DE102020120672A1

DE102020120672A1 - Magnetoelastischer Drehmomentsensor mit einer magnetisierten Hülse als Primärsensor

Info

Publication number: DE102020120672A1
Application number: DE102020120672.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Hartmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-02-10
Also published as: US20230288274A1; WO2022028644A1; CN116034256A

Abstract

Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an einer Welle (1) nach dem Messprinzip der inversen Magnetostriktion, auf welcher eine magnetisierte Hülse (2) als Primärsensor befestigt ist, welche mit mindestens zwei axial beabstandet zueinander angeordneten und in gegenläufiger Richtung magnetisierten Umfangsabschnitten (3, 4) versehen ist, die berührungslos mit jeweils hierzu gegenüberliegend ortsfest angeordneten Messspulen (5, 6) zur Messwertabnahme zusammenwirken, wobei die magnetisierte Hülse (2) aus einem nicht-magnetischen Trägerhülsenteil (2a) besteht, an dessen Außenmantelfläche die magnetisierten Umfangsabschnitte (3, 4) durch Auftragsschweißen eines ferromagnetischen Materials (2b) aufgebracht sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines an einer Welle anliegenden Drehmoments, wobei auf der Welle eine magnetisierte Hülse als Primärsensor befestigt ist, welche mit mindestens zwei axial beabstandet zueinander angeordneten und in gegenläufiger Richtung magnetisierten Umfangsabschnitten versehen ist, die berührungslos mit jeweils hierzu gegenüberliegend ortsfest angeordneten elektrischen Messspulen zur Messwertabnahme zusammenwirken.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, insbesondere auf die Drehmomentmessung an Getriebewellen, Hinterachs- und Vorderachsdifferentialwellen, E-Achsen sowie auch auf die Drehmomentmessung bei Wankstabilisatoren, Sensortretlagern und dergleichen. Prinzipiell lassen sich derartige Drehmomentsensoren an stehenden, sich drehenden oder bewegten technischen Bauteilen einsetzen, um die hierauf einwirkenden Drehmomente zu erfassen.
Das Messprinzip der hier interessierenden magnetoelastischen Drehmomentsensoren basiert auf einer Messung von Magnetfeldänderungen aufgrund einer Drehmomentbeaufschlagung auf ein Bauteil. Hierzu werden elektrische Messspulen berührungslos in Relation zu dem magnetisch codierten Bauteil, beispielsweise einer Messwelle, angebracht. Mit dieser Messanordnung lassen sich Magnetfeldänderungen abnehmen, welche aufgrund des an sich bekannten magnetoelastischen Effekts unter Last auftreten (inverse Magnetostriktion). Dabei ist die gemessene Magnetfeldänderung direkt proportional zur äußeren Krafteinwirkung auf das Bauteil und stellt hierüber den Zusammenhang mit dem Drehmoment her.
Stand der Technik
Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik erfolgt die Drehmomentmessung meist über sogenannte AMR-Sensoren, welche als Messspulen zur Messwertabnahme den Verdrehwinkel einer Welle oder dergleichen erfassen. Ein AMR-Sensor ist ein Magnetfeldsensor, der basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt) die Magnetfeldstärke messen kann. An einem Ende der Torsionsstrecke der Welle, über die das Drehmoment zu messen ist, wird ein magnetisierter Umfangsabschnitt angeordnet, welcher einem AMR-Sensor gegenübersteht. Eine Verdrehung der Torsionsstrecke führt zu einer Bewegung des magnetisierten Umfangsabschnitts relativ zum AMR-Sensor, wodurch sich die Richtung des Magnetfelds am Ort des Sensors ändert. Aus dem Zusammenhang zwischen dem Verdrehwinkel und magnetischem Winkel wird dann das Drehmoment in an sich bekannter Weise bestimmt.
Magnetisierte Umfangsabschnitte können durch direkt magnetisierte Bauteile, beispielsweise Wellen oder Flansche, oder durch separate magnetisierte Hülsen aus speziellen Sensormaterialien erzeugt werden. Diese sogenannten Primärsensoren werden gewöhnlich über ihre komplette Länge auf die Welle aufgepresst, was zu einem ungleichmäßigen Spannungsverlauf innerhalb der Hülse führen kann. Da die magnetisierte Hülse gewöhnlich recht kleinbauend ausfallen muss, lässt sich nur eine recht geringe zu messende magnetische Flussdichte erzeugen. Ungewollte, montagebedingte Bauteilspannungen verschlechtern zudem die Signalqualität.
Aus der EP 3 364 183 B1 geht ein gattungsgemäßer magnetoelastischer Drehmomentsensor hervor. Der Drehmomentsensor besteht im Wesentlichen aus einer Welle, die in einem ersten axialen Abschnitt in einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert ist, und an die ein zu messendes Drehmoment anlegbar ist, wobei die Welle einen zweiten axialen Abschnitt aufweist, der in einer zweiten Umfangsrichtung magnetisiert ist, die gegenläufig zur ersten Umfangsrichtung ist, einen ersten Magnetfeldsensor zum Erfassen eines durch den ersten Abschnitt der Welle erzeugten, vom angelegten Drehmoment abhängigen Magnetfelds außerhalb der Welle und einen zweiten Magnetfeldsensor zum Erfassen eines durch den zweiten Abschnitt der Welle erzeugten, vom angelegten Drehmoment abhängigen Magnetfelds außerhalb der Welle. Die Magnetfeldsensoren sind hier als 3D-AMR-Sensoren ausgebildet.
Es ist nicht immer möglich, die als Primärsensoren dienenden magnetisierten Umfangsabschnitte direkt in die Welle zu integrieren, welche insoweit aus speziellen Sensormaterialien herzustellen ist. Insbesondere in dem hier interessierenden Anwendungsbereich der Getriebetechnik kommen andere Materialien zum Einsatz. Daher wird hierfür der Ansatz einer magnetisierten Hülse als Primärsensor anstelle von direkt aufgebrachten magnetisierten Umfangsabschnitten verfolgt. Dies bietet auch den Vorteil, dass jegliche Wellen oder dergleichen mit einer magnetisierten Hülse bestückt werden und als Primärsensor dienen können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentsensor mit einer magnetisierten Hülse als Primärsensor dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Mitteln eine hohe Signalqualität erzielbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die magnetisierte Hülse zweiteilig aufgebaut ist und insoweit aus einem nicht-magnetischen Trägerhülsenteil besteht, an dessen Außenmantelfläche die magnetisierten Umfangsabschnitte nach Auftragsschweißen eines ferromagnetischen Materials als Grundlage aufgebracht sind. Insoweit wird die erfindungsgemäße magnetisierte Hülse über das nicht-magnetisierte Trägerhülsenteil auf die Welle aufgeschoben und dort befestigt.
Durch die Verwendung eines nicht-magnetischen Trägerhülsenteils, welches mit dem hierauf aufgetragenen ferromagnetischen Material eine einstückige Baueinheit bildet, wird die so magnetisierte Hülse magnetisch von der Welle entkoppelt. Hierdurch wird vorteilhafterweise verhindert, dass die magnetischen Feldlinien aus den magnetisierten Umfangsabschnitten des aufgetragenen ferromagnetischen Materials in das Grundmaterial der Welle eindringen können, wodurch die magnetische Flussdichte verringert werden würde. Die erfindungsgemäße Lösung führt also zu einer Erhöhung der äußeren, messbaren magnetischen Flussdichte, was eine erhöhte Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors infolge der verwirklichten magnetischen Entkopplung von Welle und Hülse zur Folge hat. Außerdem verbessert sich die Magnetflussverteilung über die Hülsenlänge und den Hülsenumfang.
Die erfindungsgemäß magnetisierte Hülse wird über ihren innenliegenden Trägerhülsenteil vorzugsweise durch Schweißnähte oder eine andere geeignete stoffschlüssige Verbindung an der Welle befestigt, die an beiden Endbereichen des Trägerhülsenteils angeordnet sind. Die Schweißnähte können durch Laserschweißen erzeugt werden und sind vorzugsweise durchgeschweißt, um gleichzeitig zu verhindern, dass Schmutz und Feuchtigkeit in den Bereich zwischen der Innenmantelfläche des Trägerhülsenteils und der Welle gelangt. Durch die Schweißverbindung entsteht ferner eine feste Bauteilverbindung, so dass kein Mikroschlupf zwischen den Bauteilen oder ein ungleichmäßiger Spannungsverlauf über die Länge der magnetisierten Hülse zu befürchten ist.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Außenmantelfläche der Welle sowie die gegenüberliegende Innenmantelfläche des Trägerhülsenteils zumindest teilweise einen Freiraumspalt begrenzen. Der Freiraumspalt sollte vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,2 bis 2 Millimeter aufweisen, um einerseits den vorstehend beschriebenen Entkopplungseffekt zu verstärken und andererseits eine Materialeinsparung am nicht-magnetisierten Trägerhülsenteil beizutragen. Der Freiraumspalt ist insoweit nicht mit anderen Materialien ausgefüllt und unterstützt hierdurch die magnetische Entkopplung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überdeckt das ferromagnetische Material die Gesamtlänge des Trägerhülsenteils. Somit bildet das ferromagnetische Material also eine Außenschicht der magnetisierten Hülse. Das ferromagnetische Material ist wiederum die Materialgrundlage für die hierauf ausgebildeten magnetisierten Umfangsabschnitte, welche in an sich bekannter Weise durch Magnetisieren über eine elektrische Spulenanordnung oder starke Dauermagnete erzeugbar sind.
Figurenliste
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer mit einem Drehmomentsensor ausgestatteten Welle,
2 eine Explosionsdarstellung von 1 vor der Montage, und
3 einen schematischen Längsschnitt durch die Welle mit hieran angebrachtem Primärsensor des Drehmomentsensors.

Gemäß 1 besteht ein Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an einer Welle 1 im Wesentlichen aus einer auf der Welle 1 montierten magnetisierten Hülse 2 als Primärsensor. Die magnetisierte Hülse 2 ist mit zwei axial beabstandet zueinander angeordneten und in gegenläufiger Richtung magnetisierten Umfangsabschnitten 3 und 4 versehen, welche als permanentmagnetische Multipolringe ausgebildet sind. Diese magnetisierten Umfangsabschnitte 3 und 4 korrespondieren mit gegenüberliegend ortsfest angeordneten Messspulen 5 bzw. 6 zur Messwertabnahme und weiterer Messwertverarbeitung nach dem an sich bekannten Messprinzip der inversen Magnetostriktion.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, wird die magnetisierte Hülse 2 auf die Welle 1 aufgeschoben und anschließend hieran fest verbunden.
Nach 3 erfolgt die feste Verbindung der Hülse 2 auf der Welle 1 über zu beiden Endbereichen 9 und 10 der Hülse 2 angeordnete Schweißnähte 7 beziehungsweise 8, welche durch Laserschweißen erzeugt werden.
Konkret verschweißt wird hier ein nicht-magnetisches Trägerhülsenteil 2a der magnetisierten Hülse 2, an deren Außenmantelfläche ein ferromagnetisches Material 2b per Auftragsschweißen aufgebracht ist, woran die vorstehend beschriebenen magnetisierten Umfangsabschnitte zur Drehmomentmessung eingebracht sind.
Außerdem begrenzt die Außenmantelfläche der Welle 1 sowie die gegenüberliegende Innenmantelfläche des Trägerhülsenteils 2a einen hülseninternen Freiraumspalt 11, welcher eine weiter verbesserte magnetische Entkopplung zwischen dem ferromagnetischen Material 2b und der Welle 1 bewirkt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Denn ein erfindungsgemäß magnetisierter und zugleich vom Grundkörper entkoppelter Drehmomentsensor kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, welche ansonsten mit aufwendigeren Messsystemen, beispielsweise auf Basis von Dehnmessstreifen mit Telemetrie, ausgestattet wurden.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: magnetisierte Hülse
2a: nicht-magnetisches Trägerhülsenteil
2b: ferromagnetisches Material
3: erster magnetisierter Umfangsabschnitt
4: zweiter magnetisierter Umfangsabschnitt
5: erste Messspule
6: zweite Messspule
7: erste Schweißnaht
8: zweite chweißnaht
9: erster Endbereich
10: zweiter Endbereich
11: Freiraumspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3364183 B1 [0006]

Claims

Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an einer Welle (1) nach dem Messprinzip der inversen Magnetostriktion, auf welcher eine magnetisierte Hülse (2) als Primärsensor befestigt ist, welche mit mindestens zwei axial beabstandet zueinander angeordneten und in gegenläufiger Richtung magnetisierten Umfangsabschnitten (3, 4) versehen ist, die berührungslos mit jeweils hierzu gegenüberliegend ortsfest angeordneten Messspulen (5, 6) zur Messwertabnahme zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierte Hülse (2) aus einem nicht-magnetischen Trägerhülsenteil (2a) besteht, an dessen Außenmantelfläche die magnetisierten Umfangsabschnitte (3, 4) durch Auftragsschweißen eines ferromagnetischen Materials (2b) aufgebracht sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerhülsenteil (2a) über an beiden Endbereichen (9, 10) angeordnete Schweißnähte (7, 8) stoffschlüssig an der Welle (1) befestigt ist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte (7, 8) durch Laserschweißen erzeugt sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche der Welle (1) sowie die gegenüberliegende Innenmantelfläche des Trägerhülsenteils (2a) zumindest teilweise einen Freiraumspalt (11) begrenzen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraumspalt (11) eine Spaltbreite von 0,2 bis 2 Millimeter aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material (2b) die Gesamtlänge des Trägerhülsenteils (2a) überdeckt.