DE102020118625A1

DE102020118625A1 - Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments, rotierbares Maschinenelement mit einer solchen Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102020118625A1
Application number: DE102020118625.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hintze; Ruslana Mys
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments unter Nutzung des inversen magnetostriktiven Effekts sowie ein rotierbares Maschinenelement mit einer solchen Sensoranordnung, wobei das rotierbare Maschinenelement eine Komponente der Sensoranordnung zur Messung des wirkenden Drehmoments bildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoranordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments unter Nutzung des inversen magnetostriktiven Effekts sowie ein rotierbares Maschinenelement mit einer solchen Sensoranordnung, wobei das rotierbare Maschinenelement eine Komponente der Sensoranordnung zur Messung des wirkenden Drehmoments bildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoranordnung.
Aus dem Stand der Technik ist die Drehmomentmessung mittels des inversen magnetostriktiven Effekts grundsätzlich bekannt, wie beispielsweise aus der US 5,022,275 .
Der inverse magnetostriktive Effekt kann nur mit speziellen Materialien angewendet werden, welche z.B. aus der DE 10 2012 004 119 A1 bekannt sind, in welcher die Beschichtung von kraftübertragenden Bauteilen mit magnetostriktiven Werkstoffen beschrieben wird. Somit ist bekannt, dass eine magnetostriktive Funktionsschicht auf einem Bauteil mittels verschiedener Beschichtungsverfahren aufgebracht werden kann. Mit einer solchen Funktionsschicht kann über den Effekt der inversen Magnetostriktion ein Drehmoment gemessen werden. Gemäß diesem Stand der Technik soll der Grundkörper vollständig oder teilweise aus einem austenitischen Material bestehen, auf dem die Funktionsschicht aufgebracht wird. Weiter ist aus diesem Stand der Technik bekannt, nur eine Funktionsstelle mit dem speziell geeigneten (und zumeist teuren) Materialien zu beschichten. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass der Grundwerkstoff, auf den die Funktionsschicht an einer Funktionsstelle aufgebracht wird, einen negativen Einfluss auf die Funktionsweise der Sensoranordnung haben kann. In der DE 10 2012 004 119 A1 ist deshalb beschrieben, dass eine Welle zum Teil oder ganz aus einem austenitischen Material gefertigt ist, da austenitische Materialien nicht magnetisch sind und deshalb keinen Einfluss auf die Sensoreinheit haben. Austenitische Materialien sind aber im Vergleich zu ferritischen Materialien hinsichtlich der Festigkeit zumeist nachteilig.
Daher haben diese Werkstoffe für viele Anwendungen auch ungeeignete bzw. nachteilige mechanische Eigenschaften. Somit schränkt diese Abhängigkeit des Materials des Grundkörpers dessen physikalische Voraussetzungen und damit die Einsatzmöglichkeiten des Grundkörpers ein. In vielen Anwendungsfällen sind derartige Werkstoffe auch schlichtweg zu teuer, um ein ganzes Bauteil daraus zu fertigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments und ein rotierbares Maschinenelement mit einer Sensoranordnung vorzuschlagen, die unabhängig ist vom Material des Grundkörpers, also des rotierbaren Maschinenelements, dessen Drehmoment gemessen werden soll. Ziel ist dabei weiter, ohne Verlust der aus dem Stand der Technik bekannten Genauigkeit einer auf dem inversen magnetostriktiven Effekt beruhenden Drehmomentmessung auszukommen.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein rotierbares Maschinenelement mit einer Sensoranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung gemäß Anspruch 10.
Kern der Erfindung ist dabei ein speziellen Schichtaufbau, um die (Drehmoment-) sensoranordnung unabhängig vom Grundwerkstoff eines kraftübertragenden Bauteils aufzubauen.
Mit Hilfe eines speziellen Beschichtungsverfahrens, vorzugsweise dem Laserauftragsschweißen, wird ein Mehrschichtsystem auf ein kraftübertragendes Maschinenelement aufgebracht, um mittels des inversen magnetostriktiven Effekts unabhängig vom Grundwerkstoff des rotierenden kraftübertragenden Maschinenelements das Drehmoment messen zu können.
Die Unabhängigkeit vom Grundwerkstoff des rotierenden Bauteils wird dadurch bewirkt, dass eine Isolationsschicht zwischen dem Grundwerkstoff und der Funktionsschicht aufgetragen wird. Das Material der Isolationsschicht kann beispielsweise ein Austenit sein. Wichtig ist jedoch vor allem, dass dieses Material der Isolationsschicht nicht magnetisierbar ist. Durch diesen Schichtaufbau kann an beliebiger Stelle eines rotierenden Bauteils ein Drehmoment unabhängig von dessen Grundwerkstoff mit Hilfe des inversen magnetostriktiven Effekts gemessen werden.
Mit dem Verfahren des Laserauftragsschweißens wird eine stoffschlüssige Verbindung in den beiden Schichtverbindungen geschaffen, wodurch die mechanischen Spannungen, die letztlich bestimmender Faktor der Messungen und deren Genauigkeit sind, optimal in der Funktionsschicht verteilt werden. Beim Laserauftragsschweißen wird zuerst die Isolationsschicht und anschließend die Funktionsschicht vorzugsweise in einer Maschine aufgetragen.
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 Sensoranordnung;
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;

1 zeigt eine Ausführungsform Sensoranordnung 10, bei der auf dem rotierenden Bauteil 1, beispielsweise auf einer Welle, eine Funktionsschicht 3 aufgebracht ist. Der Grundwerkstoff des rotierbaren Maschinenelements 1 ist dabei durch eine Isolationsschicht 2, die nicht magnetisierbar ist, von der Funktionsschicht 3 magnetisch entkoppelt. Somit werden die Einflüsse des Grundwerkstoffes des rotierbaren Maschinenelements 1 auf die Funktionsschicht 3 bzw. auf den damit zu bewirkenden inversen magnetostriktiven Effekt verhindert. Zwischen Grundwerkstoff und Isolationsschicht 2 sowie zwischen Isolationsschicht 2 und Funktionsschicht 3 besteht eine stoffschlüssige Verbindung, die beispielsweise durch Laserauftragsschweißen hergestellt sein kann. Das Material der Isolationsschicht 2 ist nicht magnetisierbar und kann beispielsweise ein Austenit sein. Als Material für die Funktionsschicht 3 kann jedes Material verwendet werden, das für die Erzeugung des inversen magnetostriktiven Effekts geeignet ist.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform, durch die ein noch geringerer Bauraum für die Sensoranordnung erreicht werden kann und zudem die Schichtdicke der Isolationsschicht 2 erhöht werden kann. Hierfür ist an der zu beschichtenden Stelle des rotierbaren Bauteils 1 ein Materialabtrag dessen Grundwerkstoffs vorgenommen, so dass eine Ausnehmung 4 augebildet ist. Die Isolationsschicht 2 ist in dieser Ausnehmung 4 angeordnet. Die auf der Isolationsschicht 2 angeordnete Funktionsschicht 3 ist bezogen auf die axiale Erstreckung des rotierbaren Maschinenelements 1 kürzer als die Isolationsschicht 2, um die magnetische Entkopplung von dem Grundwerkstoff zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: rotierbares Maschinenelement
2: Isolationsschicht
3: Funktionsschicht
4: Ausnehmung
10: Sensoranordnung

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

US 5022275 [0002]
DE 102012004119 A1 [0003]

Claims

Sensoranordnung (10) zum Messen eines Drehmoments, umfassend eine Funktionsschicht (3) aus einem magnetostriktiven Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) ferner eine Isolationsschicht (2) aus einem nicht magnetisierbaren Material umfasst und die Funktionsschicht (3) stoffschlüssig mit der Isolationsschicht (2) verbunden ist, wobei die Isolationsschicht (2) stoffschlüssig mit einem rotierbaren Maschinenelement (1) verbunden ist.
Sensoranordnung (10) zum Messen eines Drehmoments nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Funktionsschicht (3) und der Isolationsschicht (2) durch Laserauftragsschweißen ausgebildet ist.
Sensoranordnung (10) zum Messen eines Drehmoments nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Isolationsschicht (2) und dem rotierbaren Maschinenelement (1) durch Laserauftragsschweißen ausgebildet ist.
Sensoranordnung (10) zum Messen eines Drehmoments nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) in einer Ausnehmung (4) angeordnet ist, die im Umfang des rotierbaren Maschinenelements (1) ausgebildet ist, wobei die Länge der Ausnehmung (4) in axialer Richtung des rotierbaren Maschinenelement (1) größer ist als die Länge der Isolationsschicht (2) in axialer Richtung des rotierbaren Maschinenelement (1).
Sensoranordnung (10) zum Messen eines Drehmoments nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Isolationsschicht (2) ein Austenit ist.
Rotierbares Maschinenelement (1) umfassend eine Funktionsschicht (3) aus einem magnetostriktiven Material, gekennzeichnet durch eine Isolationsschicht (2) aus einem nicht magnetisierbaren Material und dadurch, dass die Funktionsschicht (3) stoffschlüssig mit der Isolationsschicht (2) verbunden ist und die Isolationsschicht (2) stoffschlüssig mit einem Grundmaterial des rotierbaren Maschinenelement (1) verbunden ist.
Rotierbares Maschinenelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Funktionsschicht (3) und der Isolationsschicht (2) durch Laserauftragsschweißen ausgebildet ist.
Rotierbares Maschinenelement (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Isolationsschicht (2) und dem Grundwerkstoff des rotierbaren Maschinenelement (1) durch Laserauftragsschweißen ausgebildet ist.
Rotierbares Maschinenelement (1) nach 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) in einer Ausnehmung (4) angeordnet ist, die im Umfang des Grundwerkstoffs des rotierbaren Maschinenelements (1) ausgebildet ist, wobei die Länge der Ausnehmung (4) in axialer Richtung des rotierbaren Maschinenelement (1) größer ist als die Länge der Isolationsschicht (2) in axialer Richtung des rotierbaren Maschinenelement (1).
Verfahren zur Herstellung eines rotierbaren Maschinenelements (1) umfassend die Schritte - Bereitstellen eines Grundwerkstoffs eines rotierbaren Maschinenelements (1) - Stoffschlüssiges Verbinden des Grundwerkstoffs mit einer nicht magnetisierbaren Isolationsschicht (2) durch Laserauftragsschweißen - Stoffschlüssiges Verbinden der Isolationsschicht (2) mit einer Funktionsschicht (3) aus einem magnetostriktiven Material durch Laserauftragsschweißen