DE102021126597A1

DE102021126597A1 - Dreh- und Biegemoment-Messanordnung

Info

Publication number: DE102021126597A1
Application number: DE102021126597.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lindenmayr; Markus Barwig
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), umfassend einen aktiven magnetostriktiven Sensor (2) und eine Welle (3) mit einer Rotationsachse (6), welche als Signalgeber für den magnetostriktiven Sensor (2) konfiguriert ist, wobei der magnetostriktive Sensor (2) die Welle (3) umfänglich zumindest abschnittsweise umfasst, Messspulen (L1, L2, L3, L4) und wenigstens einer Erregerspule.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dreh- und Biegemoment-Messanordnung, umfassend einen aktiven magnetostriktiven Sensor und eine Welle mit einer Rotationsachse, welche als Signalgeber für den magnetostriktiven Sensor konfiguriert ist, wobei der magnetostriktive Sensor die Welle umfänglich zumindest abschnittsweise umfasst, und eine erste, um einen ersten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei ersten Wicklungsenden, eine zweite, um einen zweiten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei zweiten Wicklungsenden, eine dritte, um einen dritten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei dritten Wicklungsenden, und eine vierte, um einen vierten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei vierten Wicklungsenden aufweist, sowie wenigstens eine, um einen fünften Magnetkern gewickelte bestrombare Erregerspule oder jeweils wenigstens eine, um einen Magnetkern gewickelte Erregerspule besitzt, wobei die Magnetkerne über wenigstens ein Flussleitelement, beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass sich die erste Messspule und die dritte Messspule sowie die zweite Messspule und die vierte Messspule jeweils paarweise gegenüberliegen und die Dreh- und Biegemoment-Messanordnung eine Steuereinheit aufweist, welche mit einer der Erregerspulen oder den Erregerspulen wechselstrombeaufschlagbar verbunden ist.
Magnetostriktive Messverfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Normal- oder Schubspannungen in einem Bauteil sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise sind passive magnetostriktive Messverfahren bekannt, bei denen ein Bauteil magnetisiert und anschließend das lastabhängige äußere Magnetfeld gemessen wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass spezielle Werkstoffe mit spezieller Wärmebehandlung erforderlich sind, wodurch der Messaufbau vergleichsweise teuer wird.
Darüber hinaus sind auch sogenannte aktive magnetostriktive Messanordnungen bekannt, mit denen Normal- oder Schubspannungen in einen Bauteil ermittelt werden können. Diese nutzen den Effekt, dass sich die magnetische Permeabilität eines Materials lastabhängig ändert. Um die magnetische Permeabilität zu messen, ist keine Permanentmagnetisierung des Bauteils erforderlich, wodurch potentiell preisgünstigere Werkstoffe und eine kostengünstigere Wärmebehandlung verwendet werden können.
Beim aktiven Verfahren werden außerhalb des Bauteils Magnetkerne so platziert, dass diese zusammen mit dem Bauteil einen magnetischen Kreis bilden. Auf die Magnetkerne sind Spulen gewickelt. Ein Strom I durch eine sog. Sendespule bewirkt im Bauteil ein magnetisches Wechselfeld, das in einer oder mehreren Empfangsspulen eine permeabilitäts- und damit lastabhängige elektrische Spannung U induziert. Weitere Einflussgrößen auf die in dem Empfangsspulen induzierte Spannung sind beispielsweise Eigenschaften der übrigen Komponenten des Magnetkreises, insbesondere Luftspalte. Bei einer Messung wird entweder die Spannungs- oder die Stromamplitude der Sendespule fest eingestellt, während die jeweils andere Größe gemessen wird.
Zur Messung der an einem Bauteil wirkenden Drehmomente, sind bereits verschiedene magnetostriktive Messverfahren bekannt, die nachfolgend kurz erläutert werden.
DE102018221206 zeigt beispielsweise eine aktive magnetostrikive Messanordnung in einem sogenannten Branch Design. Hierbei wird mit Hilfe einer Sendespule und einem verzweigten Magnetkern Magnetfelder in ±45° Richtung erzeugt und die induzierte Spannung in zwei oder vier Empfangsspulen gemessen.
Als eine weitere Konfigurationsmöglichkeit einer magnetostriktiven Messanordnung ist das sogenannte Cross Design bekannt, wie es beispielsweise in der US 4 939 937 offenbart ist. Hier werden zwei voneinander getrennte Magnetkerne in 0° und 90° Richtung verwendet. Auf einem Kern befindet sich die Sendespule, auf dem anderen die Empfangsspule. Im unbelasteten Fall ist die induzierte Spannung in der Empfangsspule gleich Null. Liegt jedoch eine Schubspannung an, wird das Magnetfeld im Bauteil so verbogen , dass in der Empfangsspule eine Spannung induziert wird.
Schließlich ist auch eine magnetostriktive Messanordnung in einem sogenannten Solenoid Design bekannt, wie es auch in der DE 39 40 220 beschrieben ist. Hier weist die Welle, an der eine Drehmomentmessung erfolgen soll, Elemente auf, die das Magnetfeld in ±45°-Richtung lenken. Dies können z.B. Nuten im Material oder Beschichtungen an der Welle sein. Infolge der in der ±45° Richtung vorhandenen Hauptnormalspannungen ändert sich die Permeabilität in diesen Richtungen, was eine Änderung der Amplituden der in den Empfangsspulen induzierten Spannungen hervorruft.
Es sind ferner Methoden und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, welche eine Messung von Zug- und Druckkräften an bzw. in Bauteilen mittels magnetostriktiven Sensoren und Verfahren erlauben.
Beispielsweise beschreibt A. Bienkowski, R. Szewczyk, The possibility of utilizing the high permeability magnetic materials in construction of magnetoelastic stress and force sensors , Sensors and Actuators A 113 (2004) Seite 270 276, ein magnetostriktives Verfahren bei dem die Permeabilitätsänderung des mit Normalspannungen beaufschlagten Bauteils mit Sende- und Empfangsspulen ermittelt wird, die um das belastete Bauteil gewickelt sind.
Ferner ist ein unter dem Markennamen Pressductor von der Fa. ABB vertriebener magnetostriktiver Sensor bekannt, bei dem eine Sende- und eine Empfangsspule in ±45°-Richtung zur zu messenden Kraft angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine aktive magnetostriktive Sensoranordnung bereitzustellen, die eine Messung der Normal- wie auch Schubspannungen innerhalb eines Bauteils bei möglichst kompakter sowie kostengünstiger Ausführung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dreh- und Biegemoment-Messanordnung, umfassend einen aktiven magnetostriktiven Sensor und eine Welle mit einer Rotationsachse, welche als Signalgeber für den magnetostriktiven Sensor konfiguriert ist, wobei der magnetostriktive Sensor die Welle umfänglich zumindest abschnittsweise umfasst, und eine erste, um einen ersten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei ersten Wicklungsenden, eine zweite, um einen zweiten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei zweiten Wicklungsenden, eine dritte, um einen dritten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei dritten Wicklungsenden, und eine vierte, um einen vierten Magnetkern gewickelte Messspule mit zwei vierten Wicklungsenden aufweist, sowie wenigstens eine, um einen fünften Magnetkern gewickelte bestrombare Erregerspule oder jeweils wenigstens eine, um einen Magnetkern gewickelte Erregerspule besitzt, wobei die Magnetkerne über wenigstens ein Flussleitelement, beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass sich die erste Messspule und die dritte Messspule sowie die zweite Messspule und die vierte Messspule jeweils paarweise gegenüberliegen und die Dreh- und Biegemoment-Messanordnung eine Steuereinheit aufweist, welche mit einer der Erregerspulen oder den Erregerspulen wechselstrombeaufschlagbar verbunden ist, wobei die erste Messspule mit einem ersten Analog/Digital-Wandler verbunden ist, der ein analoges erstes Messsignal der ersten Messspule in ein erstes digitales Messsignal wandelt und bereitstellt, die zweite Messspule mit einem zweiten Analog/Digital-Wandler verbunden ist, der ein analoges zweites Messsignal der zweiten Messspule in ein zweites digitales Messsignal wandelt und bereitstellt, die dritte Messspule mit einem dritten Analog/Digital-Wandler verbunden ist, der ein analoges drittes Messsignal der dritten Messspule in ein drittes digitales Messsignal wandelt und bereitstellt,
die vierte Messspule mit einem vierten Analog/Digital-Wandler verbunden ist, der ein analoges viertes Messsignal der vierten Messspule in ein viertes digitales Messsignal wandelt und bereitstellt, wobei das erste digitale Messsignal, das zweite digitale Messsignal, das dritte digitale Messsignal und das vierte digitale Messsignal in einem Prozessor der Steuereinheit verarbeitet werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messanordnung lassen sich sowohl Normal- als auch Schubspannungen eines ebenen Spannungszustandes in einem Bauteil ermitteln und insbesondere auch digital verarbeiten, was den Verdrahtungsaufwand gegenüber einer analogen Signalverarbeitung signifikant reduziert.
Die Messung dieser Spannungszustände ist hierbei mit lediglich einem Sensor möglich, was zum einen kostengünstig realisierbar und zum anderen für Einsatzgebiete mit begrenztem Bauraum vorteilhaft ist.
Eine Steuereinheit, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dient der insbesondere elektronischen Steuerung und/oder Reglung einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Messanordnungen.
Eine Steuereinheit weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen und/oder optischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinheit ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher eines Kraftfahrzeugs.
Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
Die Steuereinheit kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinheit übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinheit einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Es kann gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Messspulen um in etwa 45° zur Rotationsachse der Welle verdreht angeordnet sind. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Dreh- und Biegemoment-Messanordnung eine genaue Messung des Drehmoments und der Biegung um die Hochachse der Dreh- und Biegemoment-Messanordnung erlaubt.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass wenigstens zwei Empfängerspulen parallel zu der Drehachse der Welle angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung werden bei einer Biegung der Welle nach unten nur zwei Empfängerspulen beeinflusst. Die anderen Empfängerspulen können dann beispielsweise für eine Abstands- und Temperaturkompensation verwendet werden.
Das wenigstens eine Flussleitelement kann insbesondere bevorzugt einstückig, ganz besonders bevorzugt monolithisch, ausgeformt sein. Besonders bevorzugt ist es, dass der erste Magnetkern und der dritte Magnetkern über ein erstes Flussleitelement voneinander beabstandet sind, und der zweite Magnetkern und der vierte Magnetkern über ein zweites Flussleitelement voneinander beabstandet sind, wobei das erste Flussleitelement und das zweite Flussleitelement sich in einem gemeinsamen Sternpunkt überkreuzen.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Magnetkern, der dritte Magnetkern und das erste Flussleitelement einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeformt sind, und/oder der zweite Magnetkern, der vierte Magnetkern und das zweite Flussleitelement einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeformt sind.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit einen Signalausgang umfasst, über den ein das Biegemoment repräsentierendes Signal und/oder das Drehmoment repräsentierendes Signal abgegriffen werden kann. Hierdurch können die entsprechenden Sensorsignale beispielsweise an übergeordnete Steuereinheiten weitergeleitet werden.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der magnetostriktive Sensor und die Steuereinheit in einem Gehäuse aufgenommen sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass hierdurch eine einfach zu montierende Baugruppe gebildet werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Messspulen im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Bauteilkomplexität und damit die Herstellkosten gesenkt werden können.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Magnetkerne sich orthogonal aus den Flussleitelementen, herauserstrecken. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Magnetkerne im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet verlaufen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Analog/Digital-Wandler, der zweite Analog/Digital-Wandler, der dritte Analog/Digital-Wandler und der vierte Analog/Digital-Wandler in der Steuereinheit angeordnet sind, was zu einer besonders kompakten Bauform beitragen kann. Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, dass der erste Analog/Digital-Wandler, der zweite Analog/Digital-Wandler, der dritte Analog/Digital-Wandler und der vierte Analog/Digital-Wandler außerhalb der Steuereinheit positioniert sind, beispielsweise an dem magnetostriktiven Sensor.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Prozessor konfiguriert ist, ein Verfahren auszuführen, dass anhand des ersten digitalen Messsignals, des zweiten digitalen Messsignals, des dritten digitalen Messsignals und des vierten digitalen Messsignals, eine Mehrzahl von Verschaltungen der ersten Messspule, der zweiten Messspule, der dritten Messspule und der vierten Messspule erzeugt.
Es kann hierdurch erreicht werden, dass auf eine komplexe physische Verschaltung der Messspulen verzichtet werden kann, indem die entsprechenden Verschaltungen in der Steuereinheit, beispielsweise mittels einer entsprechenden Software, digital abgebildet werden.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eines der ersten Wicklungsenden der ersten Spule mit dem ersten Analog/Digital-Wandler verbunden ist und/oder eines der zweiten Wicklungsenden der zweiten Spule mit dem zweiten Analog/DigitalWandler verbunden ist und/oder eines der dritten Wicklungsenden der dritten Spule mit dem dritten Analog/Digital-Wandler verbunden ist und/oder eines der vierten Wicklungsenden der vierten Spule mit dem vierten Analog/Digital-Wandler verbunden ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die physische Verschaltung der Analog/Digitalwandler mit der Steuereinheit auf ein Minimum reduziert werden kann, was die Montagefreundlichkeit und Kosteneffizienz in der Herstellung positiv beeinflusst.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass die zwei ersten Wicklungsenden der ersten Spule mit dem ersten Analog/Digital-Wandler verbunden sind und/oder die zwei zweiten Wicklungsenden der zweiten Spule mit dem zweiten Analog/DigitalWandler verbunden sind und/oder die zwei dritten Wicklungsenden der dritten Spule mit dem dritten Analog/Digital-Wandler verbunden sind und/oder die zwei vierten Wicklungsenden der vierten Spule mit dem vierten Analog/Digital-Wandler verbunden sind.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das analoge erste Messsignal eine erste Spannung, das analoge zweite Messsignal eine zweite Spannung, das analoge dritte Messsignal eine dritte Spannung und das analoge vierte Messsignal eine vierte Spannung repräsentieren.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in einer ersten Messignalauswertung der Steuereinheit eine erste Messspannung bestimmt wird aus $U mess,1 = u 1 + u 3 - u 2 - u 4$
Hierdurch kann ein Drehmoment repräsentierendes Messsignal bereitgestellt werden.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass in einer zweiten Messignalauswertung der Steuereinheit eine zweite Messspannung bestimmt wird aus $U mess,2 = u2 + u 3 - u1 - u 4$
Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass ein eine Biegung um die Hochachse repräsentierendes Messignal bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass in einer dritten Messignalauswertung der Steuereinheit eine dritte Messspannung bestimmt wird aus $U mess,3 = u 1 + u2 + u3 + u 4.$
Hierdurch kann erreicht werden, dass ein eine Biegespannung um die Querachse repräsentierendes Messsignal bereitstellbar ist.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass in einem ersten Messzyklus die erste Messignalauswertung bewirkt ist und in einem zweiten Messzyklus die zweite Messsignalauswertung oder die dritte Messsignalauswertung der Messspulen bewirkt ist. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass die Sensoranordnung sowohl Biege- als auch Drehmomente erfassen kann, wobei auf eine aufwendige physische Verschaltung bzw. der Wechsel zwischen den Verschaltungen verzichtet werden kann.
Mit anderen Worten bietet die digitale Aufbereitung der Messsignale den Vorteil, dass die Schaltung für die drei Messungen nicht modifiziert werden muss.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die erste Messspannung, die zweite Messspannung und/oder die dritte Messspannung als ein Signal an und/oder in der Steuereinheit abgreifbar sind/ist. Hierdurch können die entsprechenden Sensorsignale beispielsweise an übergeordnete Steuereinheiten weitergeleitet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine erste Ausführungsform einer Messanordnung in einem schematischen Blockschaltbild,
2 eine zweite Ausführungsform einer Messanordnung in einem schematischen Blockschaltbild,
3 eine Querschnittsansicht auf die erste Ausführungsform der Messanordnung,
4 eine erste Ausführungsform einer Verschaltung der Analog/DigitalWandler in einem schematischen Blockschaltbild,
5 eine zweite Ausführungsform einer Verschaltung der Analog/DigitalWandler in einem schematischen Blockschaltbild,
6 eine Messanordnung bei drei verschiedenen Belastungsfällen in jeweils einem schematischen Blockschaltbild.

Die 1 zeigt eine Dreh- und Biegemoment-Messanordnung 1, umfassend einen aktiven magnetostriktiven Sensor 2 und eine Welle 3 mit einer Rotationsachse 6, welche als Signalgeber für den magnetostriktiven Sensor 2 konfiguriert ist. Wie insbesondere auch gut aus der 3 ersichtlich wird, umfasst der magnetostriktive Sensor 2 die Welle 3 umfänglich zumindest abschnittsweise.
Ferner besitzt der Sensor 2 eine erste, um einen ersten Magnetkern M1 gewickelte Messspule L1 mit zwei ersten Wicklungsenden 11, eine zweite, um einen zweiten Magnetkern M2 gewickelte Messspule L2 mit zwei zweiten Wicklungsenden 12, eine dritte, um einen dritten Magnetkern M3 gewickelte Messspule L3 mit zwei dritten Wicklungsenden 13, und eine vierte, um einen vierten Magnetkern M4 gewickelte Messspule L4 mit zwei vierten Wicklungsenden 14.
In der in der 1 gezeigten Ausführungsform weist der Sensor 2 eine, um einen fünften Magnetkern M5 gewickelte bestrombare Erregerspule 5 auf. Alternativ oder ergänzend ist es auch denkbar, dass der Sensor 2 jeweils eine, um einen Magnetkern M1,M2,M3,M4 gewickelte Erregerspule E1,E2,E3,E4 besitzt, wie es in der Ausführungsform der 2 gezeigt ist.
Die Magnetkerne M1,M2,M3,M4 sind kreuzartig über sich überkreuzende Flussleitelemente 20a,20b angeordnet, wobei der erste Magnetkern M1 und der dritte Magnetkern M3 über ein erstes Flussleitelement 20a voneinander beabstandet sind, und der zweite Magnetkern M2 und der vierte Magnetkern M4 über ein zweites Flussleitelement 20b voneinander beabstandet sind. Das erste Flussleitelement 20a und das zweite Flussleitelement 20b überkreuzen sich in einem gemeinsamen Sternpunkt 22, so dass sich die erste Messspule L1 und die dritte Messspule L3 sowie die zweite Messspule L2 und die vierte Messspule L4 jeweils paarweise gegenüberliegen. Die Messspulen L1,L2,L3,L4 sind im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet.
Die Magnetkerne M1,M2,M3,M4 erstrecken sich orthogonal aus den Flussleitelementen 20a,20b heraus. Aus der 3 ist gut ersichtlich, dass die Magnetkerne M1,M2,M3,M4 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet verlaufen.
Die Dreh- und Biegemoment-Messanordnung 1 besitzt ferner eine Steuereinheit 50, welche mit der Erregerspule 5 oder den Erregerspulen E1,E2;E3,E4 wechselstrombeaufschlagbar verbunden ist. Die Steuereinheit 50 besitzt einen Signalausgang, über den ein das Biegemoment repräsentierendes Signal und/oder das Drehmoment repräsentierendes Signal abgegriffen werden kann. Die von der Dreh- und Biegemoment-Messanordnung 1 ermittelten Biegespannung und Drehmomente sind im Wesentlichen proportional zu den von der Dreh- und Biegemoment-Messanordnung 1 gemessenen Spannungen.
In den in den 1-2 sind die Messspulen L1,L2,L3,L4 um in etwa 45° zur Rotationsachse 6 der Welle 3 verdreht angeordnet. Der erste Magnetkern M1, der dritte Magnetkern M3 und das erste Flussleitelement 20a und der zweite Magnetkern M2, der vierte Magnetkern M4 und das zweite Flussleitelement 20b sind einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeformt. Der magnetostriktive Sensor 2 und die Steuereinheit 50 können in einem Gehäuse aufgenommen sein.
Die physische Verdrahtung der Spulen erfolgt so, dass eines der ersten Wicklungsenden 11 der ersten Spule L1 mit dem ersten Analog/Digital-Wandler 21, eines der zweiten Wicklungsenden 12 der zweiten Spule L2 mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler 22, eines der dritten Wicklungsenden 13 der dritten Spule L3 mit dem dritten Analog/Digital-Wandler 23 und eines der vierten Wicklungsenden 14 der vierten Spule L4 mit dem vierten Analog/Digital-Wandler 24 verbunden sind.
Alternativ wäre es auch denkbar, dass die zwei ersten Wicklungsenden 11 der ersten Spule L1 mit dem ersten Analog/Digital-Wandler 21, die zwei zweiten Wicklungsenden 12 der zweiten Spule L2 mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler 22, die zwei dritten Wicklungsenden 13 der dritten Spule L3 mit dem dritten Analog/Digital-Wandler 23 und die zwei vierten Wicklungsenden 14 der vierten Spule L4 mit dem vierten Analog/Digital-Wandler 24 verbunden sind.
Die 4-5 zeigen, dass die erste Messspule L1 mit einem ersten Analog/Digital-Wandler 21 verbunden ist, der ein analoges erstes Messsignal 31 der ersten Messspule L1 in ein erstes digitales Messsignal 41 wandelt und bereitstellt, die zweite Messspule L2 mit einem zweiten Analog/Digital-Wandler 22 verbunden ist, der ein analoges zweites Messsignal 32 der zweiten Messspule L2 in ein zweites digitales Messsignal 42 wandelt und bereitstellt, die dritte Messspule L3 mit einem dritten Analog/Digital-Wandler 23 verbunden ist, der ein analoges drittes Messsignal 33 der dritten Messspule L3 in ein drittes digitales Messsignal 43 wandelt und bereitstellt und die vierte Messspule L4 mit einem vierten Analog/Digital-Wandler 24 verbunden ist, der ein analoges viertes Messsignal 34 der vierten Messspule L1 in ein viertes digitales Messsignal 44 wandelt und bereitstellt.
Das erste digitale Messsignal 41, das zweite digitale Messsignal 42, das dritte digitale Messsignal 43 und das vierte digitale Messsignal 44 werden in einem Prozessor 51 der Steuereinheit 5 verarbeitet.
In der 4 ist eine Ausführung gezeigt, bei der der erste Analog/Digital-Wandler 21, der zweite Analog/Digital-Wandler 22, der dritte Analog/Digital-Wandler 23 und der vierte Analog/Digital-Wandler 24 in der Steuereinheit 50 angeordnet sind. Es wäre jedoch auch möglich, die Analog/Digital-Wandler 21,22,23,24 nahe den Spulen des Sensors 2 anzuordnen, was in der 5 angedeutet ist.
Der Prozessor 51 ist nun so konfiguriert, ein Verfahren auszuführen, dass anhand des ersten digitalen Messsignals 41, des zweiten digitalen Messsignals 42, des dritten digitalen Messsignals 43 und des vierten digitalen Messsignals 44, eine Mehrzahl von Verschaltungen der ersten Messspule L1, der zweiten Messspule L2, der dritten Messspule L3 und der vierten Messspule L4 erzeugt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen repräsentiert das analoge erste Messsignal 31 eine erste Spannung U1, das analoge zweite Messsignal 32 eine zweite Spannung U2, das analoge dritte Messsignal 33 eine dritte Spannung U3 und das analoge vierte Messsignal 34 eine vierte Spannung U4.
In einer ersten Messignalauswertung der Steuereinheit 50 wird eine erste Messspannung bestimmt aus $U mess,1 = u 1 + u 3 - u 2 - u 4.$
In einer zweiten Messignalauswertung der Steuereinheit 50 wird eine zweite Messspannung bestimmt aus $U mess,2 = u2 + u 3 - u1 - u 4.$
In einer dritten Messignalauswertung der Steuereinheit wird eine dritte Messspannung bestimmt aus $U mess,3 = u 1 + u2 + u3 + u 4.$
Es versteht sich, dass sich bei der Verwendung von invertierten Messsignalen die Vorzeichen der voranstehenden Spannungen umkehren, also beispielsweise sich dann die erste Messspannung aus U mess,1=-u1 -u3 +u2 +u4 ergibt.
Dies wird anhand der 6 näher erläutert: Wird ein Drehmoment um die Wellenachse herum eingebracht, entsteht an dem Sensor 2 eine Betriebssituation, wie sie in der Abbildung a der 6 gezeigt ist. Das Wellenmaterial wird beispielsweise in Richtung der Strecke 1-3 gestreckt und in Richtung der Strecke 2-4 gestaucht, was durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert ist. Dadurch erhöht sich die Permeabilität des Wellenmaterials in den Flusspfaden 5->1 und 5->3 und verringert sich in den Pfaden 5->2 und 5->4. In den Pfaden mit erhöhter Permeabilität wird auch der magnetische Fluss erhöht. Analoges gilt im umgekehrten Fall. Dementsprechend wird in den Spulen L1 und L3 eine höhere Spannungsamplitude gemessen als in den Spulen L2 und L4. Die Messspannung ergibt sich zu: U mess,1 = u1 + u3 - u2 - u4.
In der Abbildung b der 6 ist eine weitere Betriebssituation des Sensors 2 gezeigt, bei der eine seitliche Belastung, also eine Biegung um die Hochachse, vorliegt. Das Material der Welle wird auf der rechten Seite gestaucht, dadurch verringert sich dort die Permeabilität in axialer Richtung. Auf der linken Seite wird das Material gestreckt, wodurch sich die Permeabilität auf dieser Seite erhöht. Somit gelangt mehr Fluss über die Pfade 5 -> 2 und 5 -> 3 als über die Pfade 5 -> 1 und 5 -> 4. Für die entsprechende Messspannung gilt: U mess,2 = U2 + U3 - U1 - U4.
Die in der 6 schließlich zeigt eine mögliche Messung einer Biegebelastung von oben. Das Material wird an der Oberseite gestreckt, wodurch sich dort die Permeabilität erhöht. Die daraus resultierende Erhöhung der gemessenen Spannung kann in allen vier Messspulen wiederum erfasst werden. Für die Messspannung in diesem Belastungsfall gilt: U mess,3 = U1 + U2 + U3 + U4.
Diese drei verschiedenen Belastungszustände können mittels der im Prozessor 51 sequentiell oder parallel durchgeführten Messsignalauswertungen bestimmt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Dreh- und Biegemoment-Messanordnung
2: magnetostriktiver Sensor
3: Welle
6: Rotationsachse
11: Wicklungsenden
12: Wicklungsenden
13: Wicklungsenden
14: Wicklungsenden
20a: Flussleitelement
20b: Flussleitelement
21: Analog/Digital-Wandler
22: Analog/Digital-Wandler
23: Analog/Digital-Wandler
24: Analog/Digital-Wandler
31: Messsignal
32: Messsignal
33: Messsignal
34: Messsignal
41: Messsignal
42: Messsignal
43: Messsignal
44: Messsignal
50: Steuereinheit
51: Prozessor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018221206 [0006]
US 4939937 [0007]
DE 3940220 [0008]

Claims

Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), umfassend einen aktiven magnetostriktiven Sensor (2) und eine Welle (3) mit einer Rotationsachse (6), welche als Signalgeber für den magnetostriktiven Sensor (2) konfiguriert ist, wobei der magnetostriktive Sensor (2) die Welle (3) umfänglich zumindest abschnittsweise umfasst, und eine erste, um einen ersten Magnetkern (M1) gewickelte Messspule (L1) mit zwei ersten Wicklungsenden (11), eine zweite, um einen zweiten Magnetkern (M2) gewickelte Messspule (L2) mit zwei zweiten Wicklungsenden (12), eine dritte, um einen dritten Magnetkern (M3) gewickelte Messspule (L3) mit zwei dritten Wicklungsenden (13), und eine vierte, um einen vierten Magnetkern (M4) gewickelte Messspule (L4) mit zwei vierten Wicklungsenden (14) aufweist, sowie wenigstens eine, um einen fünften Magnetkern (M5) gewickelte bestrombare Erregerspule (5) oder jeweils wenigstens eine, um einen Magnetkern (M1,M2,M3,M4) gewickelte Erregerspule (E1,E2,E3,E4) besitzt, wobei die Magnetkerne (M1,M2,M3,M4) über wenigstens ein Flussleitelement (20a,20b) beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass sich die erste Messspule (L1) und die dritte Messspule (L3) sowie die zweite Messspule (L2) und die vierte Messspule (L4) jeweils paarweise gegenüberliegen und die Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1) eine Steuereinheit (50) aufweist, welche mit einer der Erregerspulen (5) oder den Erregerspulen (E1,E2,E3,E4) wechselstrombeaufschlagbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messspule (L1) mit einem ersten Analog/Digital-Wandler (21) verbunden ist, der ein analoges erstes Messsignal (31) der ersten Messspule (L1) in ein erstes digitales Messsignal (41) wandelt und bereitstellt, die zweite Messspule (L2) mit einem zweiten Analog/Digital-Wandler (22) verbunden ist, der ein analoges zweites Messsignal (32) der zweiten Messspule (L2) in ein zweites digitales Messsignal (42) wandelt und bereitstellt, die dritte Messspule (L3) mit einem dritten Analog/Digital-Wandler (23) verbunden ist, der ein analoges drittes Messsignal (33) der dritten Messspule (L3) in ein drittes digitales Messsignal (43) wandelt und bereitstellt, die vierte Messspule (L4) mit einem vierten Analog/Digital-Wandler (24) verbunden ist, der ein analoges viertes Messsignal (34) der vierten Messspule (L4) in ein viertes digitales Messsignal (44) wandelt und bereitstellt, wobei das erste digitale Messsignal (41), das zweite digitale Messsignal (42), das dritte digitale Messsignal (43) und das vierte digitale Messsignal (44) in einem Prozessor (51) der Steuereinheit (5) verarbeitet werden.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Analog/Digital-Wandler (21), der zweite Analog/Digital-Wandler (22), der dritte Analog/Digital-Wandler (23) und der vierte Analog/Digital-Wandler (24) in der Steuereinheit (50) angeordnet sind.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (51) konfiguriert ist, ein Verfahren auszuführen, dass anhand des ersten digitalen Messsignals (41), des zweiten digitalen Messsignals (42), des dritten digitalen Messsignals (43) und des vierten digitalen Messsignals (44), eine Mehrzahl von Verschaltungen der ersten Messspule (L1), der zweiten Messspule (L2), der dritten Messspule (L3) und der vierten Messspule (L4) erzeugt.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der ersten Wicklungsenden (11) der ersten Spule (L1) mit dem ersten Analog/Digital-Wandler (21) verbunden ist und/oder eines der zweiten Wicklungsenden (12) der zweiten Spule (L2) mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler (22) verbunden ist und/oder eines der dritten Wicklungsenden (13) der dritten Spule (L3) mit dem dritten Analog/Digital-Wandler (23) verbunden ist und/oder eines der vierten Wicklungsenden (14) der vierten Spule (L4) mit dem vierten Analog/Digital-Wandler (24) verbunden ist.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei ersten Wicklungsenden (11) der ersten Spule (L1) mit dem ersten Analog/Digital-Wandler (21) verbunden sind und/oder die zwei zweiten Wicklungsenden (12) der zweiten Spule (L2) mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler (22) verbunden sind und/oder die zwei dritten Wicklungsenden (13) der dritten Spule (L3) mit dem dritten Analog/Digital-Wandler (23) verbunden sind und/oder die zwei vierten Wicklungsenden (14) der vierten Spule (L4) mit dem vierten Analog/Digital-Wandler (24) verbunden sind.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge erste Messsignal (31) eine erste Spannung (U1), das analoge zweite Messsignal (32) eine zweite Spannung (U2), das analoge dritte Messsignal (33) eine dritte Spannung (U3) und das analoge vierte Messsignal (34) eine vierte Spannung (U4) repräsentieren.
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Messignalauswertung der Steuereinheit (50) eine erste Messspannung bestimmt wird aus $U mess,1 = u 1 + u 3 - u 2 - u 4.$
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Messignalauswertung der Steuereinheit (50) eine zweite Messspannung bestimmt wird aus $U mess,2 = u2 + u 3 - u1 - u 4.$
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Messignalauswertung der Steuereinheit eine dritte Messspannung bestimmt wird aus $U mess,3 = u 1 + u2 + u3 + u 4.$
Dreh- und Biegemoment-Messanordnung (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messspannung, die zweite Messspannung und/oder die dritte Messspannung als ein Signal an und/oder in der Steuereinheit abgreifbar sind/ist.