DE102018118175A1

DE102018118175A1 - Verfahren zum Messen eines Torsionsmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement

Info

Publication number: DE102018118175A1
Application number: DE102018118175.2A
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
Also published as: WO2020020406A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Torsionsmomentes (Mt) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Torsionsmoment (Mt) wirkt auf ein sich in einer Achse (02) erstreckendes Maschinenelement (01), welches dazu ausgebildet ist, innerhalb einer Maschinenelementanordnung das Torsionsmoment (Mt) zu übertragen. Das Maschinenelement (01) wird zudem mit einer Querkraft (F) beansprucht, die in eine Richtung senkrecht zum Torsionsmoment (Mt) wirkt. Ein Betrag des Torsionsmomentes (Mt) und ein Betrag der Querkraft (F) sind proportional zueinander. Das Maschinenelement (01) weist mindestens einen sich umfänglich um die Achse (02) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (03) für eine Magnetisierung auf. Zur Messung wird weiterhin mindestens ein Magnetfeldsensor (06) verwendet, welcher zur einzelnen Messung eines durch die Magnetisierung und durch das Torsionsmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. In einem Schritt des Verfahrens wird ein Offsetfehler des Magnetfeldsensors (06) bestimmt. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Kompensieren des Offsetfehlers in einem Messsignal des Magnetfeldsensors (06).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Torsionsmomentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Torsionsmoment wirkt auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement, welches zudem mit einer Querkraft beansprucht wird, die in eine Richtung senkrecht zum Torsionsmoment wirkt.
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 auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung eines Torsionsmomentes aufwandsärmer vornehmen zu können.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen eines Torsionsmomentes. Das Torsionsmoment als eine vektorielle Größe ist durch eine Richtung und durch einen Betrag gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zum Messen des Betrages des Torsionsmomentes. Das Torsionsmoment wirkt auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement. Das Torsionsmoment wirkt auf das Maschinenelement, 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.
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 als eine vektorielle Größe ist durch eine Richtung und durch einen Betrag gekennzeichnet. 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. Bevorzugt wirken alle auf das Maschinenelement wirkenden Kräfte und Momente ausschließlich als das Torsionsmoment und als die einzige Querkraft auf das Maschinenelement.
Das Maschinenelement wird derart beansprucht, dass ein Betrag des Torsionsmomentes und ein Betrag der Querkraft grundsätzlich zueinander proportional sind. Dies ist wiederum durch die besondere Ausbildung des Maschinenelementes und der weiteren Maschinenelemente der Maschinenelementanordnung bedingt. Das Torsionsmoment ist bevorzugt ein Kreuzprodukt aus einem einen Hebelarm repräsentierenden Vektor und der Querkraft.
Das Maschinenelement weist mindestens einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. um einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des Magnetisierungsbereiches bildet. Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt jeweils entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Die mehreren Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt ist der eine Magnetisierungsbereich bzw. sind die mehreren Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung des Torsionsmomentes.
Das Maschinenelement weist bevorzugt weiterhin magnetisch neutrale Bereiche auf, die jeweils axial zwischen den mehreren Magnetisierungsbereichen und/oder axial neben dem Magnetisierungsbereich bzw. 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 werden diese temporär magnetisiert. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt nicht magnetisiert. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt jeweils in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Magnetfeldsensor verwendet, welcher einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Torsionsmomentes bildet. Der eine Primärsensor bzw. die mehreren Primärsensoren, d. h. der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung des zu messenden Torsionsmomentes und der Querkraft in ein entsprechendes Magnetfeld, während der eine Sekundärsensor bzw. die mehreren Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung eines durch die jeweilige Magnetisierung sowie durch das Torsionsmoment und die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung einer axial ausgerichteten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch das Torsionsmoment und die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die erfindungsgemäße Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren 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 bevorzugt mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils einem der bevorzugt mindestens zwei Magnetisierungsbereiche zugeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst Schritte zum Kalibrieren, um mit dem mindestens einen Magnetfeldsensor und dem Magnetisierungsbereich das Torsionsmoment korrekt messen zu können. Insoweit stellt das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messanordnung dar, welche das Maschinenelement mit dem mindestens einen Magnetisierungsbereich und den mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst. Dieses Kalibrieren dient insbesondere dazu, dass eine gewählte umfängliche Position des mindestens einen Magnetfeldsensors sich nicht auf das Ergebnis der Messung des Torsionsmomentes auswirkt, wofür der Einfluss der Querkraft zu berücksichtigen ist. Der mindestens eine Magnetfeldsensor weist eine umfängliche Position auf, die zu einer in Richtung der Querkraft ausgerichteten Geraden, welche die Achse schneidet, in Bezug auf die Achse einen Mittelpunktswinkel aufweist. Durch das erfindungsgemäße Kalibrieren ist das Ergebnis der Messung des Torsionsmomentes unabhängig von der Größe dieses Mittelpunktswinkels. Entsprechend kann dieser Mittelpunktswinkel beliebig gewählt werden.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein Offsetfehler des mindestens einen Magnetfeldsensors bestimmt, bevor das Maschinenelement mit dem bestimmungsgemäß zu messenden Torsionsmoment beansprucht wird. Dieser Offsetfehler resultiert aus Imperfektionen der Messanordnung und Störfeldern. Das Bestimmen des Offsetfehlers stellt ein Kalibrieren dar. Bevorzugt wird zum Bestimmen des Offsetfehlers das Maschinenelement mit dem Torsionsmoment und der Querkraft beansprucht, wobei das Torsionsmoment einen bekannten Betrag aufweist. Währenddessen wird das Messsignal des Magnetfeldsensors erfasst. Der Betrag des Torsionsmomentes wird verändert, sodass sich das Messsignal verändert. Ein konstanter Anteil des sich ändernden Messsignals stellt den Offsetfehler dar. Entsprechend wird der Offsetfehler aus dem sich ändernden Messsignal bestimmt. In diesem Schritt des Verfahrens wird bevorzugt auch eine Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors bestimmt.
Der Betrag des Torsionsmomentes ist bevorzugt dadurch bekannt, dass das Torsionsmoment mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Referenztorsionsmomentes erzeugt wird. Der Betrag des Torsionsmomentes ist alternativ bevorzugt dadurch bekannt, dass es mit einer Referenzmesseinrichtung gemessen wird.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens erfolgt, während das Maschinenelement durch das bestimmungsgemäß zu messende Torsionsmoment beansprucht wird. In diesem Schritt wird der Offsetfehler in dem Messsignal des mindestens einen Magnetfeldsensors kompensiert, sodass der Offsetfehler sich nicht auf das Ergebnis der Messung auswirkt. Das Messsignal des mindestens einen Magnetfeldsensors, in welchem der Offsetfehler kompensiert wurde, ist proportional zu dem zu messenden Torsionsmoment, da das Torsionsmoment und die Querkraft betragsmäßig proportional sind.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es eine aufwandsarme Messung des Torsionsmomentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes erlaubt, ohne dass der mindestens eine Magnetfeldsensor wegen der zudem auftretenden Querkraft an einer bestimmten umfänglichen Position angeordnet sein muss.
Die umfängliche Position des mindestens einen Magnetfeldsensors liegt bevorzugt in einer Ebene, in welcher die Richtung der Querkraft und die Achse liegen. Alternativ bevorzugt liegt diese umfängliche Position in einer Ebene, welche senkrecht zur Richtung der Querkraft ausgerichtet ist und in welcher die Achse liegt. Demnach beträgt der beschriebene Mittelpunktswinkel bevorzugt 0°, 90°, 180° oder 270°. Eine geringfügige Abweichung der Anordnung der Magnetfeldsensoren in den beschriebenen Ebenen bzw. der angeführten Winkelangaben ist dabei tolerierbar.
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.
Alternativ bevorzugt liegt die umfängliche Position des mindestens einen Magnetfeldsensors weder in einer Ebene, in welcher die Richtung der Querkraft und die Achse liegen, noch in einer Ebene, welche senkrecht zur Richtung der Querkraft ausgerichtet ist und in welcher die Achse liegt.
Bevorzugt wird zur Messung der einzige Magnetfeldsensor verwendet, insbesondere wenn das den Offsetfehler bewirkende Störfeld konstant ist. Entsprechend weist die Messanordnung den einzigen Magnetfeldsensor auf und das Maschinenelement weist den einzigen Magnetisierungsbereich auf.
Alternativ bevorzugt werden zur Messung mindestens drei der Magnetfeldsensoren verwendet, insbesondere wenn das den Offsetfehler bewirkende Störfeld nicht konstant ist. Entsprechend weist das Maschinenelement bevorzugt mindestens zwei der Magnetisierungsbereiche auf. Die mehreren Magnetfeldsensoren weisen besonders bevorzugt eine gleiche umfängliche bzw. gleiche tangentiale Position auf. Bevorzugt liegen die Magnetfeldsensoren auf einer Geraden, die parallel zur Achse ausgerichtet ist. Bevorzugt weisen sämtliche der verwendeten Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche bzw. gleiche tangentiale Position auf. Entsprechend weisen alle in der Messanordnung vorhandenen Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche bzw. gleiche tangentiale Position auf.
Die bevorzugt mindestens zwei Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf, sodass sie auch eine gleiche radiale Position besitzen.
Die bevorzugt mindestens zwei Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Insbesondere weisen die Magnetisierungen der mindestens zwei 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.
Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf.
Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen dient mindestens ein Magnet zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche, sodass die Magnetisierungen grundsätzlich temporär sind. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Der eine permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren 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.
Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren 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.
Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Der eine Magnetisierungsbereich bzw. die mehreren 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.
Die bevorzugt 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.
Der eine Magnetfeldsensor bzw. die mehreren 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.
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 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 Messanordnung, die gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist; und
2 eine abgewandelte Messanordnung, die gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist.

1 zeigt in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht eine Messanordnung, die gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist. 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 erfindungsgemäß gemessen wird. Weiterhin wirkt auf den Hohlflansch 01 eine Querkraft F_Q , welche senkrecht zur Achse 02 ausgerichtet ist und betragsmäßig proportional zum Torsionsmoment Mt 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 umfängliche Position auf, die erfindungsgemäß willkürlich in Bezug auf die Richtung der Querkraft F_Q ausgewählt werden kann. Hierfür ist erfindungsgemäß vorab ein Offsetfehler der Magnetfeldsensoren 06 zu bestimmen und bei der Messung des Torsionsmomentes Mt ist der Offsetfehler in den Messsignalen der Magnetfeldsensoren 06 zu berücksichtigen.
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.
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.
2 zeigt in einer Querschnittsansicht eine abgewandelte Messanordnung, die gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist. Diese Messanordnung gleicht zunächst der in 1 gezeigten Messanordnung. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Messanordnung ist das Maschinenelement 01 nicht hohl, sondern ist durch einen Vollflansch gebildet. Die Magnetfeldsensoren 06 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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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

Verfahren zum Messen eines Torsionsmomentes (Mt), welches auf ein sich in einer Achse (02) erstreckendes Maschinenelement (01) wirkt, 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 ein Betrag des Torsionsmomentes (Mt) und ein Betrag der Querkraft (F_Q) proportional zueinander sind; wobei das Maschinenelement (01) mindestens einen sich umfänglich um die Achse (02) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (03) für eine Magnetisierung aufweist; wobei zur Messung weiterhin mindestens ein Magnetfeldsensor (06) verwendet wird, welcher zur einzelnen Messung eines durch die Magnetisierung und durch das Torsionsmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bestimmen eines Offsetfehlers des Magnetfeldsensors (06), und - Kompensieren des Offsetfehlers in einem Messsignal des Magnetfeldsensors (06).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Offsetfehlers des Magnetfeldsensors (06) das Maschinenelement (01) mit dem einen bekannten Betrag aufweisenden Torsionsmoment (Mt) und der Querkraft (F_Q) beansprucht wird, während das Messsignal des Magnetfeldsensors (06) erfasst wird, wobei der Betrag des Torsionsmomentes (Mt) verändert wird und der Offsetfehler aus dem sich ändernden Messsignal des Magnetfeldsensors (06) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Torsionsmomentes (Mt) dadurch bekannt wird, dass das Torsionsmoment (Mt) mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Referenztorsionsmomentes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Torsionsmomentes (Mt) dadurch bekannt wird, dass das Torsionsmoment (Mt) mit einer Referenzmesseinrichtung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine verwendete Magnetfeldsensor (06) eine umfängliche Position aufweist, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Magnetfeldsensoren (06) zur Messung des Torsionsmomentes (Mt) verwendet werden, welche eine gleiche umfängliche Position aufweisen, wobei das Maschinenelement (01) mindestens zwei der Magnetisierungsbereiche (03) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche der verwendeten Magnetfeldsensoren (06) eine gleiche umfängliche Position aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelementanordnung 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelementanordnung durch ein Elektrofahrrad gebildet ist, welches ein Sensortretlager umfasst, wobei das Maschinenelement (01) durch eine Welle oder durch eine Hülse des Sensortretlagers gebildet ist, und wobei das Elektrofahrrad dazu ausgebildet ist, das Torsionsmoment (Mt) und die Querkraft (F_Q) auf die Welle oder auf die Hülse des Sensortretlagers zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelementanordnung durch ein Getriebemodul eines Kraftfahrzeuges gebildet ist, wobei das Maschinenelement (01) durch eine Welle des Getriebemoduls gebildet ist, und wobei das Getriebemodul dazu ausgebildet ist, das Torsionsmoment (Mt) und die Querkraft (F_Q) auf die Welle zu übertragen.