfahrzeug dazu ausgebildet ist, das Torsionsmoment (Mt) und die Querkraft (F_Q) auf die Komponente des Wankstabilisators zu übertragen.