DE102021123394A1

DE102021123394A1 - Belastungsmessanordnung zum magnetostriktiven Messen einer Belastung an einem Testobjekt sowie Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102021123394A1
Application number: DE102021123394.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias ETTENAUER; Falk von Seggern
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-03-09
Also published as: US20230073155A1; US11852556B2

Abstract

Zur genaueren Belastungsmessung schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung (10) umfassend ein Testobjekt (12) und eine Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt (12), wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zum Erfassen eines aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters an einem Messbereich (18) des Testobjekts (12) aufweist, wobei das Testobjekt (12) zumindest an dem Messbereich (18) und zumindest in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, derart kaltverformt ist, dass er eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur magnetostriktiven Messung einer Belastung, die an dem Testobjekt, zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Testobjekts anliegt. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung der Belastungsmessanordnung in einem Belastungsmessverfahren zum Messen einer zwischen einem ersten Bereich eines Testobjekts und einem zweiten Bereich eines Testobjekts anliegenden Belastung mittels aktiver Aufmagnetisierung. Weiter betrifft die Erfindung ein
Belastungsmessanordnungen und Belastungsmessverfahren, bei denen eine Belastung wie z.B. ein Drehmoment, eine Kraft oder auch mechanische Spannungen in einem Testobjekt magnetostriktiv gemessen werden, sind bekannt. Bei einigen dieser Messverfahren und Messanordnungen wird der Messbereich vorab permanent magnetisiert, bei anderen bekannten Messverfahren und Messanordnungen wird erst bei der Messung aktiv ein Magnetfeld angelegt. Bei allen diesen Verfahren wird wenigstens ein Magnetfeldparameter, der sich bei Belastung an einem Messbereich des Testobjekts ändert, zur Bestimmung der Belastung erfasst.
Belastungsmessanordnungen und Belastungsmessverfahren sind zum Beispiel aus den folgenden Literaturstellen bekannt:

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Belastungsmessanordnungen zum magnetostriktiven Messen von Belastungen derart zu verbessern, dass geringere Messfehler auftreten.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung und eine Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Ein Herstellverfahren für eine solche Belastungsmessanordnung ist in dem weiteren Nebenanspruch angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters an einem Messbereich des Testobjekts aufweist, wobei das Testobjekt zumindest an dem Messbereich und zumindest in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, derart kaltverformt ist, dass er eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt lokal an dem Messbereich kaltverformt ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt oder ein Teilelement desselben ganz aus einem kaltverfestigten Material gefertigt ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt einen Hauptübertragungsbereich aufweist, der einen Großteil der Belastung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Testobjekts aufnimmt, wobei ein Nebenübertragungselement an dem ersten und zweiten Bereich des Testobjekts so befestigt ist, dass es parallel zu dem Hauptübertragungsbereich einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aufnimmt, wobei der kaltverfestigte Messbereich an dem Nebenübertragungselement ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement magnetostriktiv ist und an das Testobjekt so angebracht ist, dass eine Verformung des Testobjekts zu einer Verformung des Nebenübertragungselement führt, wobei die Belastungsmessvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Belastung an dem Nebenübertragungselement zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich gebildet ist, wobei sich jedoch Materialeigenschaften aufgrund der Kaltverformung unterscheiden.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit einem ersten Verbindungsbereich fest mit dem ersten Bereich des Testobjekts verbunden ist und mit einem zweiten Verbindungsbereich fest mit dem zweiten Bereich des Testobjekt befestigt ist, wobei ein zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich angeordneter Messbereich des Nebenübertragungselements nicht mit dem Übertragungsbereich verbunden ist und bei Belastung des Übertragungsbereich parallel belastet wird, wobei die Belastungsmessvorrichtung zur Messung der Belastung an dem Messbereich durch aktive Magnetisierung und Ermitteln eines sich durch die Belastung ändernden Magnetparameters ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit dem ersten und zweiten Bereich des Testobjekts mittels einer Verbindungstechnik aus der Gruppe verbunden ist, die Nieten, Schrauben, eine stoffschlüssige Verbindung, Schweißen, Löten, Kleben, Bonden, Aufschrumpfen, Krimpen umfasst.
Es ist bevorzugt, dass der Messbereich des Nebenübertragungselements den ersten und zweiten Verbindungsbereich brückenartig verbindet.
Es ist bevorzugt, dass der Messbereich des Nebenübertragungselements eine geringere Dicke und/oder Breite wie die Verbindungsbereiche aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche und des Messbereichs so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des Testobjekts zu einer stärkeren Dehnung an dem Messbereich führt.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche und des Messbereichs so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des Testobjekts zu einer derartig veränderten Dehnung an dem Messbereich führt, dass eine mittlere Dehnung oder mittlere Spannung an einer Messposition des Messbereichs, welche Messposition von einer einem Messaufnehmer der Belastungsmessvorrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer der Eindringtiefe des Magnetfeldes entsprechenden Tiefe reicht, um mindestens 20% von der mittleren Dehnung bzw. mittleren Spannung des Nebenübertragungselements abweicht.
Es ist bevorzugt, dass die Verbindungsbereiche wesentlich steifer ausgebildet sind als der Messbereich.
Es ist bevorzugt, dass der erste Verbindungsbereich, der Messbereich und der zweite Verbindungsbereich als axial aufeinanderfolgend aneinander befestigte Hülsen ausgebildet sind, in denen der Übertragungsbereich aufgenommen ist, wobei die Verbindungsbereiche eine größere Wandstärke als der Messbereich aufweisen, wobei die voneinander weg angeordneten Enden der Verbindungsbereiche mit dem ersten bzw. zweiten Bereich des Testobjekts fest verbunden, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aber Relativbewegungen zwischen den Hülsen und dem Übertragungsbereich möglich sind.
Es ist bevorzugt, dass der Messbereich elastischer als der Übertragungsbereich ist.
Bei einigen Ausführungsformen, bei denen der Messbereich vor der Messung magnetisiert worden ist, so dass er selbst magnetisch ist, weist die Belastungsmessvorrichtung lediglich eine oder mehrere Magnetfeldparametererfassungseinrichtungen, z.B. Messspulen auf.
Die Belastungsmessvorrichtung ist gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen so ausgebildet, wie dies in den vorerwähnten Literaturstellen [1] bis [16] beschrieben ist. Sie weist somit vorzugsweise z.B. einen Messaufnehmer, wie z.B. Sensorkopf mit Spulen, insbesondere Planarspulen, mehr insbesondere in V- oder X-Anordnung auf, um ein Magnetfeld mittels einer Generatorspule zu erzeugen und von Belastungen abhängige Magnetfeldparameteränderungen mittels Messspulen zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement ändernden Magnetfeldparameters aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum aktiven Erzeugen eines Magnetfelds an dem Messbereich aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung eine Generatorspule und wenigstens zwei Messspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung Planarspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung in wenigstens drei in V-Form angeordnete Spule oder fünf in X-Form angeordnete Spulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung und eine mit dem Messaufnehmer verbundene Versorgungs- und Auswerteeinheit aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt zumindest an dem Messbereich aus Material aus der Gruppe gebildet ist, welche
einen kaltverfestigten metallischen Werkstoffe mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, und mit einer Permeabilität >2,
kaltverfestigter Stahl, mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, kaltverfestigtes Eisen mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigtes Nickel mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigtes Cobalt mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigte Eisen-Nickel Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig
> 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen,
kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig
> 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen,
kaltverfestigte Cobalt-Nickel-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Kraft, einer Dehnung, eines Drehmoments oder einer axialen Spannung mithilfe einer aktiven Magnetsensorik ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Testobjekt verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Nebenübertragungselement verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen stationär angebrachten Messaufnehmer zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt aufweist, welches um eine Drehachse drehbar ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt ein Getriebeelement zur Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt ein im Betrieb belastetes Teil eines Fahrzeugs oder Hebewerkzeugs ist. Beispielsweise ist das Testobjekt eine Fahrwerkskomponente.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer Belastungsmessanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche in einem Belastungsmessverfahren zum Messen einer an einem Testobjekt zwischen einem ersten und einen zweiten Bereich anliegenden Belastung.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, umfassend

a1) Bereitstellen eines Testobjekts, bei dem wenigstens ein Messbereich aus einem metallischen Werkstoff mit magnetostriktiven Eigenschaften ausgebildet ist und plastisches Verformen zumindest des Messbereichs bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um mindestens in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa zu erhalten oder
a2) Bereitstellen eines metallischen Werkstoffes, plastisches Verformen zumindest eines Bereichs des metallischen Werkstoffes bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um mindestens in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa zu erhalten, und Herstellen eines Testobjekts aus dem so bearbeiteten Werkstoff so, dass der plastisch verformte Bereich einen Messbereich bildet, und
b) Anordnen einer Belastungsmessvorrichtung an dem Messbereich des Testobjekts, wobei die Belastungsmessvorrichtung wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Messbereich des Testobjekts aufweist.

Es ist bevorzugt, dass zum Durchführen der plastischen Verformung bei den alternativen Schritten a1) oder a2) der oberflächennahe Bereich mithilfe zumindest einer der Methoden aus der Gruppe plastisch verformt wird, die Walzen, Kugelwalzen, Glattwalzen, Festwalzen, Strahlen, Kugelstrahlen, Glasperlenstrahlen, Ultraschallstrahlen, Edelstahlstrahlen, Drahtkornstrahlen, Sandstrahlen, Eisstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen, Feuchtstrahlen, Laser-Shockpeening, Tiefziehen und Dengeln umfasst.
Vorzugsweise umfasst das Herstellverfahren weiter:

Bereitstellen eines Grundkörpers des Testobjekts, Bereitstellen eines Nebenübertragungselements, wobei das Nebenübertragungselement separat von dem Grundkörper unter plastischer Verformung gemäß den Schritten a1) oder a2) hergestellt wird, Befestigen eines ersten Verbindungsbereich des Nebenübertragungselements an einem ersten Bereich des Testkörpers und eines zweiten Verbindungsbereich an einem zweiten Bereich des Testkörpers, so dass sich der zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich befindliche Messbereich des Nebenübertragungselements und ein sich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich befindlicher Übertragungsbereich des Testkörpers zum Durchführen unterschiedlicher Verformungen relativ zueinander bewegen können, und Anordnen der Belastungsmessvorrichtung zum Messen der Belastung an dem Messbereich des Nebenübertragungselements.

Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung und eine mit dem Messaufnehmer verbundene Versorgungs- und Auswerteeinheit aufweist. Bevorzugte weitere Einzelheiten der Versorgungs- und Auswerteeinheit sind insbesondere in der [5], [7] und [17] beschrieben.
Das Nebenübertragungselement kann insbesondere hinsichtlich Materialauswahl optimal zur Belastungsmessung durch aktive Aufmagnetisierung ausgebildet werden.
Vorzugsweise lässt sich das Nebenübertragungselement getrennt von einem sonstigen Grundkörper des Testobjekts einfacher herstellen. Beispielsweise lässt sich ein kleineres Nebenübertragungselement für eine Materialbearbeitung einfacher handhaben als z.B. größere Wellen oder Fahrwerksteile oder dergleichen. Das Nebenübertragungselement kann dann an den Grundkörper des Testobjekts befestigt werden, so dass ein Teil der Belastung über das Nebenübertragungselement aufgenommen wird und dort gemessen werden kann. Daraus kann man dann, beispielsweise nach einer Kalibration, die Belastung des Testobjekts ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Kraft, einer Dehnung, eines Drehmoments oder einer axialen Spannung mithilfe einer aktiven Magnetsensorik ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Testobjekt verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Nebenübertragungselement verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist;
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement magnetostriktiv ist und an das Testobjekt so angebracht ist, dass eine Verformung des Testobjekts zu einer Verformung des Nebenübertragungselement führt, wobei die Belastungsmessvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Belastung an dem Nebenübertragungselement zu ermitteln.
Bei einer Ausgestaltung ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich gebildet ist. Dadurch lassen sich Messfehler z.B. aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungen verringern. Durch die Verwendung des Nebenübertragungselements kann die Geometrie des Nebenübertragungselements unabhängig von der Geometrie des Übertragungsbereichs zur Belastungsmessung optimiert werden.
Das Nebenübertragungselement kann getrennt von dem Grundkörper des Testobjekts einer Kaltverfestigung unterworfen werden.
Versuche haben gezeigt, dass sich durch Kaltverformungen magnetostriktive Belastungsmessungen verbessern lassen.
Einige Eigenschaften und Vorteile bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
Bevorzugte Ausgestaltung betreffen eine magnetostriktive Belastungsmessung an einem kaltverformten Messbereich eines Testobjekts.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine derartige Belastungsmessung mithilfe eines in einem sekundären Kraft- oder Drehmoment- oder Belastungsfluss eingefügten Nebenübertragungselements, an dem der Messbereich ausgebildet ist.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Kraft-/ Dehnungs- / axiale Belastungsmessung mithilfe einer aktiven Magnetfeldsensorik.
Bei einigen Ausgestaltungen wird ein Grundkörper eines Testobjekts zumindest bereichsweise einer plastischen Kaltverformung unterzogen.
Bei einigen Ausgestaltungen wird ein magnetostriktives Nebenübertragungselement (zuweilen auch Nebenschlusselement genannt) an das Messobjekt derart angebracht, dass eine Verformung des Messobjektes zu einer Verformung des Nebenübertragungselementes führt, wobei die Ermittlung der Kraft/Dehnung/Belastung über das Nebenübertragungselement erfolgt, wobei das Nebenübertragungselement zumindest teilweise plastisch kaltverformt ist.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Belastungsmessanordnung an Objekten mit mindestens stückweise zylinderförmiger Oberfläche, die sich um mindestens 5° um die Zylinderachse rotieren können, wobei ein ebenfalls mindestens stückweise zylinderförmiges Nebenübertragungselement an der Oberfläche angebracht ist, welches durch Belastungen des Grundkörpers ebenfalls verformt wird, und der Messaufnehmer Rotationen des Grundkörpers nicht mitmacht.
Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement derart geformt ist, dass es als Signal-Verstärker dient, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass es konstruktiv so gestaltet ist, eine Dehnung des Grundkörpers zu einer ungleichmäßigen Dehnung im Nebenübertragungselement führt, wobei die Dehnung oder die mittlere Spannung an der Messposition um mindestens 20% von der mittleren Dehnung oder mittleren Spannung des Nebenübertragungselementes abweicht, wobei die Messposition der dem Messaufnehmer zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe entspricht, die der Eindringtiefe des Magnetfeldes entspricht.
Es ist bei einigen Ausführungsformen bevorzugt, dass ein Nebenübertragungselement aus derselben Legierung / Stahlsorte gefertigt wird, wobei die mechanische und Wärmebehandlung abweichen dürfen.
Vorzugsweise ist das Nebenübertragungselement zumindest bereichsweise, insbesondere in einem Messbereich, gebildet aus kaltferfestigtem Metall (z.B. kaltgewalztem Blech, tiefgezogenem Zylinder) mit einer Versetzungsdichte > 5e8/cm², oder einer Druckeigenspannung von betragsmäßig größer 400 MPa.
Vorzugsweise ist das Nebenübertragungselement über eine der folgenden Anbringungsmethoden mit dem Grundkörper verbunden:

1. Nieten
2. Schrauben
3. Stoffschlüssig
1. a. Schweißen
2. b. Löten
3. c. Kleben
4. d. Bonden
4. Aufschrumpfen
5. Krimpen

Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer fest mit dem Grundkörper verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer fest mit dem Nebenübertragungselement verbunden ist.
Einige Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist, wobei mindestens ein Messbereich (unmittelbar an dem Grundkörper oder an einem Nebenübertragungselement des Testobjekts) mindestens in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm, bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, plastisch verformt wurde, um eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² zu erhalten.
Entsprechend umfasst eine bevorzugte Ausgestaltung des Herstellverfahrens plastisches Verformen zumindest eines Messbereichs des Nebenübertragungselements mindestens in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm, bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² zu erhalten.
Vorzugsweise ist/wird ein oberflächennaher Bereich mithilfe einer der folgenden Methoden plastisch verformt:

1. Walzen z.B.:
1. a. Kugelwalzen
2. b. Glattwalzen
3. c. Festwalzen
2. Strahlen z.B.:
1. a. Kugelstrahlen
2. b. Glasperlenstrahlen
3. c. Ultraschallstrahlen
4. d. Edelstahlstrahlen
5. e. Drahtkornstrahlen
6. f. Sandstrahlen
7. g. Eisstrahlen
8. h. Hochdruckwasserstrahlen
9. i. Feuchtstrahlen
3. Laser-Shockpeening
4. Dengeln

Bei einer Ausgestaltung ist/wird das Testobjekt oder das Nebenübertragungselement aus einem zuvor bereits kaltverfestigten Material gefertigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine schematische Blockdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Belastungsmessanordnung;
2 eine schematische Blockdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Belastungsmessanordnung;
3 eine schematische Blockdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Belastungsmessanordnung;
4 eine schematische Blockdarstellung einer vierten Ausführungsform der Belastungsmessanordnung;
5 eine schematische Blockdarstellung einer fünften Ausführungsform der Belastungsmessanordnung;
6 eine schematische Unteransicht auf ein Nebenübertragungselement für eine Belastungsmessanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7 einen Graph, der die Versetzungsdichte über die Tiefe bezüglich der Oberfläche für einen Messbereich des Testobjekts aus einem kaltverfestigten Material zeigt;
8 einen Graph vergleichbar von 7, wobei anstelle der Versetzungsdichte die Druckeigenspannung des kaltverfestigten Messbereichs über die Tiefe bezüglich der Oberfläche dargestellt ist;
9 einen Graph, der Sensor-Signale an einem Messbereich aus Stahl 1.4.104 mit und ohne Kaltverfestigung, hier durch Kugelstrahlen dargestellt;
10 einen Graph, der die Messabweichung für eine Messung an einem Messbereich aus Stahl 1.4104 mit und ohne Kugelstrahlung darstellt, wobei ein Messfehler gegenüber einem idealen Sensor für Messbereiche ohne Kugelstrahlen und mit Kugelstrahlen unterschiedlicher Intensität dargestellt sind;
11 einen Graph wie in 9, wobei der Messbereich aus Stahl 1.4112 gebildet ist;
12 einen Graph wie in 10, wobei der Messbereich aus Stahl 1.4112 gebildet ist;
13 einen Graph wie in 9, wobei der Messbereich aus Stahl 1.7227 gebildet ist;
14 einen Graph wie in 10, wobei der Messbereich aus Stahl 1.7227 gebildet ist;

In den 1 bis 5 sind unterschiedliche Ausführungsformen einer Belastungsmessanordnung 10 dargestellt, die ein Testobjekt 12 und eine Belastungsmessvorrichtung 14 zum Messen einer Belastung an dem Testobjekt 12 aufweist.
Die Belastungsmessvorrichtung 14 weist wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung 16, 16a, 16b auf, mit der ein sich aufgrund von Spannungen in einem Messbereich 18 des Testobjekts 12 ändernden Magnetfeldparameter gemessen wird.
Das Testobjekt 12 ist zumindest an dem Messbereich 18 und zumindest in einem oberflächennahen Bereich 52, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung 16, 16a, 16b zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, derart kaltverformt ist, dass er eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa aufweist.
Bei den Ausgestaltungen der 1 und 2 ist die Belastungsmessvorrichtung 14 lediglich durch eine Magnetfelderfassungseinrichtung 16 angedeutet, die z.B. durch eine Messspule 30 gebildet sein kann, ausgebildet. Die Belastungsmessvorrichtung 14 arbeitet bei einigen Ausführungsformen derart, dass der Messbereich 18 permanent magnetisiert worden ist.
Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 14 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 auf, mit der aktiv ein Magnetfeld in dem Messbereich 18 generiert wird. Hierdurch muss der Messbereich 18 nicht selbst permanent magnetisiert werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Belastungsmessvorrichtung 14 weisen, wie dies in 4 beispielhaft für unterschiedlich mögliche Ausführungsformen der Belastungsmessanordnung 10 angedeutet ist, einen beispielsweise als Sensorkopf 22 ausgebildeten Messaufnehmer 24 sowie eine Versorgungs- und Auswerteeinheit 26 auf. Der Messaufnehmer 24 weist als Planarspulen ausgebildete Spulen in Form einer Generatorspule 28 zum Bilden der Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 und in Form einer ersten Messspule 30a zum Bilden einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 16a und einer zweiten Messspule 30b zum Bilden einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung 16b auf. Konkrete mögliche Ausgestaltungen der Belastungsmessvorrichtung 14 inklusive Sensorkopf 22 und Versorgungs- und Auswerteeinheit 26 können den eingangs erwähnten Literaturstellen [1] bis [17] entnommen werden.
Der Messbereich 18 ist bei einigen Ausführungsformen der Belastungsmessanordnung 10 unmittelbar an einem Grundkörper 34 des Testobjekts 12 ausgebildet, wie dies in den Ausführungen der 1 bis 3 gezeigt ist. Bei anderen Ausgestaltungen, die beispielhaft in den 4 bis 6 gezeigt sind, weist das Testobjekt 12 ein Messobjekt 32 und ein Nebenübertragungselement 42 auf, wobei der Messbereich 18 an dem Nebenübertragungselement 42 ausgebildet ist.
Das Testobjekt 12 oder das Messobjekt 32 ist beispielsweise eine Welle, eine Fahrwerkskomponente, ein Kraftübertragungselement, ein Getriebeelement, eine Fahrradkurbel oder irgendein sonstiges Element, an dem eine Belastung, wie beispielsweise eine Kraft, eine mechanische Spannung, ein Drehmoment, gemessen werden soll.
Bei allen dargestellten Ausführungsformen ist zumindest der Messbereich 18, hier insbesondere der oberflächennahe Bereich 52 von der zu dem Messaufnehmer 24 hin gerichteten Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 20 µm, kaltverfestigt.
Dies kann zum Beispiel durch eine lokale mechanische Kaltverfestigungsbearbeitung erfolgen. Gemäß Ausführungsbeispielen wird der oberflächennahe Bereich 52 zumindest des Messbereichs 18 des Testobjekts 12 oder des Nebenübertragungselements 42 mit Hilfe einer der folgenden Methoden plastisch kaltverformt:

Bei einer anderen möglichen Ausgestaltung wird zunächst ein Material, wie beispielsweise ein Blech, aus einem der obengenannten möglichen Materialien bereitgestellt und entsprechend plastisch kaltverformt und aus diesem Material dann das Testobjekt 12 oder das Nebenübertragungselement 42, zum Beispiel durch Ausstanzen, hergestellt.
7 zeigt die durch eine der obengenannten Bearbeitungsverfahren in dem Material hervorgehobene Versetzungsdichte über die Tiefe dargestellt, wobei 0 die Position der Oberfläche darstellt. Die Bearbeitung wird so durchgeführt, dass die Versetzungsdichte in dem oberflächennahen Bereich 52 bis 20 µm mindestens 5e8/cm² beträgt. 8 zeigt die Druckeigenspannung eines derart bearbeiteten Materials. Diese ist derart, dass die Druckeigenspannung betragsmäßig mindestens 400 MPa in dem Bereich zwischen der Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 20 µm beträgt.
9 zeigt am Beispiel des Materials Stahl 1.4104 den Einfluss der Kaltverfestigung am Beispiel von Kugelstrahlen mit unterschiedlicher Intensität. Während ein Testobjekt 12, dessen Messbereich 18 nicht kugelgestrahlt worden ist, deutliche Abweichungen von einer idealen Kennlinie, welche linear durch den Nullpunkt führt, hat, nähern sich Messwerte an Testobjekten 12 mit Kugelstrahlung der idealen Linie an. 10 zeigt die Messabweichung vom idealen Sensor für ein Testobjekt 12 mit einem Messbereich 18 aus Stahl 1.4104 mit und ohne Kugelstrahlen. Auch hier ist ersichtlich, dass sich die Messwerte bei einem Messbereich 18 mit Kaltverformung gegenüber dem unbearbeiteten Material deutlich verbessern. Die 11 und 12 zeigen vergleichbare Graphen wie 9 und 10 für Stahl 1.4 112 zum Bilden des Messbereichs 18; und die 13 und 14 zeigen die entsprechenden Graphen für Stahl 1.7227 als Material für den Messbereich 18.
Wie aus diesen Bespielen ersichtlich, ist der Effekt der Kaltverformung bei unterschiedlichen Materialien vorhanden.
Als Materialen, aus denen das Testobjekt 12, das Nebenübertragungselement 42 oder zumindest deren Messbereich 18 gebildet ist, kommen vorzugsweise in Betracht:

ein kaltverfestigtes metallischen Werkstoffe mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, und mit einer Permeabilität >2,
kaltverfestigter Stahl, mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, kaltverfestigtes Eisen mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigtes Nickel mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigtes Cobalt mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen,
kaltverfestigte Eisen-Nickel Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen,
kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen,
kaltverfestigte Cobalt-Nickel-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, und kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen.

Im Folgenden wird nun auf die Unterschiede der einzelnen aus den 1 bis 6 entnehmbaren Ausführungsbeispiele der Belastungsmessanordnung 10 näher eingegangen.
1 zeigt eine Ausführungsform der Belastungsmessanordnung 10, bei der der Messbereich 18 an dem Testobjekt 12 angeordnet ist. Das Testobjekt 12 ist zum Beispiel ein Hebelarm eines Hebewerkzeugs oder ein Getriebeelement. Das Testobjekt 12 ist lokal an dem Messbereich 18 durch eine der oben genannten Bearbeitungsverfahren kalt plastisch verformt. Mit anderen Worten weist das Testobjekt 12 einen kaltverfestigten Bereich 54 auf, der magnetisiert sein kann und an dem magnetostriktiv die Belastung gemessen wird. Alternativ kann die Belastungsmessvorrichtung 14 einen Messaufnehmer 24 aufweisen, der zur aktiven Aufmagnetisierung geeignet ist, wie dies in den Literaturstellen [1] bis [17] beschrieben und gezeigt ist. Das Testobjekt 12 ist beispielsweise aus einem der in den 9 bis 14 beschriebenen Stahlsorten gebildet.
Die in der 2 gezeigte Ausführungsform der Belastungsmessanordnung 10 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform mit dem Unterschied, dass das gesamte Testobjekt 12 aus dem kaltverfestigten Material gefertigt worden ist. Hierzu kann das gesamte Testobjekt 12 nach seiner Formung einer der oben genannten Bearbeitungsverfahren zur plastischen Verformung unterworfen werden, oder es wird während der Formung kaltverfestigt oder es wird aus einem bereits vorher kaltverfestigten Material geformt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Belastungsmessanordnung 10, bei der das Testobjekt 12 als Bauteil beispielsweise in Form einer Welle ausgebildet ist, bei der der Messbereich 18 ein kaltverfestigter Bereich 54 des Bauteils, insbesondere der Welle, ist. Die Belastungsmessvorrichtung 14 ist bei der gezeigten Ausführungsform derart ausgebildet, wie dies in der Literaturstelle [3] beschrieben und gezeigt ist, wobei mehrere Sensorköpfe 22/Messaufnehmer 24 und den Messbereich 18 der Welle herum angeordnet sind.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der 4 bis 6 näher erläutert.
Bei diesen Ausführungsformen weist das Testobjekt 12 das Messobjekt 32 wie beispielsweise eine Welle, eine Fahrwerkskomponente, ein Kraftübertragungselement, ein Getriebeelement, eine Fahrradkurbel oder irgendein sonstiges Element, an dem eine Belastung, wie beispielsweise eine Kraft, eine mechanische Spannung, ein Drehmoment, gemessen werden soll, auf.
Das Messobjekt 32 weist einen Grundkörper 34 mit einem ersten Bereich 36, einem Übertragungsbereich 38 und einem zweiten Bereich 40 auf. Zwischen dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 liegt die zu messende Belastung an. Der erste Bereich 36 ist beispielsweise ein Eingangsbereich, wie beispielsweise ein Eingangsende einer Welle oder ein Eingangsbereich eines hinsichtlich der zu erfassenden Belastung interessierenden Bereichs des Messobjekts 32. Der zweite Bereich 40 ist beispielsweise ein Ausgangsende einer Welle oder ein Ausgangsbereich eines hinsichtlich der Belastung interessierenden Bereichs des Messobjekts 32. Der Übertragungsbereich 38 verbindet den ersten Bereich 36 mit dem zweiten Bereich 40, sodass der Großteil der Belastung durch den Übertragungsbereich 38 aufgenommen wird. Der Grundkörper 34 und insbesondere der Übertragungsbereich 38 sind hinsichtlich der Funktion, die das Messobjekt 32 erfüllen soll, optimiert ausgebildet. Insbesondere muss der Grundkörper 34 und der Übertragungsbereich 38 nicht aus einem Material gebildet sein, welches für eine magnetostriktive Belastungsmessung optimiert oder auch nur ausgebildet ist. Der Grundkörper 34 könnte zum Beispiel aus faserverstärkten Materialien, aus Nichtmetallen oder aus Metallen ohne magnetische Eigenschaften oder mit nur schlechten magnetischen Eigenschaften gebildet sein. Falls ein Grundkörper 34 aus Stahl ausgewählt wird, braucht die Stahlsorte nicht hinsichtlich magnetostriktiver Eigenschaften ausgewählt oder bearbeitet oder beschichtet werden.
Das Testobjekt 12 weist weiter das Nebenübertragungselement 42 auf, welches parallel zu dem Übertragungsbereich 38 belastet wird und einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 aufnimmt. Das Nebenübertragungselement 42 und der Übertragungsbereich 38 sind nicht miteinander verbunden, sodass lokale Relativverschiebungen zwischen dem Nebenübertragungselement 42 und dem Übertragungsbereich 38 möglich sind und insbesondere lokal unterschiedliches Verformen von Übertragungsbereich 38 und Nebenübertragungselement 42 ermöglicht sind.
Der Messbereich 18 ist an dem Nebenübertragungselement 42 ausgebildet. Das Nebenübertragungselement 42 ist entweder lokal an dem Messbereich 18 oder insgesamt durch eine der oben genannten Bearbeitungsverfahren plastisch verformt und weist zumindest an dem Messbereich 18 die in den 7 und 8 gezeigte Verteilung der Versetzungsdichte und der Druckeigenspannung auf. Es können auch höhere Werte der Versetzungsdichte bzw. des Betrags der Druckeigenspannung vorhanden sein.
Das Nebenübertragungselement 42 ist somit hinsichtlich Materialbearbeitung, aber vorzugsweise auch hinsichtlich Konstruktion und Materialauswahl für eine magnetostriktiver Belastungsmessung im Wesentlichen unabhängig von dem Grundkörper 34 optimiert.
Das Nebenübertragungselement 42 weist einen ersten Verbindungsbereich 44, den Messbereich 18 und einen zweiten Verbindungsbereich 46 auf. Mit dem ersten Verbindungsbereich 44 ist das Nebenübertragungselement 42 an dem ersten Bereich 36 des Grundkörpers 34 befestigt. Mit dem zweiten Verbindungsbereich 46 ist das Nebenübertragungselement 42 an dem zweiten Bereich 40 des Grundkörpers 34 befestigt. Mögliche Befestigungsverfahren zum Befestigen der Verbindungsbereiche 44, 46 mit den Bereichen 36, 40 des Grundkörpers 34 sind:

In 4 ist eine vierte Ausführungsform der Belastungsmessanordnung 10 gezeigt, die mit dem Nebenübertragungselement 42 versehen ist. Der Grundkörper 34 weist an dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 Vorsprünge oder Ausleger 48 auf, deren freien Enden mit den Verbindungsbereichen 44, 46 des Nebenübertragungselements 42 verbunden sind. Das Nebenübertragungselement 42 ist brückenartig über diese Ausleger 48 gelegt und mit diesen verbunden. Der Messaufnehmer 24 ist bei diesem Ausführungsbeispiel fest mit dem Nebenübertragungselement 42 verbunden. Bei einer nicht dargestellten Variante ist der Messaufnehmer 24 fest mit dem Grundkörper 34, beispielsweise unterhalb des Nebenübertragungselements 42, verbunden. Wird eine Belastung, wie beispielsweise ein Drehmoment oder eine Kraft zwischen dem linken Ende und dem rechten Ende des Grundkörpers 34 angelegt, wird ein Großteil dieser Kraft über den Übertragungsbereich 38 geleitet, während ein kleinerer Teil über die Ausleger 48 und die Verbindungsbereiche 44, 46 in das Nebenübertragungselement 42 eingeleitet wird. Wird somit der Grundkörper 34 durch die Belastung beispielsweise verformt, dann verformt sich auch das Nebenübertragungselement 42. Die dadurch in dem Nebenübertragungselement 42 auftretenden Spannungen lassen sich magnetostriktiv erfassen und sind ein Maß für die auf dem Grundkörper 34 aufliegende Belastung.
Wie die Ausführungsform von 5 zeigt, kann der Grundkörper 34 auch zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet sein, wobei auch das Nebenübertragungselement 42 zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet ist. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 32 eine Welle mit zylinderförmiger Gestalt. Das Nebenübertragungselement 42 ist als Hülse ausgebildet, die über die Welle gestülpt ist. Die beiden Enden der Hülse, die das Nebenübertragungselement 42 bilden, sind mit dem Grundkörper 34 verbunden und bilden somit die Verbindungsbereiche 44, 46. Die Innenseite der Hülse, die das Nebenübertragungselement 42 bildet, ist entweder mit Abstand zu der Außenseite des von der Hülse hier überdeckten Übertragungsbereich 38 ausgebildet oder liegt gleitend darauf auf.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Nebenübertragungselement 42, das so ausgebildet ist, dass es als Signalverstärkung dient. Das Nebenübertragungselement 42 ist derart ausgebildet, dass Spannungen, die durch eine Relativbewegung der Verbindungsbereiche 44, 46 entstehen, in dem Messbereich 18 konzentriert werden. Beispielsweise sind die Verbindungsbereiche 44, 46, hier dargestellt mit Kontaktpunkten 50, zum Beispiel Schweißpunkten, aus einem dickeren Material oder in der Breite wesentlich größer als der Messbereich 18 ausgebildet. Die Konstruktion ist derart, dass Spannung an derjenigen Oberfläche des Messbereichs 18 konzentriert werden, die dem Messaufnehmer 24 zugewandt ist. Dies lässt sich durch entsprechende Dicken und Übergängen zwischen den Verbindungsbereichen 44, 46 und dem Messbereich 18 erreichen. Die Konstruktion wird derart gewählt, dass die Spannung in dem oberflächennahen Bereich des Messbereichs 18 um mindestens 20 Prozent größer ist als die mittlere Spannung zwischen den Kontaktpunkten 50 des ersten und zweiten Verbindungsbereich 44, 46.
Bezugszeichenliste

10: Belastungsmessanordnung
12: Testobjekt
14: Belastungsmessvorrichtung
16: Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)
16a: erste Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)
16b: zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)
18: Messbereich
20: Magnetfelderzeugungseinrichtung
22: Sensorkopf
24: Messaufnehmer
26: Versorgungs- und Auswerteinheit
28: Generatorspule
30a: erste Messspule
30b: zweite Messspule
32: Messobjekt
34: Grundkörper
36: ersten Bereich
38: Übertragungsbereich
40: zweiter Bereich
42: Nebenübertragungselement
44: ersten Verbindungsbereich
46: zweiter Verbindungsbereich
48: Ausleger
50: Kontaktpunkten
52: oberflächennaher Bereich
54: kaltverfestigter Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018019859 [0003]
DE 102016117529 A1 [0003]
DE 102017107716 A1 [0003]
DE 102017109114 B4 [0003]
WO 2018229016 [0003]
WO 2019197500 [0003]
WO 2019207166 [0003]
WO 2019243448 A1 [0003]
DE 102018120400 A1 [0003]
DE 102018120401 A1 [0003]
DE 102018124644 B4 [0003]
DE 102018120794 A1 [0003]
WO 2020038614 A1 [0003]
DE 102019102454 B3 [0003]
DE 102019108898 A1 [0003]
WO 2020002390 A1 [0003]

Claims

Belastungsmessanordnung (10) umfassend ein Testobjekt (12) und eine Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt (12), wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zum Erfassen eines aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters an einem Messbereich (18) des Testobjekts (12) aufweist, wobei das Testobjekt (12) zumindest an dem Messbereich (18) und zumindest in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, derart kaltverformt ist, dass er eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa aufweist.
Belastungsmessanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt (12) lokal an dem Messbereich (18) kaltverformt ist.
Belastungsmessanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt (12) oder ein Teilelement desselben ganz aus einem kaltverfestigten Material gefertigt ist.
Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt (12) einen Übertragungsbereich (38) aufweist, der einen Großteil der Belastung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Testobjekts (12) aufnimmt, wobei ein Nebenübertragungselement (42) an dem ersten und zweiten Bereich des Testobjekts (12) so befestigt ist, dass es parallel zu dem Übertragungsbereich (38) einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aufnimmt, wobei der kaltverfestigte Messbereich (18) an dem Nebenübertragungselement (42) ausgebildet ist.
Belastungsmessanordnung (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass das Nebenübertragungselement (42) 5.1 magnetostriktiv ist und an das Testobjekt (12) so angebracht ist, dass eine Verformung des Testobjekts (12) zu einer Verformung des Nebenübertragungselement (42) führt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, die Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) zu ermitteln; 5.2 aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich (38) gebildet ist, wobei sich jedoch Materialeigenschaften aufgrund der Kaltverformung unterscheiden; 5.3 mit einem ersten Verbindungsbereich (44) fest mit dem ersten Bereich (36) des Testobjekts (12) verbunden ist und mit einem zweiten Verbindungsbereich (46) fest mit dem zweiten Bereich (40) des Testobjekt (12) befestigt ist, wobei ein zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich (44, 46) angeordneter Messbereich (18) des Nebenübertragungselements (42) nicht mit dem Übertragungsbereich (38) verbunden ist und bei Belastung des Übertragungsbereich (38) parallel belastet wird, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung der Belastung an dem Messbereich (18) durch aktive Magnetisierung und Ermitteln eines sich durch die Belastung ändernden Magnetparameters ausgebildet ist; 5.4 mit dem Testobjekt (12) mittels einer Verbindungstechnik aus der Gruppe verbunden ist, die Nieten, Schrauben, eine stoffschlüssige Verbindung, Schweißen, Löten, Kleben, Bonden, Aufschrumpfen, Krimpen umfasst.
Belastungsmessvorrichtung (14) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, 6.1 dass der Messbereich (18) den ersten und zweiten Verbindungsbereich (44, 46) brückenartig verbindet, 6.2 dass der Messbereich (18) eine geringere Dicke und/oder Breite wie die Verbindungsbereiche (44, 46) aufweist; 6.3 dass das Nebenübertragungselement (42) hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche (44, 46) und des Messbereichs (18) so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) zu einer stärkeren Dehnung an dem Messbereich (18) führt; 6.4 dass das Nebenübertragungselement (42) hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche (44, 46) und des Messbereichs (18) so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) zu einer derartig veränderten Dehnung an dem Messbereich (18) führt, dass eine mittlere Dehnung oder mittlere Spannung an einer Messposition des Messbereichs (18), welche Messposition von einer einem Messaufnehmer (24) der Belastungsmessvorrichtung (14) zugewandten Oberfläche bis zu einer der Eindringtiefe des Magnetfeldes entsprechenden Tiefe reicht, um mindestens 20% von der mittleren Dehnung bzw. mittleren Spannung des Nebenübertragungselements (42) abweicht; 6.5 dass die Verbindungsbereiche (44, 46) wesentlich steifer ausgebildet sind als der Messbereich (18); 6.6 dass der erste Verbindungsbereich (44), der Messbereich (18) und der zweite Verbindungsbereich (46) als axial aufeinanderfolgend aneinander befestigte Hülsen ausgebildet sind, in denen der Übertragungsbereich (38) aufgenommen ist, wobei die Verbindungsbereiche (44, 46) eine größere Wandstärke als der Messbereich (18) aufweisen, wobei die voneinander weg angeordneten Enden der Verbindungsbereiche (44, 46) mit dem ersten bzw. zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) fest verbunden, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aber Relativbewegungen zwischen den Hülsen und dem Übertragungsbereich (38) möglich sind; 6.7 dass der Messbereich (18) elastischer als der Übertragungsbereich (38) ist.
Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass die Belastungsmessvorrichtung (14) 7.1 eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zum Erfassen des sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) ändernden Magnetfeldparameters aufweist, 7.2 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum aktiven Erzeugen eines Magnetfelds an dem Messbereich (18) aufweist, 7.3 eine Generatorspule (28) und wenigstens zwei Messspulen (30a, 30b) aufweist; 7.4 Planarspulen aufweist, 7.5 in wenigstens drei in V-Form angeordnete Spule oder fünf in X-Form angeordnete Spulen aufweist; 7.6 einen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) und eine mit dem Messaufnehmer (24) verbundene Versorgungs- und Auswerteeinheit (26) aufweist.
Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt (12) zumindest an dem Messbereich (18) aus Material aus der Gruppe gebildet ist, welche einen kaltverfestigten metallischen Werkstoffe mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, und mit einer Permeabilität >2, kaltverfestigter Stahl, mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, kaltverfestigtes Eisen mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigtes Nickel mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigtes Cobalt mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Nickel Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Cobalt-Nickel-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen umfasst.
Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass die Belastungsmessvorrichtung (14) 9.1 zum Messen einer Kraft, einer Dehnung, eines Drehmoments oder einer axialen Spannung mithilfe einer aktiven Magnetsensorik ausgebildet ist; 9.2 einen fest mit dem Testobjekt (12) verbundenen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) aufweist; 9.3 einen fest mit dem Nebenübertragungselement (42) verbundenen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) aufweist; 9.4 einen stationär angebrachten Messaufnehmer (24) zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt (12) aufweist, welches um eine Drehachse drehbar ist.
Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass das Testobjekt (12) 10.1 eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments ist; 10.2 ein Getriebeelement zur Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments ist; 10.3 ein im Betrieb belastetes Teil eines Fahrzeugs oder Hebewerkzeugs ist.
Verwendung einer Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche in einem Belastungsmessverfahren zum Messen einer an einem Testobjekt (12) zwischen einem ersten und einen zweiten Bereich (36, 40) anliegenden Belastung.
Herstellverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend a1) Bereitstellen eines Testobjekts (12), bei dem wenigstens ein Messbereich (18) aus einem metallischen Werkstoff mit magnetostriktiven Eigenschaften ausgebildet ist und plastisches Verformen zumindest des Messbereichs (18) bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um mindestens in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung (16, 16a, 16b) zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa zu erhalten oder a2) Bereitstellen eines metallischen Werkstoffes, plastisches Verformen zumindest eines Bereichs des metallischen Werkstoffes bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um mindestens in einem oberflächennahen Bereich, der von einer der Magnetfelderfassungseinrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm reicht, eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² und/oder eine Druckeigenspannung von betragsmäßig mindestens 400 MPa zu erhalten, und Herstellen eines Testobjekts (12) aus dem so bearbeiteten Werkstoff so, dass der plastisch verformte Bereich einen Messbereich (18) bildet, und b) Anordnen einer Belastungsmessvorrichtung (14) an dem Messbereich (18) des Testobjekts (12), wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters an dem Messbereich (18) des Testobjekts (12) aufweist.
Herstellverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen der plastischen Verformung bei den alternativen Schritten a1) oder a2) der oberflächennahe Bereich mithilfe zumindest einer der Methoden aus der Gruppe plastisch verformt wird, die Walzen, Kugelwalzen, Glattwalzen, Festwalzen, Strahlen, Kugelstrahlen, Glasperlenstrahlen, Ultraschallstrahlen, Edelstahlstrahlen, Drahtkornstrahlen, Sandstrahlen, Eisstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen, Feuchtstrahlen, Laser-Shockpeening, Tiefziehen und Dengeln umfasst.
Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 weiter umfassend: Bereitstellen eines Grundkörpers (34) des Testobjekts (12), Bereitstellen eines Nebenübertragungselements (42), wobei das Nebenübertragungselement (42) separat von dem Grundkörper (34) unter plastischer Verformung gemäß den Schritten a1) oder a2) hergestellt wird, Befestigen eines ersten Verbindungsbereich (44) des Nebenübertragungselements (42) an einem ersten Bereich (36) des Testkörpers und eines zweiten Verbindungsbereich (46) an einem zweiten Bereich (40) des Testkörpers, so dass sich der zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich (44, 46) befindliche Messbereich (18) des Nebenübertragungselements (42) und ein sich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) befindlicher Übertragungsbereich (38) des Testkörpers zum Durchführen unterschiedlicher Verformungen relativ zueinander bewegen können, und Anordnen der Belastungsmessvorrichtung (14) zum Messen der Belastung an dem Messbereich (18) des Nebenübertragungselements (42).