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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung sowohl eines Drehmoments als auch der Drehzahl und/oder des Drehwinkels an einem Maschinenelement. Ein Drehmoment (kurz: Moment) oder eine Kraft wirkt auf ein drehbares Maschinenelement ein, woraus eine mechanische Spannung resultiert, die an einem magnetisierbaren Primärsensor, bevorzugt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effekts, eine Magnetfeldänderung als Messgröße hervorruft, welche von einem Sekundärsensor erfasst und in ein elektrisches Sensorsignal gewandelt wird. Der hier betroffene Drehmomentsensor ist derart weitergebildet, dass er über die Bestimmung des Drehmoments hinaus, zur Ermittlung einer Drehzahl und/oder eines Winkels des Maschinenelements, welches sich beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs befindet, verwendet werden.
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Die
DE 10 2013 205 491 A1 beschreibt eine Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil sowie ein Verfahren zum Erfassen von auf ein Lagerelement wirkenden Belastungen. Die Lagerungsvorrichtung dient zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit wenigstens einem Lagerelement, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist, wobei die Lagerungsvorrichtung wenigstens einen magnetoelastischen Sensor zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden Belastungen umfasst. Weiterhin ist ein Verfahren zum Erfassen von auf ein Lagerelement wirkenden Belastungen beschrieben.
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Die
DE 11 2007 002 204 T5 beschreibt eine mit einem Sensor ausgestattete und einen eingebauten radintegrierten Motor aufweisende Achseinheit. Die Achseinheit umfasst hierbei eine Nabenlageranordnung, einen Elektromotor, eine Untersetzungsgetriebeeinheit und eine Bremsanordnung, die sämtlich koaxial zu einer Mittelachse eines Fahrzeuges angeordnet sind, und Sensoren zum Messen von an einem Kontaktpunkt des Fahrzeugrades und der Straßenoberfläche in drei zueinander senkrechten Achsrichtungen wirkenden Kräften anhand des Status der Nabenlagereinheit, des Elektromotors, der Untersetzungsgetriebeeinheit und/oder der Bremsenanordnung.
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Die
JP 2001/033322 A beschreibt ein Lager mit Drehmomenterkennungsfunktion. Das Lager umfasst Musterbereiche aus einem magnetostriktiven Material, welche an der Außenumfangsfläche des Innenrings des Lagers angeordnet sind. Um diese Musterbereiche gewickelte Spulen sind an der Innenumfangsfläche eines Außenrings befestigt. Sobald ein Moment an einer rotierenden Welle, welche an der Innenumfangsfläche des Innenrings gelagert ist, erzeugt wird, ändert sich die Permeabilität der Musterbereiche. Durch Erfassen der Änderungen mit den Spulen, wird das Drehmoment erfasst.
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Die
WO 2005/022104 A1 beschreibt eine Nabeneinheit mit einem magnetostriktiven Sensor. Der Sensor ist an einem körperseitigen Laufbahnelement angeordnet, sodass die Zugspannung an dem obersten Abschnitt eines Innenrings des radseitigen Laufbahnelements gemessen wird.
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Die
EP 2365927 B1 beschreibt ein Tretlager mit integriertem Sensor zu Erfassung des Drehmoments, welches auf eine Kettenblattwelle des Tretlagers wirkt. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise mindestens eine Magnetisierung auf und das Tretlager mindestens einen Sensor, der eine Änderung der Magnetisierung, bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment, erfasst.
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Die
US 5465627 A beschreibt einen zirkulär magnetisierten berührungslosen Drehmomentsensor und ein Verfahren zum Messen des Drehmoments unter Verwendung desselben. Der Drehmomentsensor umfasst ein magnetoelastisch aktives Element, welches als Ring ausgebildet ist und der magnetisch in umlaufender Richtung polarisiert ist, sowie einen Magnetfeldsensor zum Erfassen des Magnetfeldes.
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Die
DE 10 2015 200 268 B3 beschreibt eine Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Moments mit einem Magnetfeldsensor und mit einem Magnetfeldleitelement an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelements. Die Messung der Kraft und/oder des Moments erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effekts. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung und diesen gegenüberliegende Magnetfeldsensoren auf. Die Magnetfeldsensoren ermitteln anhand der Magnetfeldänderung die Kraft oder das Moment.
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Die
WO 00/58704 A1 beschreibt einen magnetbasierten Drehmoment- und Geschwindigkeitssensor, bei welchem ein Magnetfeld ausgewertet wird, das aufgrund wirkender Drehmomente veränderlich ist.
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Ausgehend vom Stand der Technik wird eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, einen bauraumreduzierten und kostengünstigen Drehmomentsensor bereitzustellen, mit dem es ermöglicht ist, neben dem Drehmoment ebenso die Drehzahl und/oder den Drehwinkel des überwachten Maschinenelements zu erfassen.
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Die genannte Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung dient zunächst in an sich bekannter Weise zur Erfassung eines auf ein drehbares Maschinenelement wirkenden Drehmoments. Solche Sensoranordnungen wurden bereits beschrieben, sodass ihr Grundaufbau hier als bekannt vorausgesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass sie zusätzlich die Ermittlung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels dieses Maschinenelements ermöglicht.
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Zur Definition der Lage der einzelnen Bauteile wird davon ausgegangen, dass das Maschinenelement eine axiale Ausdehnung entlang einer axialen Koordinate und eine radiale Ausdehnung entlang einer radialen Koordinate aufweist.
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Die Sensoranordnung umfasst zunächst einen Primärsensor, welcher aus einem magnetisierbaren oder magnetischen Material besteht oder ein solches umfasst, in Form mindestens einer Messspur, vorzugsweise einer oder mehrerer Magnetspuren. Die Messspur umgibt das Maschinenelement umfänglich und stellt somit ein Messmagnetfeld bereit, welches durch eine dauermagnetische oder eine elektromagnetische Quelle induziert wird. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung eine Trägerhülse, welche den Primärsensor und damit auch das drehbare Maschinenelement in einem radialen Abstand koaxial umgibt. An einer Innenwand der Trägerhülse ist ein Sekundärsensor angeordnet, welcher das Messmagnetfeld erfasst und daraus das auf das drehbare Maschinenelement wirkende Drehmoment ermittelt. Der Sekundärsensor umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor mit radial ausgerichtetem Messfeld und mindestens einen Magnetfeldsensor mit axial ausgerichtetem Messfeld, wobei die Magnetfeldsensoren radial beabstandet gegenüber der Messspur angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung ein magnetisierbares Profilelement, welches in Umfangsrichtung mindestens eine Querschnittsänderung zeigt und auf dem drehbaren Maschinenelement mittelbar oder unmittelbar angeordnet ist. Durch den variierenden Querschnitt des Profilelements verändert sich bei der Rotation des Maschinenelements und des mit diesem drehfest verbundenen Profilelements der im Messmagnetfeld magnetisch wirksame Materialanteil, woraus eine Änderung der vom Magnetfeldsensor erfassten Flussdichte resultiert. Dies ruft eine Unstetigkeit im Messmagnetfeld hervor, welche vom Sekundärsensor erfasst wird und aus der die Drehzahl und/oder der Drehwinkel des drehbaren Maschinenelements bestimmbar ist.
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Bevorzugt ist das Profilelement unmittelbar an die Messspur bzw. Magnetspur angrenzend oder zwischen zwei Magnetspuren oder die Magnetspur teilweise überdeckend angeordnet.
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Bevorzugt ist das Profilelement so ausgebildet, dass es eine Kontur aufweist, welche den Querschnitt des Maschinenelements in radialer Richtung abschnittsweise erweitert oder verringert. Besonders bevorzugt ist das Profilelement als ein Konturring ausgebildet, welcher auf dem Maschinenelement angeordnet ist. Der Konturring kann dabei nach innen und/oder nach außen gerichtete Erhebungen oder Vertiefungen besitzen. Alternativ ist das Profilelement als Wellen- oder Hülsenabsatz ausgebildet. Im einfachsten Fall kann die Kontur unmittelbar in die Oberfläche des Maschinenelements eingearbeitet sein. Bevorzugt besitzt der Konturring einen oder mehrere nach innen oder nach außen gerichtete Zähne, welche an seinem Umfang verteilt angeordnet sind.
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Bevorzugt ist die Trägerhülse aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, um eine magnetische Schirmung der Sensoranordnung zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Primärsensor als Hülse ausgebildet, welche am drehbaren Maschinenelement dieses umfänglich umgebend angebracht ist. Besonders bevorzugt ist auf der Hülse mindestens eine Magnetspur angeordnet. Alternativ ist die Hülse aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet, welches den invers-magnetostriktiven Effekt zeigt.
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Bei einer weitergebildeten Ausführungsform ist das Profilelement als Kontur oder Konturring auf oder neben der den Primärsensor bildenden Hülse auf dem drehbaren Maschinenelement angeordnet. Die radiale Ausdehnung des Profilelements entspricht dabei mindestens der radialen Ausdehnung der Hülse.
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Bevorzugt ist die Sensoranordnung in einem Rotorlager integriert. Bevorzugt ist das Maschinenelement als Welle eines Getriebes, einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors oder einer Generatorwelle einer Windkraftanlage ausgebildet.
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Ein wichtiger Vorteil der Sensoranordnung besteht darin, dass mit Hilfe eines einfachen Profilelements in Form einer Kontur auf dem drehbaren Maschinenelement oder eines aufgesetzten Konturrings, sowie eines zusätzlichen Sensorchips auf einer bereits vorhandenen Sensorplatine, ein Drehmomentsensor in kompakter Bauweise so erweitert wird, dass weitere wichtige Messgrößen wie Drehzahl und/oder Drehwinkel zusätzlich zum Drehmoment erfasst werden können. Eine Notwenigkeit von aufwändigen Softwaremodellen, welche Drehzahl und/oder Drehwinkel indirekt aus Parametern, wie beispielsweise Fahrzeugan- und -abtriebsdrehzahl berechnen, besteht daher nicht mehr, da die Messgrößen unmittelbar an der benötigten Stelle gemessen werden können.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Längsschnittansicht;
- 2 sechs verschiedene Ausführungsformen eines Profilelements der Sensoranordnung im Querschnitt;
- 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Sensoranordnung mit unterschiedlichen Platzierungsmöglichkeiten des Profilelements in Längsschnittansicht;
- 4 eine alternative Ausführungsform der Sensoranordnung in Längsschnittansicht;
- 5 eine weitere alternative Ausführungsform der Sensoranordnung in Längsschnittansicht;
- 6 eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung in Längsschnittansicht.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 01 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Erfassung eines auf ein drehbares Maschinenelement 02 wirkenden Drehmoments sowie einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels dieses Maschinenelements 02. Das Maschinenelement 02 weist eine axiale Ausdehnung entlang einer axialen Koordinate Bx und eine radiale Ausdehnung entlang einer radialen Koordinate By auf. Die Sensoranordnung 01 umfasst einen am drehbaren Maschinenelement 02 angeordneten Primärsensor 03, welcher in der dargestellten Ausführungsform zwei Magnetspuren 04, 06 als Messspuren aufweist. Die zwei Magnetspuren 04, 06 umgeben das drehbare Maschinenelement 02 umfänglich. Der Primärsensor 03 stellt ein Messmagnetfeld 07 bereit, welches beim Wirken eines Drehmoments oder einer Kraft auf das drehbare Maschinenelement 02 aufgrund des invers-magnetostriktiven Effekts eine Veränderung erfährt.
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Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 01 eine Trägerhülse 08, welche den Primärsensor 03 umgibt. Die Innenwandung der Trägerhülse besitzt einen radialen Abstand zum Primärsensor. Innerhalb der Trägerhülse 08 ist ein Sekundärsensor 09 angeordnet, welcher in dieser Ausführungsform einen radial ausgerichteten Magnetfeldsensor 11 (d.h. das Messfeld dieses Magnetfeldsensors ist radial ausgerichtet) und zwei axial ausgerichtete Magnetfeldsensoren 12 umfasst (d.h. das Messfeld dieser Magnetfeldsensoren ist axial ausgerichtet). Die zwei axial ausgerichteten Magnetfeldsensoren 12 sind je mit einem radialen Abstand gegenüber den Magnetspuren 04, 06 angeordnet und der radiale Magnetfeldsensor 11ist mittig zwischen den zwei Magnetspuren 04, 06 angeordnet, wobei auch der radiale Magnetfeldsensor 11 einen radialen Abstand zum drehbaren Maschinenelement aufweist. Die zwei axialen Magnetfeldsensoren 12 und der radiale Magnetfeldsensor 11 erfassen hierbei das Messmagnetfeld 07 und ermitteln daraus ein auf das Maschinenelement 02 wirkendes Drehmoment. Unmittelbar an die Magnetspur 04 angrenzend, ist ein Profilelement 13 auf dem drehbaren Maschinenelement 02 angeordnet, sodass ein Teil des Messmagnetfelds 07 das Profilelement 13 durchdringt. Das Profilelement ruft aufgrund seines variierenden Querschnitts bei Rotation eine Unstetigkeit im Messmagnetfeld 07 hervor, woraus sich Drehzahl und/oder Drehwinkel zusätzlich zum Drehmoment ermitteln lassen.
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2 zeigt als Detailansicht sechs Ausführungsformen des Profilelements 13. Das Profilelement 13 stellt in jedem Fall eine abschnittsweise Querschnittsänderung bereit, die auch als Querschnittsänderung des Maschinenelements in radialer Richtung angesehen werden kann. Diese abschnittsweise Querschnittsänderung kann bevorzugt als Kontur oder Konturring ausgebildet sein, welcher einen oder mehrere, nach innen und/oder außen gerichtete Zähne aufweist. Die Querschnittsänderung kann alternativ auch als Wellenabsatz am Maschinenelement ausgebildet sein. Das Profilelement ist verdrehsicher am Maschinenelement angebracht.
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3 zeigt einer Prinzipdarstellung die Sensoranordnung 01 mit unterschiedlichen Platzierungsmöglichkeiten des Profilelements 13, wobei üblicherweise nur jeweils eine der Platzierungsoptionen ausgewählt wird. Die Sensoranordnung 01 entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten. Das Profilelement 13 kann unmittelbar an die Magnetspuren 04, 06 angrenzend oder zwischen zwei Magnetspuren 04, 06 oder die Magnetspuren 04, 06 teilweise überdeckend angeordnet sein.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Sensoranordnung 01 in Längsschnittansicht wobei eine alternative Positionierung der Magnetfeldsensoren 11 des Sekundärsensors 09 dargestellt ist. Der grundlegende Aufbau der Sensoranordnung 01 entspricht der in der 1 gezeigten, wobei in 4 keine axialen Magnetfeldsensoren dargestellt sind. In dieser Ausführungsform werden zwei radiale Magnetfeldsensoren 11 verwendet, welche jeweils mit einem radialen Abstand in By-Richtung den äußeren Enden der Magnetspuren 04, 06 gegenüberliegend angeordnet sind. Die radialen Magnetfeldsensoren werden in der zuvor beschriebenen Weise mit mindestens einem axial ausgerichteten Magnetfeldsensor kombiniert. Das Profilelement 13 ist hierbei die Magnetspur 04 überlappend angeordnet.
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5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Sensoranordnung 01 in Längsschnittansicht. Die Sensoranordnung 01 entspricht der in der 1 dargestellten Ausführungsform, wobei in der Ausführungsform gemäß 5 alle Magnetfeldsensoren 11, 12 des Sekundärsensors 09 auf einer gemeinsamen Platine 14 angebracht sind.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 01 in Längsschnittansicht. Die Sensoranordnung in 6 entspricht der Ausführungsform in 1, wobei der Primärsensor 03 nun als eine Hülse 16 ausgebildet ist. Die Magnetspuren 04, 06 sind auf der Hülse 16 angeordnet. Alternativ kann die Hülse 16 aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein.
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Weiterhin zeigt 6 alternative Positionierungsmöglichkeiten für das Profilelement 13. Dieses kann beispielsweise unmittelbar an den Magnetspuren 04, 06 auf der Hülse 16 angrenzend oder zwischen den Magnetspuren auf der Hülse 16 oder die Magnetspuren 04, 06 auf der Hülse 16 teilweise überlappend angeordnet werden. Weiterhin kann das Profilelement 13 auch neben der Hülse 16 auf dem drehbaren Maschinenelement 02 angeordnet werden, wobei die radiale Ausdehnung des Profilelements 13 gleich der radialen Ausdehnung der Hülse 16 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Sensoranordnung
- 02
- Maschinenelement
- 03
- Primärsensor
- 04
- erste Messspur / Magnetspur
- 05
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- 06
- zweite Messspur / Magnetspur
- 07
- Messmagnetfeld
- 08
- Trägerhülse
- 09
- Sekundärsensor
- 10
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- 11
- radialer Magnetfeldsensor
- 12
- axialer Magnetfeldsensor
- 13
- Profilelement / Konturring
- 14
- Platine
- 15
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- 16
- Hülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013205491 A1 [0002]
- DE 112007002204 T5 [0003]
- JP 2001033322 A [0004]
- WO 2005/022104 A1 [0005]
- EP 2365927 B1 [0006]
- US 5465627 A [0007]
- DE 102015200268 B3 [0008]
- WO 0058704 A1 [0009]
