DE102020122116A1

DE102020122116A1 - Torque sensor based on inverse magnetostriction

Info

Publication number: DE102020122116A1
Application number: DE102020122116.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Moellmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments oder einer Kraft an einer Welle (1) oder einem anderen Maschinenbauteil nach dem Messprinzip der inversen Magnetostriktion, an welcher wenigstens eine Hülse (2) als Primärsensor befestigt ist, welche mit mindestens einem magnetisierten oder magnetisierbaren Abschnitt (3, 4) versehen ist, der jeweils berührungslos mit hierzu gegenüberliegend ortsfest angeordneten Magnetfeldsensoren (5, 6) als Sekundärsensor zur Messwertabnahme zusammenwirkt, wobei an wenigstens einem von beiden mit der Welle (1) beziehungsweise Maschinenbauteil drehfest verbundenen axialen Enden (7) der Hülse (2), diese in einem Kontaktbereich (9) über eine Reibschweißverbindung mit einem nicht-magnetisierbaren Ring (8) verschweißt und der nicht-magnetisierbare Ring (8) mit der Welle (1) beziehungsweise Maschinenbauteil verbunden ist.Torque sensor for measuring a torque or a force on a shaft (1) or another machine component according to the measuring principle of inverse magnetostriction, on which at least one sleeve (2) is attached as the primary sensor, which has at least one magnetized or magnetizable section (3, 4 ) which in each case interacts contact-free with magnetic field sensors (5, 6) arranged stationary opposite thereto as a secondary sensor for taking measured values, wherein at least one of the two axial ends (7) of the sleeve (2) which are non-rotatably connected to the shaft (1) or machine component , this is welded in a contact area (9) to a non-magnetizable ring (8) via a friction weld connection and the non-magnetizable ring (8) is connected to the shaft (1) or machine component.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nach dem Prinzip der inversiven Magnetorestriktion funktionierenden Drehmomentsensor zur Messung eines an einer Welle oder einem anderen Maschinenbauteil anliegenden Drehmoments oder einer Kraft, wobei an der Welle eine Hülse als Primärsensor befestigt ist, welche mit mindestens einem magnetisierbaren oder magnetisierten Abschnitt versehen ist, der berührungslos mit jeweils hierzu gegenüberliegend ortsfest angeordneten elektrischen Magnetfeldsensoren als Sekundärsensor zur Messwertabnahme zusammenwirkt. Außerdem betrifft die Erfindung auch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, der einen derartigen Drehmomentsensor umfasst.The present invention relates to a torque sensor that works according to the principle of inverse magnetostriction for measuring a torque or a force applied to a shaft or another machine component, a sleeve being attached to the shaft as the primary sensor and provided with at least one magnetizable or magnetized section , which interacts in a contactless manner with stationary electric magnetic field sensors arranged opposite thereto as a secondary sensor for taking the measured value. In addition, the invention also relates to a drive train of a motor vehicle that includes a torque sensor of this type.

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.The field of application of the invention extends primarily to motor vehicle applications, in particular to torque measurement on transmission shafts, rear axle and front axle differential shafts, E-axles and also torque measurement in roll stabilizers, sensor bottom brackets and the like. In principle, such torque sensors can be used on stationary, rotating or moving technical components in order to record the torques acting on them.

Das Messprinzip der inversiven Magnetostriktion basiert auf einer Messung von Magnetfeldänderungen aufgrund einer Drehmoment- oder Kraftbeaufschlagung auf ein Bauteil. Hierbei werden zwei Arten von inversen Magnetostriktionen genutzt. Die eine Art basiert darauf, dass sich aufgrund der Spannungen im magnetisierten Bauteil die Weißschen Bezirke darin verschieben, so dass sich ein äußeres Magnetfeld ergibt. Bei der anderen Art wird über eine Spule ein magnetisches Feld in das Bauteil eingebracht. Bei Drehmomentbeaufschlagung ergibt sich eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Permeabilitätsänderung des Werkstoffes. Über andere Spulen oder Magnetfeldsensoren wird die Magnetfeldänderung erfasst.The measuring principle of inverse magnetostriction is based on measuring changes in the magnetic field due to the application of torque or force to a component. Two types of inverse magnetostrictions are used here. One type is based on the fact that the Weiss domains shift due to the stresses in the magnetized component, resulting in an external magnetic field. In the other type, a magnetic field is introduced into the component via a coil. When torque is applied, there is a change in the magnetic field due to a change in the permeability of the material. The change in the magnetic field is recorded via other coils or magnetic field sensors.

Stand der TechnikState of the art

Wie allgemein bekannt können magnetisierte Umfangsabschnitte oder Bereiche 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 ungewollten Einfluss auf die Signalqualität, beispielsweise einen 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.As is generally known, magnetized peripheral sections or areas can be produced by directly magnetized components, for example shafts or flanges, or by separate magnetized sleeves made from special sensor materials. These so-called primary sensors are usually pressed onto the shaft over their entire length, which can have an unwanted effect on the signal quality, for example an uneven stress profile within the sleeve. Since the magnetized sleeve usually has to be very small, only a very small magnetic flux density to be measured can be generated. Unwanted, assembly-related component stresses also degrade the signal quality.

Aus der EP 3 364 163 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.From the EP 3 364 163 B1 shows a generic magnetoelastic torque sensor. The torque sensor essentially consists of a shaft which is magnetized in a first axial section in a first circumferential direction and to which a torque to be measured can be applied, the shaft having a second axial section which is magnetized in a second circumferential direction which is opposite to the first circumferential direction, a first magnetic field sensor for detecting a magnetic field generated by the first section of the shaft and dependent on the applied torque outside the shaft and a second magnetic field sensor for detecting a magnetic field generated by the second section of the shaft and dependent on the applied torque outside the Wave. The magnetic field sensors are designed here as 3D AMR sensors.

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 Antriebstechnik 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 Welle oder dergleichen mit einer magnetisierten Hülse bestückt werden und als Primärsensor dienen kann.It is not always possible to integrate the magnetized peripheral sections serving as primary sensors directly into the shaft, which in this respect has to be made from special sensor materials. Other materials are used, particularly in the area of application of drive technology that is of interest here. For this reason, a magnetized sleeve is used as the primary sensor instead of directly applied magnetized peripheral sections. This also offers the advantage that any shaft or the like can be equipped with a magnetized sleeve and can serve as the primary sensor.

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.It is therefore the object of the present invention to further improve a torque sensor with a magnetized sleeve as the primary sensor such that a high signal quality can be achieved with simple technical means.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

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.The object is achieved based on a torque sensor according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. The following dependent claims reflect advantageous developments of the invention.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass an wenigstens einem von beiden mit der Welle beziehungsweise Maschinenbauteil drehfest verbundenen axialen Enden der Hülse, diese in einem Kontaktbereich über eine Reibschweißverbindung mit einem nicht-magnetisierbaren oder nur sehr gering-magnetisierbaren Ring verschweißt und der nicht-magnetisierbare oder nur sehr gering-magnetisierbare Ring mit der Welle beziehungsweise Maschinenbauteil verbunden ist.The invention includes the technical teaching that at least one of the two axial ends of the sleeve, which are non-rotatably connected to the shaft or machine component, is welded in a contact area via a friction welded connection to a non-magnetizable or only very slightly magnetizable ring and the non-magnetizable or only very slightly magnetizable ring is connected to the shaft or machine component.

Unter dem axialen Ende wird im Sinne der Erfindung der Bereich der Stirnseite verstanden, oder ein Bereich, welcher zumindest an die Stirnseiten der Hülse direkt angrenzt. Ein Bauteil, welches an einem axialen Ende angeordnet ist müsste somit zumindest an einer durch die Stirnseite gebildeten Kante, anliegen. Der Kontaktbereich ist dabei der Bereich, bei welchem der nicht-magnetisierbare oder schlecht magnetisierbare Ring und die Hülse miteinander in Kontakt sind.In the context of the invention, the axial end is understood to be the area of the end face, or an area which is directly adjacent at least to the end faces of the sleeve. A component which is arranged at an axial end would therefore have to bear against at least one edge formed by the end face. The contact area is the area in which the non-magnetizable or poorly magnetizable ring and the sleeve are in contact with one another.

Beim Reibschweißen werden dabei zwei Teile unter Druck relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile in dem Kontaktbereich berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Da die Hülse einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweist ist es normalerweise nicht möglich oder nur schwer möglich diese mittels gewöhnlicher Schweißverfahren, wie Laserschweißen, mit dem Ring zu verbinden. Mit Hilfe des Reibschweißens kann die Hülse trotz alledem mit dem wenigstens einen Ring verbunden werden. Der nicht-magnetisierbare Ring dahingegen ist gut schweißbar, so dass für eine feste Verbindung zwischen Welle und nicht-magnetisierbaren Ring alle Verbindungsmöglichkeiten offen sind, so dass ein Drehmoment der Welle an die Hülse übertragbar ist. Bevorzugt ist die Hülse dabei an beiden axialen Enden in einem Kontaktbereich über eine Reibschweißverbindung mit einem nicht-magnetisierbaren Ring verschweißt.During friction welding, two parts are moved relative to one another under pressure, with the parts touching in the contact area. The resulting friction causes the material to heat up and plasticize. Due to the high carbon content of the sleeve, it is usually not possible or difficult to join it to the ring using common welding methods such as laser welding. Despite everything, the sleeve can be connected to the at least one ring with the aid of friction welding. The non-magnetizable ring, on the other hand, is easy to weld, so that all connection options are open for a firm connection between the shaft and the non-magnetizable ring, so that torque from the shaft can be transmitted to the sleeve. The sleeve is preferably welded at both axial ends in a contact area to a non-magnetizable ring via a friction-welded connection.

Durch die feste Verbindung mit dem wenigstens einen Ring wird somit eine magnetische Entkoppelung zwischen Welle und Hülse erzielt, welche zu einer Erhöhung der Flussdichte und somit einer Verbesserung der Empfindlichkeit der Sensorik führt. Zusätzlich wird eine Optimierung des Magnetfeldverlaufs erwartet, die zu einer stabileren Signalqualität führt.The fixed connection with the at least one ring thus achieves a magnetic decoupling between the shaft and the sleeve, which leads to an increase in the flux density and thus an improvement in the sensitivity of the sensor system. In addition, an optimization of the magnetic field curve is expected, which will lead to a more stable signal quality.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hülse an einem zum nicht-magnetisierbaren Ring entgegengesetzten axialen Ende in einem Kontaktbereich mit einem Wellenabsatz über eine Reibschweißverbindung verbunden ist. Ein Wellenabsatz wird dabei durch eine Durchmesseränderung der Welle verursacht. Dieser Wellenabsatz bildet zusammen mit dem Ring die Befestigung der Hülse an der Welle. Eine solche Befestigung hat den Vorteil, dass lediglich ein einziger Ring zur Befestigung der Hülse an der Welle benötigt wird. Zudem kann der Wellenabsatz platzsparend mit verwendet werden.According to a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the sleeve is connected at an axial end opposite to the non-magnetizable ring in a contact area with a shaft shoulder via a friction weld connection. A shaft shoulder is caused by a change in the diameter of the shaft. This shaft shoulder, together with the ring, forms the attachment of the sleeve to the shaft. Such attachment has the advantage that only a single ring is required to attach the sleeve to the shaft. In addition, the corrugated heel can be used to save space.

Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der nicht-magnetisierbare Ring stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig an der Welle befestigt ist. Durch die Verwendung eines solchen Rings kann die Verbindung zur Welle unabhängig von der Hülse ausgelegt werden. Bevorzugt wird der Ring mittels einer Schweißverbindung oder eine Keilverzahnung mit der Welle verbunden. Besonders bevorzugst ist der nicht-magnetisierbare Ring über eine Laserschweißverbindung, Reibschweißverbindung oder eine Pressverbindung mit der Welle verbunden.According to a measure that further improves the invention, it is proposed that the non-magnetizable ring be attached to the shaft in a materially bonded, form-fitting or force-fitting manner. By using such a ring, the connection to the shaft can be designed independently of the sleeve. The ring is preferably connected to the shaft by means of a welded connection or a spline. The non-magnetizable ring is particularly preferably connected to the shaft via a laser welded connection, friction welded connection or a press connection.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Welle eine Hohlwelle und die Hülse ist innerhalb der Hohlwelle angeordnet und über den Ring an dem Innendurchmesser der Hohlwelle befestigt. Die vorzugsweise zwei Ringe sind dadurch über ihren Außendurchmesser innen an der Hohlwelle befestigt. Da Zwischenwellen oder Ritzelwellen oftmals hohl ausgebildet sind, kann dieser Platz ausgenutzt werden, so dass Platz am Außendurchmesser der Welle eingespart werden kann.According to an advantageous development, the shaft is a hollow shaft and the sleeve is arranged inside the hollow shaft and is fastened to the inner diameter of the hollow shaft via the ring. The preferably two rings are thus fastened to the inside of the hollow shaft via their outer diameter. Since intermediate shafts or pinion shafts are often hollow, this space can be used so that space can be saved on the outer diameter of the shaft.

Vorteilhafterweise weist der Kontaktbereich an wenigstens einem axialen Ende der Hülse, wenigstens eine schiefe Fläche auf. Als schiefe Fläche im Sinne der Erfindung wird eine Fläche verstanden, welche sich sowohl in einer radialen als auch in axialer Richtung der Welle erstrecken. Die Fläche erstreckt sich somit nicht rein in axialer Richtung oder in radialer Richtung. Mit anderen Worten weist eine solche schiefe Fläche einen beliebigen Winkel zur Hülsenachse auf, welcher weder parallel noch orthogonal dazu ist. Eine solche schiefe Fläche kann sowohl an dem Ring als auch an dem Wellenabsatz ausgebildet sein. Durch die schiefe Fläche wird der Kontaktbereich im Vergleich zu einem sich rein in axialer oder radialer Richtung erstreckenden Kontaktbereich, vergrößert. Die vergrößerte Kontaktfläche führt über die Reibschweißverbindung zu einer höheren Festigkeit der Verbindung, ohne dabei den Platzbedarf zu erhöhen.Advantageously, the contact area has at least one inclined surface on at least one axial end of the sleeve. In the context of the invention, an inclined surface is understood to mean a surface which extends both in a radial and in an axial direction of the shaft. The surface therefore does not extend purely in the axial direction or in the radial direction. In other words, such an inclined surface has any angle to the sleeve axis which is neither parallel nor orthogonal to it. Such an inclined surface can be formed both on the ring and on the shaft shoulder. The inclined surface increases the contact area in comparison to a contact area that extends purely in the axial or radial direction. The increased contact surface leads to a higher strength of the connection via the friction welded connection without increasing the space requirement.

Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Hülse in dem Kontaktbereich an wenigstens einem axialen Ende in eine Aussparung eingreift. Die Aussparung kann dabei sowohl in dem Ring als auch in dem Wellenabsatz ausgebildet sein. Die Aussparung umgreift dabei die Hülse an einer Stirnseite. Durch die Aussparung wird der Kontaktbereich nochmals vergrößert, so dass eine höhere Festigkeit einer derart ausgebildeten Reibschweißverbindung gebildet wird. Bevorzugt wird die Aussparung mit zwei schiefen Flächen gebildet, wodurch der Kontaktbereich nochmals vergrößert wird.According to a measure further improving the invention, it is proposed that the sleeve engages in a recess in the contact area at least at one axial end. The recess can be formed both in the ring and in the shaft shoulder. The recess encompasses the sleeve at one end. The contact area is enlarged again by the recess, so that greater strength is formed in a friction-welded connection formed in this way. The recess is preferably formed with two sloping surfaces, as a result of which the contact area is increased again.

Vorzugsweise sollte der Ring die Hülse in Richtung der Welle um 0,3 bis 5 Millimeter überragen, so dass zwischen Hülse und Welle ein Spalt ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Spalt dabei maximal 2 mm und besonders bevorzugt maximal 1 mm. Durch einen solchen Spalt wird eine ausreichende magnetische Entkopplung zwischen der Hülse und der Welle erzielt, so dass die Störeinflüsse durch das Wellenmaterial minimiert bzw. beseitigt werden. Zusätzlich wird dadurch eine möglichst kleinbauende Gesamtanordnung geschaffen. Vorzugsweise ist der Spalt mit einem nicht-magnetisierbaren oder nur gering-magnetisierbaren Füllstoff ausgefüllt.Preferably, the ring should protrude the sleeve by 0.3 to 5 millimeters in the direction of the shaft gen, so that there is a gap between the sleeve and the shaft. The gap is preferably at most 2 mm and particularly preferably at most 1 mm. Such a gap achieves sufficient magnetic decoupling between the sleeve and the shaft, so that the interference from the shaft material is minimized or eliminated. In addition, this creates an overall arrangement that is as small as possible. The gap is preferably filled with a non-magnetizable or only slightly magnetizable filler.

Figurenlistecharacter list

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 einen schematischen Längsschnitt durch die Welle mit hieran angebrachtem Primärsensor des Drehmomentsensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen schematischen Längsschnitt durch die Welle mit hieran angebrachtem Primärsensor des Drehmomentsensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 einen schematischen Längsschnitt mit einem Primärsensor nach einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel,
4 einen schematischen Längsschnitt mit einem Primärsensor nach einem fünften Ausführungsbeispiel, und
5 einen schematischen Längsschnitt mit einem Primärsensor nach einem sechsten Ausführungsbeispiel.

Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the figures. It shows:

1 a schematic longitudinal section through the shaft with attached primary sensor of the torque sensor according to a first embodiment,
2 a schematic longitudinal section through the shaft with attached primary sensor of the torque sensor according to a second embodiment,
3 a schematic longitudinal section with a primary sensor according to a third and fourth embodiment,
4 a schematic longitudinal section with a primary sensor according to a fifth embodiment, and
5 a schematic longitudinal section with a primary sensor according to a sixth embodiment.

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. Diese magnetisierten Umfangsabschnitte 3 und 4 korrespondieren mit gegenüberliegend ortsfest angeordneten Magnetfeldsensoren 5 bzw. 6 (Sekundärsensoren) zur Messwertabnahme und weiterer Messwertverarbeitung nach dem an sich bekannten Messprinzip der inversen Magnetostriktion.According to 1 a torque sensor for measuring a torque on a shaft 1 essentially consists of a magnetized sleeve 2 mounted on the shaft 1 as the primary sensor. The magnetized sleeve 2 is provided with two circumferential sections 3 and 4 which are arranged at an axial distance from one another and are magnetized in opposite directions. These magnetized peripheral sections 3 and 4 correspond to stationary magnetic field sensors 5 and 6 (secondary sensors) arranged opposite one another for taking measured values and further processing measured values according to the known measuring principle of inverse magnetostriction.

In dem ersten Ausführungsbeispiel ist an beiden axialen Enden 7 der magnetisierten Hülse 2 ein nicht-magnetisierbarer Ring 8 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das axiale Ende 7 eine axiale Stirnseite der Hülse 2, welche die Welle 1 umfänglich umgibt. Die Hülse 2 und der nicht-magnetisierbare Ring 8 weisen einen Kontaktbereich 9 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als in Radialrichtung ausgerichtete Fläche ausgebildet ist. In diesem Kontaktbereich 9 ist die Hülse 2 mit dem Ring 8 über eine Reibschweißverbindung verbunden.In the first exemplary embodiment, a non-magnetizable ring 8 is arranged on both axial ends 7 of the magnetized sleeve 2 . In this embodiment, the axial end 7 is an axial end face of the sleeve 2, which surrounds the shaft 1 circumferentially. The sleeve 2 and the non-magnetizable ring 8 have a contact area 9 which, in this exemplary embodiment, is designed as a surface oriented in the radial direction. In this contact area 9, the sleeve 2 is connected to the ring 8 via a friction-welded connection.

In Richtung der Welle 1 überragen die Ringe 8 die Hülse 2, so dass der innere Durchmesser der Ringe 8 kleiner ist als der innere Durchmesser der Hülse 2. Dadurch wird zwischen Welle 1 und Hülse 2 ein Spalt 10 gebildet, der zu einer magnetischen Entkoppelung zwischen Welle 1 und Hülse 2 führt. Die beiden Ringe 8 können dabei durch übliche stoffschlüssige, formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindungen, mit der Welle 1 verbunden sein, so dass beide Ringe 8 sowohl fest mit der Welle 1 als auch mit der Hülse 2 verbunden sind und somit ein Drehmoment auf die Hülse 2 übertragbar ist.In the direction of the shaft 1, the rings 8 protrude beyond the sleeve 2, so that the inner diameter of the rings 8 is smaller than the inner diameter of the sleeve 2. As a result, a gap 10 is formed between the shaft 1 and sleeve 2, which leads to magnetic decoupling between Shaft 1 and sleeve 2 leads. The two rings 8 can be connected to the shaft 1 by conventional material-to-material, form-fitting or force-fitting connections, so that both rings 8 are firmly connected to both the shaft 1 and the sleeve 2 and a torque can therefore be transmitted to the sleeve 2 is.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem und in den folgenden Ausführungsbeispielen wurden die in 1 gezeigten Magnetfeldsensoren 5 bzw. 6 übersichtshalber weggelassen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zu dem ersten in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Hülse 2 an einem axialen Ende 7 mit einem Wellenabsatz 11 verbunden ist. An dem dazu axial gegenüberliegenden Ende 7 ist, die Hülse 2 ebenso wie in 1 über einen Ring 8 mit der Welle 1 verbunden. Zwischen dem Wellenabsatz 11 und der axialen Stirnseite ist ebenso ein Kontaktbereich 9 ausgebildet, über welchen die Hülse 2 und der Wellenabsatz 11 über die Reibschweißverbindung miteinander verbunden sind.In 2 a second embodiment of the invention is shown. In this and in the following exemplary embodiments, the 1 shown magnetic field sensors 5 and 6 omitted for clarity. This embodiment differs from the first in 1 shown embodiment characterized in that the sleeve 2 is connected at an axial end 7 with a shaft shoulder 11. At the end 7 axially opposite to this, the sleeve 2 as well as in 1 connected to the shaft 1 via a ring 8 . A contact area 9 is also formed between the shaft shoulder 11 and the axial end face, via which the sleeve 2 and the shaft shoulder 11 are connected to one another via the friction welded connection.

3 zeigt eine Verbindung zwischen der Hülse 2 und dem Ring 8 nach einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel. Die beiden verschiedenen Ausführungsbeispiele sind dabei durch eine gestrichelte Linie durch die Hülse 2 getrennt. In einer linken Seite der Figur ist der Kontaktbereich 9 an einem Innenradius der Hülse 2 ausgebildet. Der Kontaktbereich 9 ist dabei in Form einer schiefen Fläche ausgebildet. Dadurch kann der Kontaktbereich 9 zwischen Hülse 2 und Ring 8, im Vergleich zu einer in Axial- oder Radialrichtung ausgerichteten Fläche, vergrößert werden. Hülse 2 und Ring 8 sind wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen über eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden. 3 shows a connection between the sleeve 2 and the ring 8 according to a third and fourth embodiment. The two different exemplary embodiments are separated by the sleeve 2 by a dashed line. In a left side of the figure, the contact portion 9 is formed at an inner radius of the sleeve 2 . The contact area 9 is designed in the form of an inclined surface. As a result, the contact area 9 between the sleeve 2 and the ring 8 can be enlarged compared to an area oriented in the axial or radial direction. Sleeve 2 and ring 8 are connected to one another via a friction welded connection, as in the previous exemplary embodiments.

Auf einer rechten Seite der Figur ist eine Aussparung 12 ausgebildet, in welche die Hülse 2 eingreift. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel auf der linken Seite, weist der Kontaktbereich 9 zwei schiefe Flächen auf. Durch die Verwendung einer Aussparung 12 und der schiefen Flächen kann der Kontaktbereich 9 zwischen Hülse 2 und Ring 8 noch einmal wesentlich erhöht werden, so dass die Haltbarkeit einer im Kontaktbereich 9 gebildeten Reibschweißverbindung verbessert wird. Der Ring 8 auf der rechten Seite unterscheidet sich zusätzlich von den zuvor genannten Ringen 8 insoweit, dass diese sowohl einen kleineren Innendurchmesser als auch einen größeren Außendurchmesser als die Hülse 2 aufweist. Der Ring 8 überragt somit die Hülse 2 in beiden radialen Richtungen. Dadurch wird ein steiferer Ring 8 bereitgestellt, welcher sich besser hinsichtlich einer Pressverbindung eignet.A recess 12 into which the sleeve 2 engages is formed on a right side of the figure. In contrast to the exemplary embodiment on the left, the contact area 9 has two inclined surfaces. Through the use of a recess 12 and the sloping surfaces, the contact area 9 between the sleeve 2 and the ring 8 can again be significantly increased, so that the durability of a contact area 9 gebil deten friction welded joint is improved. The ring 8 on the right-hand side also differs from the aforementioned rings 8 in that it has both a smaller inside diameter and a larger outside diameter than the sleeve 2 . The ring 8 thus protrudes beyond the sleeve 2 in both radial directions. This provides a stiffer ring 8 which is better suited to an interference fit.

Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt eine Kombination der Ausführungsbeispiele aus 2 und 3. In dieser Figur wird die Aussparung 12 in dem Wellenabsatz 11 ausgebildet. Auch hier wird der Kontaktbereich 9 durch zwei schiefe Flächen gebildet.The embodiment in 4 shows a combination of the exemplary embodiments 2 and 3 . In this figure, the recess 12 is formed in the shaft shoulder 11 . Here, too, the contact area 9 is formed by two sloping surfaces.

5 zeigt einen schematischen Längsschnitt nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Welle 1 als Hohlwelle ausgebildet ist. Der Primärsensor ist somit innerhalb der Welle 1 angeordnet. Dadurch kann der Platz in der Hohlwelle 1 zusätzlich für die Drehmomentmessung genutzt werden. Zusätzlich ist der Kontaktbereich 9 zwischen den Ringen 8 und der Hülse 2 an einem Außendurchmesser der Hülse 2 angeordnet. 5 shows a schematic longitudinal section according to a further embodiment of the invention. This exemplary embodiment differs from the exemplary embodiments described above in that the shaft 1 is designed as a hollow shaft. The primary sensor is thus arranged inside the shaft 1. As a result, the space in the hollow shaft 1 can also be used for torque measurement. In addition, the contact area 9 between the rings 8 and the sleeve 2 is arranged on an outer diameter of the sleeve 2 .

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Beispielsweise können zwei Hülsen 2 axial hintereinander angeordnet sein. Ein Ring 8 zwischen beiden Hülsen 2 dient dabei dazu, beide Hülsen 2 über eine Reibschweißverbindung zu befestigen. Auch können die Ringe 8 einen in radialer Richtung verlaufenden Spalt aufweisen, so dass diese nach Art eines Sprengrings oder Spannrings ausgebildet sind. Ebenso kann der Ring 8 aus mehreren Ringsegmenten gebildet sein.The invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, modifications of this are also conceivable, which are included in the scope of protection of the following claims. For example, two sleeves 2 can be arranged axially one behind the other. A ring 8 between the two sleeves 2 serves to fasten both sleeves 2 via a friction-welded connection. The rings 8 can also have a gap running in the radial direction, so that they are designed in the manner of a snap ring or clamping ring. Likewise, the ring 8 can be formed from several ring segments.

BezugszeichenlisteReference List

11: Welle/ Hohlwelleshaft/ hollow shaft
22: Hülsesleeve
33: erster magnetisierter Umfangsabschnittfirst magnetized peripheral section
44: zweiter magnetisierter Umfangsabschnittsecond magnetized peripheral section
55: erster Magnetfeldsensorfirst magnetic field sensor
66: zweiter Magnetfeldsensorsecond magnetic field sensor
77: axiales Endeaxial end
88th: nicht-magnetisierbarer Ringnon-magnetizable ring
99: Kontaktbereichcontact area
1010: Spaltgap
1111: Wellenabsatzwave heel
1212: Aussparungrecess

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3364163 B1 [0005]

Claims

Torque sensor for measuring a torque or a force on a shaft (1) or another machine component according to the measuring principle of inverse magnetostriction, on which at least one sleeve (2) is attached as the primary sensor, which has at least one magnetized or magnetizable section (3, 4 ) which interacts in each case without contact with magnetic field sensors (5, 6) arranged stationary opposite thereto as a secondary sensor for taking the measured value, characterized in that on at least one of the two axial ends (7) of the sleeve which are non-rotatably connected to the shaft (1) or machine component (2), this is welded in a contact area (9) to a non-magnetizable ring (8) via a friction weld connection and the non-magnetizable ring (8) is connected to the shaft (1) or machine component.

Torque sensor after claim 1 , characterized in that the sleeve (2) is connected to a non-magnetizable ring (8) opposite axial end (7) in a contact area (9) with a shaft shoulder (11) via a friction weld.

Torque sensor after claim 1 or 2 , characterized in that the non-magnetizable ring (8) is fastened to the shaft (1) in a materially, form-fitting or non-positive manner.

Torque sensor after claim 3 , characterized in that the non-magnetizable ring (8) is connected to the shaft (1) via a laser welded connection, friction welded connection or a press connection.

Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft (1) is a hollow shaft and the sleeve (2) is arranged inside the hollow shaft (1) and is fastened to the inner diameter of the hollow shaft (1) via the ring (8).

Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the contact area (9) has at least one inclined surface on at least one axial end (7) of the sleeve (2).

Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sleeve (2) in the contact area (9) engages in a recess (12) on at least one axial end (7).

Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the ring (8) protrudes beyond the sleeve (2) in the direction of the shaft (1) by 0.3 to 5 millimeters, so that between the sleeve (2) and shaft (1). Gap (10) is formed.

Torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the ring (8) is arranged on the axial end face or on an outer/inner diameter of the sleeve (2).

Drive train of a motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle, with a torque sensor according to one of the preceding claims, which is arranged on at least one component of the drive train, selected from a component group comprising drive engine, gearbox, transfer shaft.