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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenelementanordnung zur Übertragung eines Drehmoments, wobei die Maschinenelementanordnung ein Maschinenelement umfasst, welches sich entlang einer Rotationsachse erstreckt, und wobei das Maschinenelement zumindest einen hülsenartig ausgebildeten und zumindest bereichsweise magnetisierten oder magnetisierbaren Primärsensor (im Folgenden auch als Primärsensorikteil bezeichnet) aufweist, wobei der Primärsensor ausgebildet ist, im Falle einer auf das Maschinenelement wirkenden Kraft oder im Falle eines auf das Maschinenelement wirkenden Drehmoments ein äußeres Magnetfeld zu erzeugen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine und einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug.
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Die Ermittlung von Drehmomenten im Kraftfahrzeugbereich erfolgt häufig durch indirekte Messungen und aufwändige nachgelagerte Berechnungen oder Kennfeldableitungen.
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Darüber hinaus sind im Stand der Technik sind Sensoriken zur direkten Erfassung von auf Maschinenteile wirkenden Drehmomenten bekannt, die auf Basis des invers magnetostriktiven Effekts arbeiten.
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Die Sensorik eines solchen Systems besteht aus einer sog. Primärsensorik und einer Sekundärsensorik. Die Primärsensorik stellt ein magnetisiertes Bauteil aus einem speziellen Sensormaterial dar z.B. eine Welle, die mit einem umlaufenden, in sich geschlossenen Magnetfeld magnetisiert ist. Dabei ist das umlaufende Magnetfeld außen nicht messbar. Bei Drehmomentbeaufschlagung des magnetisierten Bauteils entsteht ein äußeres Magnetfeld, dessen Flussdichte proportional zum Drehmoment bzw. zu den im Bauteil vorhandenen Spannungen ist. Die Flussdichte dieses Magnetfeldes wird über Magnetfeldsensoren, der sog. Sekundärsensorik gemessen. Die Primärsensorik wird aktuell i.d.R. durch die Magnetisierung eines im System bestehenden Maschinenbauteils, häufig ist dieses eine Welle, realisiert. Der Aufbau und die Wirkungsweise einer solchen Primärsensorik ist bereits in der
DE 10 2015 206 664 B3 beschrieben.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2018 110 066 A1 ein schaltbarer Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend zwei Stabilisatorhälften, wobei räumlich zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein Aktuator zur Übertragung eines Torsionsmomentes angeordnet ist. Zumindest eine der beiden Stabilisatorhälften ist dabei über einen Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden, wobei der Flansch aus einer Legierung mit einem Kohlenstoffäquivalent zwischen 0,15 % und 0,6 % ausgebildet ist. Die Legierung weist eine Sensorfunktion auf, und der Flansch ist stoffschlüssig mit dem Aktuator verbunden.
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Aus den Offenlegungsschriften
JP 4527448 A ,
JP 4910535 A ,
JP 2013-170994 A und
JP 2013-170996 A sind ebenfalls bereits verschiedene magnetostriktiv arbeitende Welle-Hülse Sensoranordnungen bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Maschinenelementanordnung bereitzustellen mittels der eine direkte Erfassung eines Drehmoments ermöglicht wird, ohne dass das Maschinenelement von welchem das Drehmoment ermittelt werden soll, in seiner stofflichen Zusammensetzung oder legierungstechnisch oder in seiner Aufbaustruktur verändert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Maschinenelementanordnung zur Übertragung eines Drehmoments mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Maschinenelementanordnung umfasst ein Maschinenelement, welches sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und wobei das Maschinenelement zumindest ein hülsenartig ausgebildetes und zumindest bereichsweise magnetisiertes oder magnetisierbares Primärsensorikteil aufweist. Dabei ist das Primärsensorikteil ausgebildet, im Falle einer auf das Maschinenelement wirkenden Kraft oder im Falle eines auf das Maschinenelement wirkenden Drehmoments ein äußeres Magnetfeld zu erzeugen, welches mittels einer in örtlicher Nähe zum Primärsensorikteil angeordneten Sekundärsensorik erfassbar ist. Das hülsenartig ausgebildete Primärsensorikteil ist zumindest über einen axialen Teilabschnitt koaxial zu dem Maschinenelement angeordnet, wobei das hülsenartig ausgebildete Primärsensorikteil in einem ersten axialen Bereich X1 erste Formschlussmittel aufweist, über die das Primärsensorikteil mit hiermit korrespondierenden ersten Formschlussmitteln des Maschinenelements zur Bildung einer drehfesten Verbindung zusammenwirkt.
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Das hülsenartig ausgebildete Primärsensorikteil weist darüber hinaus in einem vom ersten axialen Bereich X axial beabstandeten zweiten axialen Bereich X zweite Formschlussmittel auf, über die das Primärsensorikteil mit hiermit korrespondierenden zweiten Formschlussmitteln des Maschinenelements zur Bildung einer weiteren drehfesten Verbindung zusammenwirkt. Die ersten Formschlussmittel des Primärsensorikteils und/oder die mit diesen zusammenwirkenden ersten Formschlussmittel des Maschinenelements sowie die zweiten Formschlussmittel des Primärsensorikteils und/oder die mit diesen zusammenwirkenden zweiten Formschlussmittel des Maschinenelements sind erfindungsgemäß über ein Isoliermittel magnetisch gegeneinander isoliert. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine direkte Erfassung des Drehmoments eines Maschinenelements ermöglicht wird, ohne das Maschinenelement selbst in seinem Aufbau, in seiner stofflichen Zusammensetzung oder in seiner Legierung verändern zu müssen.
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Die Isolierschicht hat den Vorteil, dass eine magnetische Entkopplung erfolgt und so eine Verbesserung des Messsignals erreicht wird. Dies ist insbesondere für Maschinenelemente wie Antriebs- oder Getriebewellen oder dergleichen im Automotivbereich, wo diese eben in Ihren Eigenschaften durch die Hersteller unveränderbar vorgegeben sind, von besonderem Vorteil. Im Sinne der Erfindung bedeutet, dass zumindest zwei axial voneinander beabstandete Bereiche mit Formschlussmitteln vorhanden sind, nicht automatisch, dass zwischen den beiden axial beabstandeten Bereichen kein Formschluss besteht. Vielmehr kann der Formschluss auch über die gesamte wirksame Länge der Primärsensorik bzw. der Hülse ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Isoliermittel gebildet sind dadurch, dass die ersten Formschlussmittel des Primärsensorikteils und/oder die mit diesen zusammenwirkenden ersten Formschlussmittel des Maschinenelements auf ihren in Umfangsrichtung wirkenden Kontaktflächen K sowie die zweiten Formschlussmittel des Primärsensorikteils und/oder die mit diesen zusammenwirkenden zweiten Formschlussmittel des Maschinenelements auf ihren in Umfangsrichtung wirkenden Kontaktflächen K nicht magnetisiert sind oder nicht magnetisierbar ausgebildet sind. Dies beinhaltet ebenfalls, dass eine nicht magnetisierte oder nicht magnetisierbare Beschichtung auf den Kontaktflächen vorgesehen sein kann. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin begründet, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine magnetische Entkopplung zwischen dem Maschinenelement, dessen Drehmoment erfasst werden soll, und dem Primärsensorikteil, welches als Primärsensorik zur direkten Erfassung des Drehmoments ausgebildet ist, geschaffen ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass zwischen den ersten Formschlussmitteln des Primärsensorikteils und den mit diesen zusammenwirkenden ersten Formschlussmitteln des Maschinenelements und/oder zwischen den zweiten Formschlussmitteln des Primärsensorikteils und den mit diesen zusammenwirkenden zweiten Formschlussmitteln des Maschinenelements ein nicht magnetisierter oder nicht magnetisierbar ausgebildeter Isoliereinsatz angeordnet ist. Durch diese alternative Möglichkeit der Isolierung zwischen Primärsensorik und Maschinenelement kann der Vorteil erreicht werden, dass weder das Primärsensorikteil noch das Maschinenelement bezüglich ihrer Kontaktflächen fertigungstechnisch behandelt werden müssen. Die Isolierung erfolgt durch den separat bereitgestellten, zwischen die Kontaktflächen von Primärsensorik und Maschinenelement anzuordnenden Isoliereinsatz. Mit Vorteil ist der Isoliereinsatz gegen ein axiales Verrutschen gesichert, indem er z. B. entsprechend verpresst oder über eine andere entsprechende kraft- und/oder formschlüssige Verbindung fixiert ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die ersten Formschlussmittel und die zweiten Formschlussmittel des Primärsensorikteils sowie die mit diesen jeweils korrespondierend zusammenwirkenden ersten Formschlussmittel und zweiten Formschlussmittel des Maschinenelements zumindest jeweils einen korrespondierenden Abschnitt zur Bildung einer Formschlussverbindung aufweisen. Mit Vorteil sind die korrespondierenden Formschlussmittel als vielzahnige Zahn-Nutverbindung ausgebildet, wodurch eine Formschlussverbindung realisiert ist, welche eine nahezu spielfreie Verbindung zwischen Primärsensorik und Maschinenelement gewährleistet. Bevorzugt ist die Zahn-Nutverbindung als Kerbverzahnung oder Keilverzahnung oder Trapezverzahnung ausgeführt, wobei die Zahnflanken mit Vorteil einen Zahnwinkel zwischen 15° Winkelgrad und 45° Winkelgrad aufweisen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das hülsenartig ausgebildete Primärsensorikteil zumindest bereichsweise eine magnetisierbare Oberfläche aufweist, wobei die magnetisierbare Oberfläche durch eine Beschichtung oder eine Oberflächenbehandlung gebildet ist. Hierdurch lässt sich insbesondere der Vorteil erzielen, dass die als Hülse ausgebildete Primärsensorik in einem geeigneten, frei wählbaren Material ausgebildet werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der hülsenartig ausgebildete Primärsensorikteil zwischen dem ersten axialen Bereich X1 und dem axial beabstandeten zweiten axialen Bereich X2 ein einen Abschnitt am Innendurchmesser aufweist, der umfänglich von dem Körper der Maschinenelementanordnung beabstandet ist und diesen nicht berührt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass über einen großen Teil der wirksamen Primärsensorik die magnetische Isolierung auf einfache Art und Weise über Luft erfolgt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Primärsensorikteil den Körper der Maschinenelementanordnung über im Wesentlichen die gesamte axiale Länge des Primärsensorikteils kontaktiert. Beispielsweise kann der über eine Zahnverbindung oder dergleichen realisierte Formschluss über die gesamte wirksame axiale Länge der Primärsensorik ausgebildet sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine hülsenartig ausgebildete Primärsensorik einfach herstellbar und lediglich von einem entsprechend ausgebildeten Strangprofil abgelängt werden muss.
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Mit Vorteil umfasst die Maschinenelementanordnung einen Sekundärsensorikteil zur Erfassung des durch den Primärsensorikteil erzeugbaren Magnetfelds, so dass die drehmomentbasierte Magnetfeldänderung entsprechend ausgewertet und weiterverarbeitet werden kann.
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Insgesamt wird durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschinenelementanordnung eine invers-magnetostriktive Drehmomentsensorik bereitgestellt, die die Befestigungsproblematik auf dem mit einem Drehmoment beaufschlagten Bauteil als auch die magnetische Entkopplung der Primärsensorik von dem mit einem Drehmoment beaufschlagten Bauteil zugleich löst. Ferner wird durch die Erfindung eine Erhöhung der äußeren, messbaren Flussdichte und damit einhergehend eine Erhöhung der Empfindlichkeit Sensorik erreicht. Schließlich wird eine Verbesserung der Magnetflussverteilung über die Hülsenlänge und den Hülsenumfang erreicht.
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Im nachfolgend beschrieben Ausführungsbeispiel wird eine Sensorik beschrieben, welche außerhalb des Maschinenelements angeordnet ist. Im Sinne der Erfindung mit umfasst sind auch Ausführungen, bei denen die Sensorik innerhalb des Maschinenelements angeordnet ist, beispielsweise innerhalb eines als Hohlwelle ausgebildeten Maschinenelements. Dabei ist innerhalb des Maschinenelements die Sekundärsensorik innerhalb der innerhalb des Maschinenelements liegenden Primärsensorik angeordnet.
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Darüber hinaus wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Antriebsmaschine. Dabei ist innerhalb des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zwischen dem Rotor der elektrischen Antriebsmaschine und den anzutreibenden Fahrzeugrädern oder zwischen einer vorhandenen Brennkraftmaschine und den Fahrzeugrädern oder zwischen dem Rotor einer elektrischen Antriebsmaschine und einer Brennkraftmaschine eine Welle oder ein Wellenabschnitt vorhanden, der durch eine Maschinenelementanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Schließlich kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch gelöst werden durch einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, der eine erfindungsgemäß ausgebildete Maschinenelementanordnung aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Maschinenelementanordnung gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform, in schematischer Darstellung in einer perspektivischen Teilansicht,
- 2 die Maschinenelementanordnung gemäß 1 in einer Schnittdarstellung gemäß der Schnittebene A oder B, und
- 3 einen Isoliereinsatz in einer Draufsicht in axialer Richtung.
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Die 1 zeigt eine Maschinenelementanordnung 1 zur Übertragung eines Drehmoments, wobei die Maschinenelementanordnung 1 ein Maschinenelement 10 in Form einer Welle umfasst, welches sich entlang einer Rotationsachse 2 erstreckt.
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Das Maschinenelement 10 weist ein hülsenartig ausgebildetes und zumindest bereichsweise magnetisiertes oder magnetisierbares Primärsensorikteil 3 auf. Das Primärsensorikteil 3 ist ausgebildet, im Falle eines auf das Maschinenelement 10 wirkenden Drehmoments ein äußeres mittels eines Sekundärsensorikteils 30 erfassbares Magnetfeld zu erzeugen. Das Primärsensorikteil 3 ist dafür zumindest über einen axialen Teilabschnitt koaxial zu dem Maschinenelement 10 angeordnet und weist in einem ersten axialen Bereich X1, an einem ersten axialen Ende der Hülse, erste Formschlussmittel 4 auf, über die das Primärsensorikteil 3 mit hiermit korrespondierenden ersten Formschlussmitteln 5 des Maschinenelements 10 zur Bildung einer drehfesten Verbindung zusammenwirkt. Hierfür ist die Hülse endseitig mit einem radial nach innen gerichteten Bord ausgebildet. An dem gegenüber liegenden zweiten axialen Ende der Hülse weist das Primärsensorikteil 3 in einem zweiten axialen Bereich X2 zweite Formschlussmittel 6 auf, über die das Primärsensorikteil 3 ebenfalls mit hiermit korrespondierenden zweiten Formschlussmitteln 7 des Maschinenelements 10 zur Bildung einer weiteren drehfesten Verbindung zusammenwirkt. Auch in diesem Bereich ist die Hülse mit einem radial nach innen gerichteten Bord ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform ist der zwischen dem ersten axialen Bereich X1 bzw. dem ersten Bord und dem zweiten axialen Bereich X2 bzw. dem zweiten Bord ausgebildete Mittenbereich über einen Luftspalt L von der Welle beabstandet. Die ersten Formschlussmittel 4 des Primärsensorikteils 3, die auf der Innenringfläche des ersten Bords ausgebildet sind, und die mit diesen zusammenwirkenden ersten Formschlussmittel 5 des Maschinenelements 10 sowie die zweiten Formschlussmittel 6 des Primärsensorikteils 3, die auf der Innenringfläche des zweiten Bords ausgebildet sind, und die mit diesen zusammenwirkenden zweiten Formschlussmittel 7 des Maschinenelements 10 sind dabei über ein Isoliermittel 8 magnetisch gegeneinander isoliert (siehe 2 und 3).
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Dabei kann das Isoliermittel 8 dadurch gebildet sein, dass die ersten Formschlussmittel 4 des Primärsensorikteils 3 und/oder die mit diesen zusammenwirkenden ersten Formschlussmittel 5 des Maschinenelements 10 auf ihren in Umfangsrichtung wirkenden Kontaktflächen K sowie die zweiten Formschlussmittel 6 des Primärsensorikteils 3 und/oder die mit diesen zusammenwirkenden zweiten Formschlussmittel 7 des Maschinenelements 10 auf ihren in Umfangsrichtung wirkenden Kontaktflächen K nicht magnetisiert sind oder nicht magnetisierbar ausgebildet sind. Dies ist in 2 entsprechend veranschau licht.
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Alternativ kann das Isoliermittel 8 auch durch ein separates zusätzliches Bauteil in Form eines ringförmig ausgebildeten Isoliereinsatzes 9 mit korrespondierender Formschlusskontur gebildet sein. Eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Isoliereinsatzes 9 ist in 3 in Form eines ringförmig ausgebildeten Isoliereinsatzes 9 mit Vielzahnkontur dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenelementanordnung
- 2
- Rotationsachse
- 3
- Primärsensorikteil
- 4
- erste Formschlussmittel (Primärsensorikteil)
- 5
- erste Formschlussmittel (Maschinenlement)
- 6
- zweite Formschlussmittel (Primärsensorikteil)
- 7
- zweite Formschlussmittel (Maschinenlement)
- 8
- Isoliermittel
- 9
- Isoliereinsatz
- 10
- Maschinenelement
- 30
- Sekundärsensorikteil
- X1
- erster axialer Bereich
- X2
- zweiter axialer Bereich
- L
- Luftspalt
- A
- Schnittebene
- B
- Schnittebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206664 B3 [0004]
- DE 102018110066 A1 [0005]
- JP 4527448 A [0006]
- JP 4910535 A [0006]
- JP 2013170994 A [0006]
- JP 2013170996 A [0006]
