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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN
ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/064,831, die am 21.
Oktober 1997 eingereicht wurde.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Drehmomentsensoren und insbesondere
kontaktlose magnetoelastische Drehmomentsensoren zum Bereitstellen
eines Maßes
für das
Drehmoment, das auf eine Welle aufgebracht wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
der Steuerung von Systemen mit drehenden Antriebswellen sind Drehmoment
und Geschwindigkeit die grundlegenden Parameter, die von Bedeutung
sind. Die Erfassung und Messung eines Drehmoments auf genaue, zuverlässige und
kostengünstige
Weise ist somit seit vielen Jahrzehnten das primäre Ziel der Fachleute.
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Früher wurde
die Drehmomentmessung unter Verwendung von direkt an der Welle befestigten kontaktierenden
Sensoren durchgeführt.
Zu diesen Sensoren gehört
eine Drehmomenterfassungseinrichtung vom Typ "Dehnungsmessstreifen", bei der ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen
direkt an der äußeren Umfangsfläche der
Welle befestigt ist/sind und eine durch Beanspruchung verursachte Änderung
des Widerstands von einer Brückenschaltung
oder anderen wohl bekannten Mitteln gemessen wird. Kontaktsensoren
sind jedoch aufgrund des direkten Kontakts mit der Drehwelle relativ
unstabil und begrenzt zuverlässig.
Sie sind außerdem
sehr teuer und somit bei vielen Anwendungen, wie etwa bei Fahrzeuglenksystemen,
für die
Drehmomentsensoren nun gesucht werden, hinsichtlich einer wettbewerbsfähigen Verwendung
gewerblich nicht durchführbar.
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Danach
wurden kontaktlose Drehmomentsensoren der magnetostriktiven Art
zur Verwendung mit Drehwellen entwickelt. Das
US-Patent 4,896,544 an Garshelis offenbart
beispielsweise einen Sensor, der ein ein Drehmoment übertragendes
Element mit einer in einer geeigneten Weise ferromagnetischen und
magnetostriktiven Fläche
aufweist, zwei axial gesonderte Umfangsbänder im Element, die eine zueinander
symmetrische, durch spiralförmig
gerichtete Eigenspannung induzierte magnetische Anisotropie haben,
und eine magnetische Diskriminatorvorrichtung zur Erfassung, ohne
Berührung
des einem Drehmoment ausgesetzten Elements, von Unterschieden bei
der Reaktion der beiden Bänder
auf gleiche, axial magnetisierende Kräfte. Es ist meistens üblich, die
Magnetisierung und Erfassung durch das Vorsehen von zwei Erreger-
oder Magnetspulen zu realisieren, die auf den Bändern liegen und diese umgeben,
wobei die Spulen in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom angetrieben
werden. Das Drehmoment wird unter Verwendung von zwei entgegengesetzt
angeschlossenen Messspulen zur Messung eines Differenzsignals erfasst,
das aus den Flüssen
der beiden Bänder
resultiert. Leider hat das Vorsehen von genügend Raum für die erforderlichen Erreger-
and Messspulen an der Vorrichtung, an der der Sensor verwendet wird,
und um diese Vorrichtung herum zu praktischen Problemen bei Anwendungen
geführt,
in denen Raum sehr gesucht ist. Derartige Sensor stellen sich für die Verwendung
bei hinsichtlich der Kosten stark konkurrierenden Vorrichtungen,
wie etwa Anwendungen im Automobilbereich, auch als so teuer heraus,
dass sie nicht durchführbar
sind.
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In
jüngster
Zeit sind Drehmomentaufnehmer entwickelt worden, die auf der Messung
des Feldes beruhen, das von dem durch das Drehmoment herbeigeführte Kippen
von ursprünglich
In Umfangsrichtung verlaufenden, remanenten Magnetisierungen verursacht
wird, und die vorzugsweise einen dünnwandigen Ring ("Kragen") verwenden, der
als felderzeugendes Element dient. Es wird beispielsweise auf die
US-Patente 5,351,555 ,
5,465,627 und
5,520,059 an Garshelis verwiesen.
Die Zugspannung am "Umfang" des Rings, verbunden
mit den Mitteln zu seiner Befestigung an der Welle, die das gemessene
Drehmoment überträgt, erzeugt
eine vorherrschende, in Umfangsrichtung gerichtete, einachsige Anisotropie. Beim
Aufbringen einer Torsionsspannung auf die Welle wird die Magnetisierung
neu ausgerichtet und mit zunehmender Torsionsspannung immer spiralförmiger.
Die sich aus der Torsion ergebende spiralförmige Magnetisierung hat sowohl
eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente, wobei die Größe der axialen
Komponente vollständig
von der Torsion abhängig
ist. Ein oder mehrere Magnetfeldvektorsensoren erfassen die Größe und Polarität des Feldes,
das aufgrund des aufgebrachten Drehmoments im Raum um den Aufnehmer
herum entsteht.
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Ein
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers bereitzustellen, der
eine einteilige Welle aufweist, die vollständig aus einer insgesamt homogenen
chemischen Zusammensetzung besteht und getrennte aktive und passive
Bereiche mit magnetischen Eigenschaften aufweist, die für ihre jeweilige
Funktion geeignet sind, indem die geeigneten Bereiche der Welle
thermischen Phasenumwandlungsverfahren, mechanischen Phasenumwandlungsverfahren
oder Kombinationen aus thermischen und mechanischen Phasenumwandlungsverfahren
unterworfen werden, um die jeweils erwünsche metallurgische Phase
in jedem dieser Bereiche zu erhalten und jedem dieser Bereiche die
magnetischen Eigenschaften zu geben, die für seine jeweilige Funktion
geeignet sind.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch Bereitstellen eines Drehmomentsensors,
wie in Anspruch 1 dargelegt, eines Verfahrens zur Erfassung eines
Drehmoments, wie in Anspruch 12 dargelegt, und eines Verfahrens
zur Herstellung eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers, wie
in Anspruch 17 dargelegt, gelöst.
Der Drehmomentsensor weist einen magnetoelastisch aktiven Bereich
an einer einem Drehmoment ausgesetzten Welle und einen Magnetfeldsensor
auf, wie etwa einen Hall-Effekt-Sensor, der auf das Feld des Umwandlungsbereichs
anspricht, das sich infolge des Aufbringens eines Drehmoments auf
den magnetoelastisch aktiven Bereich ergibt. In der bevorzugten
Ausführungsform ist
der magnetoelastisch aktive Bereich in einer einzigen Umfangsrichtung
polarisiert und hat eine ausreichende magnetische Anisotropie, um
die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das
Element zur einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment
auf Null verringert wird, wobei die einem Drehmoment ausgesetzte
Welle aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens
50% der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten
liegen, der symmetrisch um die Richtung der magnetischen Polarisation
angeordnet ist und eine Koerzitivfeldstärke hat, die ausreichend hoch
ist, damit das Feld des Umwandlungsbereichs keine parasitären Magnetfelder
in naheliegenden Bereichen der Welle erzeugt, die eine ausreichende Stärke haben,
um die Nützlichkeit,
für Drehmomenterfassungszwecke,
des Nettomagnetfelds zu zerstören,
das der Magnetfeldsensor fühlt.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen
besteht die Welle aus beliebig ausgerichtetem polykristallinem Material mit
kubischer Symmetrie und einer Koerzitivfeldstärke von mehr als 15, bevorzugt
von mehr als 20 und vorzugsweise von mehr als 35.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden diese und weitere Aufgaben durch Bereitstellen
eines Drehmomentsensors gelöst,
der eine einteilige Welle aufweist, die vollständig aus einer insgesamt homogenen
chemischen Zusammensetzung besteht und getrennte aktive und passive Bereiche
mit magnetischen Eigenschaften aufweist, die für ihre jeweilige Funktion geeignet
sind. Ein derartiger Drehmomentsensor wird dadurch hergestellt, dass
die geeigneten Bereiche der Welle thermischen Phasenumwandlungsverfahren,
mechanischen Phasenumwandlungsverfahren oder Kombinationen aus thermischen
und mechanischen Phasenumwandlungsverfahren unterworfen werden,
um die jeweils erwünsche
metallurgische Phase in jedem dieser Bereiche zu erhalten und jedem
dieser Bereiche die magnetischen Eigenschaften zu geben, die für seine
jeweilige Funktion geeignet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1(a) ist eine Montagezeichnung, die den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor
zeigt, der einen aktiven Bereich ABC mit angrenzenden, entgegengesetzt
polarisierten, sich magnetisch berührenden Umfangsbereiche hat,
die an einer festen Welle ausgebildet sind.
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1(b) zeigt den Sensor aus 1(a),
wobei eine hohle statt einer festen Welle verwendet wird.
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1(c) zeigt den Sensor aus 1(a) mit einem
Wellenabschnitt mit vergrößertem Durchmesser,
an dem der aktive Bereich ausgebildet ist.
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1(d) zeigt den Sensor aus 1(a),
der einen aktiven Bereich AB mit lediglich einer einzigen Polarisationsrichtung
aufweist.
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1(e) zeigt den Sensor aus 1(a) mit einem
Wellenabschnitt mit verringertem Durchmesser, an dem der aktive
Bereich ausgebildet ist.
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1(f) zeigt den Sensor aus 1(e) mit der
Ausnahme, dass der aktive Bereich mit verringertem Durchmesser auf
einer separaten Welle liegt.
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1(g) zeigt den Sensor aus 1(a),
der einen aktiven Bereich ABCD mit drei angrenzenden, entgegengesetzt
polarisierten und sich magnetisch berührenden Umfangsbereichen aufweist.
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2(a) ist eine graphische Darstellung einer typischen "großen" Hystereseschleife.
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2(b) ist eine graphische Darstellung einer typischen "kleinen" Hystereseschleife.
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3 veranschaulicht
vordere und seitliche Draufsichten einer typischen Anordnung einer
Welle und polarisierender Magnete, um gleichzeitig zwei polarisierte
Bereiche zu erzeugen.
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4 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Stärke der
polarisierenden Magnete und der Empfindlichkeit des gebildeten Sensors.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der relativen
radialen Magnetfeldstärke,
die infolge des Aufbringens eines Drehmoments entsteht, und der
axialen Stellung entlang dem aktiven Bereich der Welle.
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6 ist
eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktion
eines kragenlosen Sensors aus Schnellarbeitsstahlmaterial, die die
Beziehung zwischen dem aufgebrachten Drehmoment und der Radialfeldstärke zeigt.
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7 ist
eine Montagezeichnung eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors, die
an der Welle einen mittleren aktiven Bereich aus ferromagnetischem,
magnetostriktivem Material und passive Bereiche aus einem Material
mit geringer Permeabilität
zeigt.
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8 veranschaulicht
ein Verfahren zur Herstellung des Sensors aus 7.
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9 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Abstand der
Walzen zur Kaltumformung und der Empfindlichkeit des gebildeten
Sensors.
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10 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dauer des
Kaltwalzens und der Empfindlichkeit des gebildeten Sensors.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜRHUNGSFORMEN
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In
den letzten wenigen Jahren hat sich ein zunehmendes Interesse an
einem kontaktlosen, magnetoelastischen Drehmomentsensor entwickelt,
der eine Welle, ein magnetoelastisch aktives Element, das eine einachsige
magnetische Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichte Achse
hat und an der Oberfläche
der Welle in Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist, und einen
Magnetfeldsensor aufweist, um den Betrag den Magnetfelds zu erfassen, das
infolge des Aufbringens eines Drehmoments auf die Welle entsteht.
Es war bisher meist bevorzugt, ein physisch getrenntes Teil zu verwenden,
beispielsweise einen Ring oder "Kragen", um die Funktion
des aktiven Elements zu realisieren. Bei einem derartigen Sensor
entsteht die einachsige magnetische Anisotropie üblicherweise aufgrund der "Umfangsspannung", die sich aus der
Presspassung zwischen der Welle und dem Ring ergibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
hat man festgestellt, das an Stelle der Bildung einer Ring-Welle-Schnittstelle
mit ihren damit verbundenen Problemen eine polykristalline Welle, bei
der der größte Teil
der Verteilung lokaler Magnetisierungen darauf beschränkt ist,
in einem 90°-Quadranten
zu liegen, der symmetrisch um die Richtung der kreisförmigen Remanenz
angeordnet ist, eine magnetische Anisotropie in Umfangsrichtung
aufweist, die ausreicht, um beim Aufbringen eines Drehmoments auf
die Welle ein fühlbares
Magnetfeld hervorzurufen. Es scheint daher, dass durch die sorgfältige Auswahl
eines ferromagnetischen Wellenmaterials und lediglich durch eine
geeignete Umfangspolarisierung ein aktiver Bereich direkt an der
Welle erzeugt werden kann. Es ist jedoch klar, dass nicht einfach
an jeder ferromagnetischen Welle ausreichend aktive Bereiche erzeugt
werden können.
In diesem Zusammenhang betreffen die wesentlichen Bedenken die Stabilität, die Linearität und die
Hysterese.
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Stabilität, Linearität und Hysterese
sind keine vollständig
unabhängigen
Eigenschaften eines Drehmomentaufnehmers. Das Vorliegen von Hysterese
ist beispielsweise ein eindeutig die Linearität einschränkender Faktor. Da das Vorliegen
von Hysterese zudem bedeutet, dass irreversible, die Magnetisierung ändernde
Vorgänge
wirksam sind, ist die Frage, ob die einem neuen Drehmomentausschlag zugeordnete Übertragungsfunktion
bei der hundertsten Wiederholung des Ausschlags genau wiederholt wird,
nicht beantwortet, bevor dies erprobt wurde. Im Allgemeinen erfolgt
der Wechsel von einer stabilen Hystereseschleife zu einer anderen
progressiv (ein Vorgang, der "Reptation" genannt wird). Es
ist klar wünschenswert,
irreversible Magnetisierungsvorgänge
zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Eine irreversible Magnetisierungsänderung
erfolgt für
gewöhnlich
durch einen der beiden (oder durch beide) folgenden Vorgänge: Domänenwandbewegung
oder Vektordrehung von einer leichten Achse zur anderen. Da die
Anisotropien, die in jedem praktischen Material vorhanden sind,
ausreichend hoch sind und die leichten Achsen Winkelabstände haben,
die im Wesentlichen größer sind
als die Kippwinkel, die bei gewöhnlich
auftretenden Torsionsspannungen vorkommen (z. B. 90° im Vergleich
zu < 10°), scheint
die Vektordrehung keine signifikante Bedrohung als potentielle Quelle
der Irreversibilität
bei der Übertragungsfunktion
zu sein, obwohl die Vektordrehung zwischen leichten Achsen, die
nahezu im gleichen Abstand von der Umfangsrichtung liegen, beim
anfänglichen Drehmomentzyklus
wirksam sein kann. Wenn somit ein hoher Betrag an Hysterese oder
Reptation in der Übertragungsfunktion
des Aufnehmers vorliegt, wird der Grund dafür am wahrscheinlichsten bei
der Domänenwandbewegung
zu finden sein.
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Der
Einfluss der Domänenwandbewegung auf
den Betrieb des Sensors, die Art und Weise, wie ihre nachteiligen
Auswirkungen vermieden werden können,
und schließlich
die Leistung eines kragenlosen Drehmomentsensors ergeben sich nach
Feststellung und Untersuchung derjenigen Merkmale einer Welle, die
im Betrieb wirksam sind. Zu diesen Merkmalen gehören neben eine Vielzahl von
Materialeigenschaften die Merkmale hinsichtlich der Größe und der
Form der aktiven und angrenzenden Bereiche. Wie zu sehen sein wird,
ist die Leistung des Drehmomentsensors von der Wechselbeziehung zwischen
vielen dieser Merkmale und von dem Betrag bestimmter spezifischer
Eigenschaften abhängig.
Die schematische Veranschaulichung des grundlegenden Aufbaus eines
kragenlosen Drehmomentsensors, der in 1(a) gezeigt
ist, zusammen mit der nachfolgenden Beschreibungen sollen helfen, dies
zu verdeutlichen.
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Bezugnehmend
zunächst
auf 1(a) ist ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor
insgesamt bei 2 gezeigt. Der Drehmomentsensor 2 weist
einen Aufnehmer 4 und einen Magnetfeldvektorsensor 6 auf.
Der Aufnehmer 4 weist ein oder mehrere axial abgesetzte,
sich magnetisch berührende,
entgegengesetzt polarisierte Umfangsbänder oder Umfangsbereiche 8, 10 auf,
die allein den aktiven Bereich oder Aufnehmerbereich der Welle 12 definieren.
Der Bereich 14 der Welle links von A und der Bereich 16 rechts
von B sind lediglich durch das Fehlen einer signifikanten remanenten
Magnetisierung vom aktiven Bereich unterscheidbar. Die Welle 12 besteht üblicherweise
aus einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material mit einer
besonders wünschenswerten
kristallinen Struktur, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird,
so dass der aktive Bereich ebenso aus ferromagnetischem, magnetostriktivem
Material mit der gewünschten
kristallinen Struktur besteht. Das Drehmoment 20 wird auf
einen Abschnitt der Welle 12 aufgebracht und damit auf
einen anderen Abschnitt der Welle übertragen, an dem die Bewegung
der Welle 12 aufgrund des Drehmoments 20 eine
nützliche
Arbeit ausführt.
Mit Blick auf das sichtbare Ende der Welle 12 ist das Drehmoment 20 so gezeigt,
dass es im Uhrzeigersinn wirkt, wobei es jedoch offensichtlich so
aufgebracht werden kann, dass es in Abhängigkeit von der Art der Maschine, die
die Welle 12 umfasst, die Welle in einer der beiden oder
in beide Richtungen dreht oder dazu neigt, diese so zu drehen.
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Wie
in den
US-Patenten 5,351,555 und
5,520,059 gelehrt, ist der
Aufnehmer
4 in einer im Wesentlichen reinen Umfangsrichtung
magnetisch polarisiert, zumindest in dem Umfang, dass er bei fehlendem
Drehmoment
20 (in einem Ruhezustand) keine Nettomagnetisierungskomponente
in Richtung der Achse
11 und keine radialen Nettomagnetisierungskomponenten
aufweist. Die geschlossene zylindrische Form des Aufnehmers
4 verbessert
die Stabilität
der Polarisation, indem ein vollständiger Kreislauf bereitgestellt
wird.
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Wie
zu sehen sein wird, bewirkt aufgrund des Aufbaus, der Materialauswahl
und der Bearbeitung des Aufnehmers 4 das Aufbringen von
Torsionsspannung auf die Welle 12 eine Neuorientierung
der polarisierten Magnetisierung im Aufnehmer 4. Die polarisierte
Magnetisierung wird mit zunehmender Torsionsspannung zunehmend spiralförmig. Die
Helizität der
Magnetisierung im Aufnehmer 4 hängt vom Betrag des übertragenen
Drehmoments 20 ab, und die Chiralität hängt von der Richtungsabhängigkeit
des übertragenen
Drehmoments und von den magnetoelastischen Eigenschaften des Aufnehmers 4 ab.
Die sich aus der Torsion des Drehmoments 4 ergebende spiralförmige Magnetisierung
hat sowohl eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente entlang
der Achse 11. Es ist von besonderer Bedeutung, dass die
Größe der axialen
Komponente vollständig
von der Torsion im Aufnehmer 4 abhängig ist.
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Der
Magnetfeldvektorsensor
6 ist eine Magnetfeldvektorerfassungsvorrichtung,
die bezüglich des
Aufnehmers
4 so angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie
die Größe und Polarität des Feldes
erfasst, das aufgrund der Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung
aus der im Ruhezustand vorliegenden Umfangsrichtung in eine mehr
oder weniger steile Spiralrichtung im Raum um den Aufnehmer
4 herum
entsteht. Der Magnetfeldvektorsensor
6 liefert eine Signalausgabe,
die die Größe des Drehmoments
20 angibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Magnetfeldvektorsensor
6 ein Halleffektsensor mit
integrierter Schaltung. Drähte
24 verbinden
den Magnetfeldvektorsensor
6 mit einer Gleichstromquelle
und übertragen
die Signalausgabe des Magnetfeldvektorsensors
6 zu einer
Empfangsvorrichtung (nicht gezeigt), wie etwa zu einer Steuer- oder Überwachungsschaltung
für die
Maschine oder das System, die/das die Welle
12 umfasst.
Eine ausführlichere
Erörterung
der Arten, der Eigenschaften, der Positionierung und Funktionsweise
der Magneffeldvektorsensoren ist in den
US-Patenten 5,351,555 , Spalte 6 bis
9, und
5,520,059 , Spalte
7 bis 11 und 25 zu finden.
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Die
beiden in Umfangsrichtung polarisierten Bereiche
8,
10 bilden
zusammen den aktiven Bereich des Aufnehmers
4. Der gezeigte
Feldsensor ist zwischen den beiden entgegengesetzt polarisierten
Bereichen auf die "Wand" zentriert und so
ausgerichtet, dass er das radiale Feld an dieser Stelle erfasst.
Es ist möglich,
einen Magnetfeldsensor oder mehrere Magnetfeldsensoren zu verwenden.
Im Allgemeinen ist jeder Sensor dieser Art nahe dem aktiven Bereich angeordnet
und so ausgerichtet, dass er bei der Erfassung des Feldes, das entsteht,
wenn die Welle ein Drehmoment überträgt, maximal
wirksam ist. Die Ähnlichkeit
zwischen diesem Aufnehmer und der herkömmlicheren Ausgestaltung in
den
US-Patenten 5,351,555 und
5,520,059 , bei denen ein
aktiver Bereich angewendet wird, der eine unaxiale Umfangsanisotropie
("Ringsensor") aufweist, ist offensichtlich. Einige
der Unterschiede sind ebenso offensichtlich, andere sind feiner:
- 1. Der aktive Bereich in dieser kragenlosen Grundausgestaltung
ist lediglich durch das Vorliegen der angezeigten remanenten Magnetisierungen
definiert. Wellenabschnitte links von A und rechts von B sind lediglich
durch das Fehlen (in solchen Abschnitten) von fühlbaren remanenten Magnetisierungen
vom Abschnitt zwischen A und B unterscheidbar. Mit Ausnahme von
sekundären, anderen
Wellenfunktionen zugeordneten Gründen,
oder Gründen
zur visuellen Bestimmung des aktiven Bereichs oder zur Optimierung
einiger Merkmale der Aufneh merleistung unterscheidet sich die Welle
zwischen A und C weder hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung
noch hinsichtlich des metallurgischen Zustands, des Durchmessers,
der Oberflächenbehandlung
oder der Oberflächenqualität von den
Abschnitten links von A oder rechts von C. Obwohl der duale aktive Bereich,
d. h. zwei magnetisch angrenzende, entgegengesetzt polarisierte
Umfangsringe, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die bevorzugte
Anordnung bildet (im Gegensatz zu einem einzigen polarisierten Bereich
wie im US-Patent 5,351,555 ),
haben die Gründe
für diese
Bevorzugung vielmehr damit zu tun, den klar definierten Magnetisierungsgradienten
bei B zu erhalten (also eine starke Divergenz, wenn diese Magnetisierungen
unter Torsion gekippt werden), als die unklaren Effekte von axialen
Umgebungsfeldern an weniger deutlich definierten Rändern zwischen
kreisförmig
magnetisierten und nicht remanent magnetisierten Bereichen bei A
und C zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass
wenn A und C die Enden eines aktiven Bereichs mit einer einzigen
Richtung zirkulärer
Remanenz darstellen sich die axiale Komponente, die in den unpolarisierten
Bereichen links von A und rechts von C entsteht, mehr oder weniger
an die axiale Komponente anpasst, wenn diese von einem axialen Feld
gekippt wird. Die axialen Felder verursachen somit eine geringe
Divergenz bei der axialen Magnetisierung, also ein kleines "Signal-" Feld, sofern der
aktive Bereich nicht in der Nähe
eines Endes der Welle liegt. Andererseits wird durch die Torsionsspannung,
obwohl diese auch dazu führt,
dass die zirkuläre
Remanenz eine axiale Komponente entwickelt, die axiale Komponente
der Magnetisierung in den nicht-magnetisierten Bereichen der Welle
nicht verändert.
Somit gibt es eine Divergenz dieser Komponente, und es entsteht
dadurch ein äußeres Feld.
Diese Divergenz ist gegenüber
derjenigen, die bei B in der Konfiguration mit zwei Bereichen auftritt,
verringert, und dies nicht nur, weil die Polarität der Remanenz bei B umkehrt,
sondern weil der Polarisationsvorgang zu einem diffuseren Gradienten
der Remanenz bei A und C führt.
In diesem Zusammenhang kann es in der Tat wünschenswert sein, die "Ränder" der zirkulären Remanenz bei A und C willentlich
verschwimmen zu lassen, um die Feldstärke in diesen Bereichen zu verringern
und somit die Auswirkungen dieser Felder auf das nahegelegene Wellenmaterial
zu reduzieren.
- 2. Da der aktive (felderzeugende) Bereich ein integraler Bestandteil
einer homogenen Welle ist, muss das Wellenmaterial ferromagnetisch
sein. Je höher die
Sättigungsmagnetisierung,
desto größer das
Potential, ein drehmomentabhängiges Magnetfeld
zu erzeugen. Unlegierte und schwach legierte Kohlenstoffstähle haben
Sättigungsmagnetisierungen,
die im gleichen Bereich liegen wie Elementareisen (4πMs = 21 600 Gauß = 2,16 Tesla). Das Legieren
verringert gewöhnlich
Ms etwa im Verhältnis zum Prozentanteil nicht-ferromagnetischer
Legierungselemente. Nickel in geringen Mengen hat eine geringe Wirkung,
Kobalt erhöht Ms. Einige hochfeste Stähle sind hoch legiert und haben
kombinierte eisenfreie Bestandteile in einer Menge von 30%. Nichtsdestotrotz
haben alle ferromagnetischen Stähle,
die für
Wellen verwenden werden können,
zweifellos einen Ms-Wert, der innerhalb
von 20% desjenigen von Eisen liegt. Damit hat der tatsächliche
Wert von Ms des spezifischen Wellenmaterials
eine beschränkte
unabhängige
Auswirkung auf die Leistung des Drehmomentaufnehmers.
- 3. Der aktive Bereich, und somit die Welle selbst, muss magnetostriktiv
sein. Das Produkt aus Magnetostriktion λ und der Haupttorsionsspannung σ stellt den
magnetoelastischen anisotropischen Einfluss bereit, der für den Betrieb
des Aufnehmers grundlegend ist. Wie bei dem Drehmomentsensor aus
dem US-Patent 5,351,555 ist
es diese Anisotropie, die die leichte Achse in die eine oder andere
axiale Richtung vormagnetisiert, wodurch die Magnetisierungsdivergenz
erzeugt wird, die die Quelle für
das Signalfeld ist. Die einzelnen Kristallite, die die polykristallinen
Materialien bilden, aus denen die Wellen hergestellt sind, haben selten
isotropische Magnetostriktionen. In Eisen ist λ besonders anisotropisch, sogar
in dem Ausmaß,
dass sein Vorzeichen entsprechend der Richtung, in die das Kristall
magnetisiert wird, wechselt. Wenn beispielsweise ein ideal demagnetisiertes,
einzelnes Eisenkristall parallel zu einem Rand eines Kubus magnetisiert
wird, nimmt seine Länge
in diese Richtung um 20 ppm zu. Wenn es parallel zu einer Kubusdiagonalen
magnetisiert wird, verringert sich seine Länge in diese Richtung um 21
ppm. In der Sprache der Fachleute auf dem Gebiet des Magnetismus
gilt λ100 = 20 ppm und λ111 = –21 ppm.
Geringe Prozentsätze (etwa
3%) einiger Legierungselemente, beispielsweise Ni und Si, verringern
den absoluten Wert von λ111, was zu einer isotropischeren Magnetostriktion
führt.
Dabei gibt es zwei Punkte, an die erinnert werden muss. Zunächst sollte
es so sein, dass es keine Domänenwände im remanenten Zustand
gibt, oder, falls sich 90°-Wände infolge von
internen Felder gebildet haben, dass diese wirksam festgelegt sind.
Zweitens, da die Ruhemagnetisierung entlang leichter Achsen liegt
(beispielsweise in <100> Richtungen bei üblichen Stahlwellen),
muss sie durch die magnetoelastische Anisotropie λσ von diesen
leichten Achsen weggedreht werden. Im Interesse einer linearen Übertragungsfunktion
ist es bezüglich
der magnetoelastischen Energie wünschenswert,
dass diese im direkten Verhältnis
zum Drehmoment bleibt (d. h. zu σ).
Bezüglich λ ist es somit
wünschenswert, dass
es konstant bleibt, wenn die Magnetisierungsvektoren durch λσ von den
sich im Ruhezustand befindlichen leichten Achsen weggedreht werden.
Bei einigen Kristallen, in Abhängigkeit von
ihrer Ausrichtung, bringt die Drehung zur Richtung +σ den Vektor
näher an
die Richtung <111>, und wenn λ111 negativ
ist, wird es somit zwischen den Richtungen <100> und <111> einen Ausgleichspunkt
geben, bei dem λσ = 0 für jeden Wert
von σ gilt.
Bei reinem Eisen und Stählen
mit sehr geringem Legierungsgehalt ist sogar <110> negativ,
und somit ist es bei diesen Materialien nicht möglich, diesen unerwünschten
Zustand für eine
Kristallausrichtung zu vermeiden. Aus diesem Grund sind Ni und Si
wünschenswerte
Legierungselemente.
- 4. Der aktive Bereich, und deshalb die Welle selbst, muss über eine
Anisotropiequelle verfügen,
um die Magnetisierung zu der (während
der Polarisation) hergestellten Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn
das Drehmoment auf Null verringert wird. Um eine symmetrische Reaktion auf
Drehmomente im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu gewährleisten,
sollte die Verteilung dieser Anisotropie im Ruhezustand um die Umfangsrichtung
herum symmetrisch sein. Um zu gewährleisten, dass die dem Drehmoment zugeordnete
magnetoelastische Anisotropie dazu führt, dass alle remanent magnetisierten
Abschnitte der Welle zusammen zur Entwicklung einer axialen Komponente
beitragen, sollte die Anisotropie im Ruhezustand nirgendwo um mehr
als 45° von
der Umfangsrichtung abweichen. Mit anderen Worten ist die Notwendigkeit
der Anisotropie ein Ausdruck der Notwendigkeit, die zirkuläre Remanenz
innerhalb des in Umfangsrichtung orientierten 90°-Quadranten zu begrenzen. Eine
zufriedenstellende Leistung kann erhalten werden, wenn mindestens
50% der lokalen Magnetisierungen im 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um
die Richtung der zirkulären
Remanenz angeordnet ist. Wenn die Hauptquelle für die Anisotropie im Ruhezustand
die magnetokristalline Anisotropie ist, die mit den atomaren Anordnungen
einer Gitterstruktur mit multiaxialer Symmetrie verbunden ist, z.
B. ein zufällig
ausgerichtetes polykristallines Material, bei dem jedes Kristallit
eine kubische Symmetrie (einschließlich der eines verdrehten
Kubus, z. B. eine tetragonale Symmetrie) mit <100> oder <111> leichten Achsen aufweist, erfüllt die
Umfangsremanenz im Ruhezustand in mehr als 50% der Kristallite automatisch
diese "45°"-Anforderung. Die
magnetokristalline Anisotropie in Eisen und in allen herkömmlichen
Stählen
hat eine derartige kubische Symmetrie, und sie gehören somit
alle (lediglich auf der Basis dieser Anforderung) zu möglich anwendbaren
Materialien für
kragenlose Drehmomentaufnehmer. Der Wert der Anisotropie von reinem
Eisen wird im Allgemeinen durch herkömmliche Legierungselemente
verringert, obwohl Wolfram und in geringerem Maße Mangan zu deren Erhöhung beitragen.
Molybdän,
Vanadium und Zinn führen
zu relativ geringen Änderungen
nach unten, während Chrom
beim Herbeiführen
einer Verringerung der Anisotropie im Vergleich zu derjenigen von
reinem Fe etwas weniger träge
ist. Ausreichende Mengen von Ni, Co, Si oder Al können die
Anisotropie auf Null (und weniger) reduzieren. Bei kragenlosen Drehmomentaufnehmern
bestehen Bedenken hinsichtlich eines zu geringen absoluten Werts der
Kristallanisotropie (Kurzform für
die magnetokristalline Anisotropie), da dies die "Feder" ist, die die Magnetisierung
zu ihrer Umfangsrichtung im Ruhezustand zurückführt, wenn das Drehmoment eliminiert
wird. Wenn somit zum Beispiel die Kristallanisotropie (K1) kleiner ist als λσr, wobei σr der Wert
der Restspannung ist, die dem vorhergehenden Bearbeiten der Welle
zugeordnet ist, so ist K1 nicht mehr die
Hauptanisotropie, und bei mehr als 50% der Remanenz im Ruhezustand
ist die Anforderung der 45°-Verteilung
nicht mehr erfüllt.
Hier erhält
man einen ersten flüchtigen
Eindruck über die
Bedeutung der Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Materialeigenschaften, die
einzeln für
den Betrieb des Aufnehmers wichtig sind. Während K1 und λ bezüglich der
Zusammensetzung abhängige
(immanente) Eigenschaften sind, wirken σr und
weitere strukturabhängige Eigenschaften
(z. B. die Gefüge,
die chemische oder strukturelle Anordnung) gemeinsam mit den immanenten
Eigenschaften, um den Wert, die Ausrichtung und Symmetrie der Anisotropien
im Ruhezustand zu bestimmen. Während
außerdem geringe
Mengen von Ni oder Si λ wirksam
erhöhen,
neigen sie auch dazu, K1 zu reduzieren.
Somit muss bei der Auswahl der geeigneten Legierung für die Welle
der Legierungsgehalt vorsichtig eingeschränkt werden.
- 5. Während
inzwischen zu erkennen sein sollte, dass bei der vorliegenden Erfindung
die Welle selbst ferromagnetisch und magnetostriktiv sein und den
erforderlichen Betrag, die Ausrichtung und Verteilung der magnetischen
Anisotropie bereitstellen muss, wurde bisher die Reaktion der Wellenmagnetisierung
auf Magnetfelder noch nicht berücksichtigt.
Ferromagnetische Materialien sind einfach durch den Betrag der durch
Magnetfelder hervorgerufenen Magnetisierungsänderungen und durch den Betrag
der Felder gekennzeichnet, welche erforderlich sind, um signifikante
Magnetisierungsänderungen
herbeizuführen.
Da diese Merkmale keine eindeutigen Funktionen mit einer Variable
sind, werden sie in geeigneter Weise durch eine graphische Darstellung der
Magnetisierung M gegen das Feld H beschrieben, wobei H über einen
symmetrischen bipolaren Bereich zyklisch verändert wird. Die wichtigsten Merkmale
einer derartigen großen
Hystereseschleife sind in 2(a) angegeben,
die nachfolgend ausführlicher
beschrieben wird, wobei die verschiedenen Steigungen und Schnittpunkte
von einem Material zum anderen variieren können und die Steigungen lokale
Suszeptibilitäten,
die Schnittpunkte mit der y-Achse die remanente Magnetisierung und
die Schnittpunkte mit der x-Achse die Koerzitivkraft darstellen.
-
Die
sich verändernden
Steigungen über
die verschiedenen Abschnitte der Hystereseschleife reflektieren
die verschiedenen Vorgänge,
die bei den Magnetisierungsänderungen
beteiligt sind, die bei Feldern unterschiedlicher Stärke auftreten.
Unser Interesse für
diese Einzelheiten ist nicht nur wissenschaftlicher Natur, da beim
Betrieb des kragenlosen Drehmomentaufnehmers aus dem aktiven Bereich Magnetfelder
hervorgehen und diese Felder sich nicht nur im Raum erstrecken,
in dem der/die Feldsensor(en) liegt/liegen, sondern auch in dem Raum,
der von der Welle selbst eingenommen wird. Die Magnetisierungsänderungen,
die in nicht aktiven Abschnitten der Welle hervorgerufen werden,
führen dazu,
dass andere Felder entstehen und sich diese (parasitären) Felder
auch in die Raumbereiche erstrecken, in denen sich unser(e) Feldsensor(en)
befindet/befinden. Um die Übertragungsfunktion
des aktiven Bereichs nicht zu beeinträchtigen, ist es somit wichtig,
dass im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs die parasitären Felder
sehr klein sind und im Idealfall Null betragen, oder, falls sie
von beachtlicher Stärke
sind, sie sich mit aufgebrachtem Drehmoment linear und anhysteretisch
(oder gar nicht) ändern, und
dass sie zeitlich und unter jeglicher Betriebs- und Umgebungsbedingung,
denen die Welle unterliegen kann, stabil sind. Mit anderen Worten
müssen
alle entstehenden parasitären
Felder im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs ausreichend klein
sein, damit das von den Magnetfeldsensoren erfasste Nettofeld für Drehmomenterfassungszwecke
nützlich
ist. Da die Quelle der parasitären
Felder die Magnetisierung in den nicht aktiven Bereichen der Welle
ist, ist es eindeutig wünschenswert,
dass eine solche Magnetisierung klein gehalten wird, oder, falls
sie von beachtlicher Größe ist,
sie sich unter der Einwirkung der von dem aktiven Bereich erzeugten
Felder (und anderer umgebender oder versehentlich erzeugter Felder)
wenig ändert.
Geringe Magnetisierungen können
gewährleistet
werden, wenn Ms klein ist oder die Suszeptibilität (χ = ΔM/ΔH) oder seine
nahe Verwandte, die Permeabilität
(μ = χ + 1), klein
ist. Es ist (bei dieser kragenlosen Grundausgestaltung) eindeutig
unmöglich,
dass Ms klein ist, da ein großer Wert
von Ms für
den aktiven Bereich bevorzugt ist. Um den beeinträchtigenden
Einfluss parasitärer
Felder zu minimieren, ist es somit wichtig, ein Wellenmaterial zu
verwenden, das bei jedem Wert des Felds, dem es ausgesetzt sein
kann, kleine χ–Werte hat. Der
Wert von χ hängt davon
ab, ob die Magnetisierungsänderung
hauptsächlich
auf eine Vektordrehung oder auf eine Bewegung der Domänenwände zurückzuführen ist.
Der Vektordrehung wird durch die Anisotropie ein Widerstand entgegengesetzt,
während
der Domänenwandbewegung
durch die Heterogenität
ein Widerstand entgegengesetzt wird. Die Koerzitivfeldstärke stellt
einen Messwert für
die Schwierigkeit bereit, die das Feld hat, die Magnetisierung zu verändern. Das
Koerzitivfeld Hc ist als die Feldintensität definiert,
die erforderlich ist, um die remanente Magnetisierung (die Magnetisierung,
die nach der Einwirkung eines Sättigungsfeldes
verbleibt) auf Null zu verringern. Somit sind bei Hc 50%
der Magnetisierung umgekehrt worden. Wenn die Magnetisierungsumkehrung
lediglich aufgrund einer Vektordrehung auftritt, entspricht in Materialien,
die aus zufällig
ausgerichteten Kristalliten mit kubischer Symmetrie mit K1 > 0
bestehen, Hc (für derartige Vorgänge wird
Hc auch kritisches Feld genannt) 2K1/Ms. Bei Eisen betrat
für K1 = 450.000 erg/cm3 und
4πMs = 21.600 Gauß Hc für die Vektordrehung
524 Oe. Gemessene Werte von Hc für unlegierte
und niedrig legierte Stähle
liegen in Abhängigkeit
vom Legierungsgehalt und den thermischen und mechanischen Behandlungen typischerweise
im Bereich zwischen 5 und 50 Oe (sogar darunter für geglühtes Eisen).
Es ist somit klar, dass der Hauptvorgang, durch den in diesen Materialien
die Magnetisierung verändert
wird, nicht die Vektordrehung ist, sondern vielmehr die Domänenwandbewegung.
Es ist auch klar, dass ein Material mit Hc =
50 Oe für
die Verwendung bei einem kragenlosen Drehmomentsensor geeigneter
ist als ein Material mit Hc = 5 Oe. Dementsprechend
wären noch höhere Werte
von Hc, von beispielsweise 524 Oe, noch
besser. In jeglichem Stahl kann Hc durch
Kaltformen oder Wärmebehandlung
um einen Faktor von 5 oder mehr erhöht werden. Hc ist
im Allgemeinen größer, wenn
es im mechanisch härtesten
(festesten) Zustand vorliegt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass
die Stärke
das Vorliegen von Hindernissen in der Bewegung (dem Gleiten) einer
Atomschicht über einer
anderen im Kristall wiederspiegelt (Verschiebungen, Fehlstellen,
Einschlüsse,
Ausscheidungen, Gitterverzerrungen aufgrund von Zwischengitteratomen,
Spannung, usw.) und Hc den Halteeffekt dieser Inhomogenitäten in der
Kristallstruktur auf die Domänenwände reflektiert.
-
Die
widersprüchlichen,
häufig
gegensätzlichen
Wirkungen der verschiedenen Materialien und magnetischen Parameter,
wie durch das Vorangehende dargestellt, stellen ein Dilemma bei
der Ausgestaltung kragenloser Drehmomentaufnehmer dar. Damit das
Drehmoment Magnetfelder mit einer ausreichenden Amplitude erzeugt,
damit sie von wirtschaftlichen Felderfassungseinrichtungen erfasst werden,
und sie im Wesentlichen größer sind
als gewöhnlich
auftretende Umgebungsfelder, ist es wünschenswert, dass der aktive
Bereich Felder erzeugt, die so groß wie möglich sind (begünstigt durch
einen hohen Wert für λ/K1 und einen hohen Wert für Ms). Auch
wenn diese Felder eine ausreichende Stärke haben, um signifikante
Magnetisierungsänderungen im
aktiven Bereich hervorzurufen, wird die Übertragungsfunktion bei hohen
Drehmomentniveaus (begünstigt
durch einen hohen Wert für
K1/λ und
einen niedrigen Wert für
Ms) nicht stabil sein. Wenn diese Felder
in Abschnitten der Welle, die nahe dem aktiven Bereich liegen, ausreichend
stark sind, können die
gebildeten parasitären
Felder die Übertragungsfunktion
des Aufnehmers in einer Art und Weise beeinträchtigen (Hysterese, Instabilität und Nicht-Linearität), die
die Nützlichkeit
der Vorrichtung verringern oder zerstören (begünstigt durch niedrige Werte
für Ms, λ und χ, und hohe
Werte für
Hc und K1). Die
Probleme können
sofort beseitigt werden, wenn die Domänenwände ausreichend fest gehalten
werden können,
damit der tatsächliche
Wert von Hc näher an den durch die Anisotropie
bestimmten Grenzwert erhöht wird.
Obwohl es hauptsächlich
ein Materialproblem ist, erfolgen die Auswahl eines Wellenmaterials,
die zur Herstellung der Welle angewendeten Verfahren und deren darauffolgende
thermische und mechanische Behandlungen gewöhnlich so, dass sie die Hauptfunktion
der Welle, d. h. die Übertragung
von Drehmoment, bestmöglich
erfüllen,
ohne große
Sorge, ob diese Faktoren die Präferenzen
für die
Drehmomenterfassung erfüllen.
-
Es
sollte hervorgehoben werden, dass die gesamte obige Erläuterung
die grundlegende oder einfachste kragenlose Ausgestaltung betrifft,
die in
1(a) veranschaulicht ist. Wie
sich aus der Betrachtung weiterer Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, ergeben wird, gibt
es beim Entwerfen einer kragenlosen Ausgestaltung nichts, das eine Änderung
des aktiven Bereichs (oder der nicht-aktiven Abschnitte der Welle),
so dass bessere Kombinationen der bedeutenden Eigenschaften als
in anderen Abschnitten der Welle erhalten werden, verbietet. Somit
ist es für
das Entwerfern eines kragenlosen Aufnehmers nicht wesentlich, dass
das Vorliegen einer remanenten Magnetisierung das einzige Merkmal
ist, das den aktiven Bereich von angrenzenden Bereichen der Welle
unterscheidet. Verschiedene lokale Behandlungen oder andere Veränderungen
sind in den
US-Patenten 5,391,555 ,
Spalten 4 bis 15 beschrieben und durch Bezugnahme hier aufgenommen.
-
Auf
der Grundlage unseres vorliegenden Verständnisses scheint es, als würden weitere
Abweichungen von der kragenlosen Grundausgestaltung zu einer Leistungsverbesserung
führen.
Bezug nehmend auf 1(c) beispielsweise würde bei
einer Vergrößerung des
Durchmessers der Welle über eine
begrenzte axiale Erstreckung, die dann in Umfangsrichtung magnetisiert
wird (d. h. dass der aktive Bereich sich auf einem Absatz befindet),
die Stärke des
Signalfelds in den (nun nicht so) nahen Abschnitten der Welle verringert
werden, auch wenn der aktive Bereich das gleiche drehmomentbezogene
Feld erzeugt wie die Grundausgestaltung mit einem einzigen Durchmesser
aus 1(a). Der Feldsensor bzw. die
Feldsensoren wären
dann außerdem
weiter von der Quelle für
parasitäre
Feld entfernt.
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Wie
oben erwähnt,
kann es als sich nützlich erweisen,
die Umfangsmagnetisierung zu "verringern", wodurch die Ränder A und
C des in 1(a) gezeigten aktiven Bereichs
verschwimmen. Dabei besteht der Zweck darin, die parasitären Felder
aus den inaktiven Abschnitten der Welle zu verringern, indem sowohl
die Stärke
des Signalfelds in diesen Abschnitten reduziert wird (was die Magnetisierung
dieser Abschnitte verringert) als auch die Stärke drehmomentabhängiger Felder
verringert wird, die sich aus diesen Abschnitten ergeben würden, wenn
sie von dem Signalfeld magnetisiert werden. Dieser Ansatz kann auf
einfache Weise umgesetzt werden, indem die Nähe zum aktiven Bereich oder
die Stärke der
Magnete verringert wird, welche zur Erzeugung der Polarisationen
verwendet werden, die den aktiven Bereich bilden.
-
Hohle,
durchgehend gehärtete
Wellen, wie in 1(b) gezeigt, würden sich
aus vielen Gründen als
geeigneter erweisen als massive oder oberflächengehärtete Wellen. Eine hohle Welle
wird durch Torsion gleichmäßiger belastet
als eine massive Welle, und somit kann der gesamte Querschnitt zum
Signalfeld beitragen. Die Erzeugung einer zirkulären Remanenz durch die gesamte
massive Welle ist nicht möglich.
Auch eine Annäherung
daran bei einer Welle mit großem
Durchmesser wird theoretisch schwierig. Auch wenn eine zirkuläre Magnetisierung
erreichbar wäre,
würden
die mittleren Bereiche der Welle wenig zum Signalfeld beitragen,
da sie so wenig beansprucht werden. Diese mittleren Bereiche werden außerdem zu "naheliegendem, permeablem
Material" und könnten gut
eine Quelle für
parasitäre
Felder sein, was vielmehr zu einer Verringerung als zu einem Beitrag
zur Leistung des Drehmomentaufnehmers führt. Diese möglicherweise
negative Eigenschaft massiver Wellen würde im Allgemeinen verschlimmert
werden, da die mittleren Bereiche, sogar auch in durchgehend gehärteten Wellen
(wobei sich die Härte
durch Quenchen ergibt), im Allgemeinen nicht so hart sind wie die
Oberflächenbereiche
und somit einen niedrigeren Wert für Hc haben.
Aus diesen Gründen
erscheint ein durchgehendes Härten wünschenswerter
als eine Oberflächenhärtung. Andererseits
könnte
die Oberflächenhärtung durch
Nitrierhärtung
nützlich
sein, da sie die Härte
einiger Stähle
weiter erhöhen
kann, wodurch wahrscheinlich auch Hc erhöht wird.
Tieftemperaturbehandlungen sind auch bekannt, um die Härte von
herkömmlicherweise
verwendeten (oberflächengehärteten)
Wellenmaterialien im Wesentlichen zu erhöhen (z. B. von Rockwell 60
bis 64 für
8620 und von R55 bis R62 für 4320).
Derartige Behandlungen können
auch Hc erhöhen.
-
1(d) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass der aktive Bereich
nur in einer einzigen Richtung polarisiert ist. Dieser Aufbau eignet
sich für
massive oder hohle Wellen, jedoch nicht für gestufte Wellen, da die Endbereiche
(A und B) Pole in einem axialen Magnetfeld entwickeln würden. Es
ist festgestellt worden, dass das Anordnen eines zweiten Sensors
am rechten Ende des aktiven Bereichs (in Durchsicht gezeigt) dazu
beiträgt,
die Empfindlichkeit auf Umgebungsfelder in diametraler Richtung
zu verringern.
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1(e) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass der Durchmesser der
Welle im aktiven Bereich im Vergleich zu dem der Hauptwelle verringert
ist. Bei dieser Konfiguration sind die magnetischen "Pole", die bei A und C gebildet
sind, wenn die Welle ein Drehmoment überträgt, hinsichtlich der Magnetisierung
des größeren Materialvolumens
in den angrenzenden Bereichen weniger wirksam. Dies führt zu einer
Verringerung der Stärke
der parasitären
Felder, die von diesen Bereichen ausgehen. Mit dieser Bauweise ist
es auch möglich,
den Feldsensor bzw. die Feldsensoren bezüglich der Flächen der
Abschnitte mit größerem Durchmesser
radial nach innen anzuordnen, an Stellen, an denen die Stärke der
parasitären
Felder verringert ist. Wie bei der gestuften Ausgestaltung von 1(d) ist diese Bauweise für die Verwendung mit einem
einzigen polarisierten Bereich nicht geeignet.
-
1(f) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(e), abgesehen davon, dass der aktive Bereich
nun an einer separaten Welle ausgebildet ist. Obwohl er mit einem
verringerten Durchmesser auf seiner gesamten Länge gezeigt ist, kann der Abschnitt
dieser magnetoelastisch aktiven Welle zwischen A und C tatsächlich den
gleichen oder einen größeren Durchmesser
haben als die Abschnitte der Hauptwelle, an denen er befestigt ist
(die nicht den gleichen Durchmesser an jedem Ende haben müssen). Die
aktive Welle kann durch Presspassungen, Befestigung mit Stiften,
Schweißen,
Schraubengewinde oder dergleichen starr an den Hauptwellen befestigt
sein. Die Hauptwellen bestehen vorzugsweise aus nicht-ferromagnetischem
Material, z. B. aus nicht rostendem Stahl, Aluminiummessing, Glasfaser, Kunststoff
usw., können
jedoch auch aus ferromagnetischem Material mit geringer Permeabilität bestehen,
das vorzugsweise eine geringe Magnetostriktion hat, z. B. gehärteter,
unlegierter Stahl, und sie können
keine signifikanten parasitären
Felder erzeugen. Die aktive Welle kann hohl oder massiv sein und
ist lediglich zwischen AB und BC in Umfangsrichtung polarisiert.
Da die Bereiche AA' und
CC' auch geringe prozentuale
Anteile des Drehmoments übertragen, ist
ihr Beitrag zu parasitären
Feldern minimal. Außerdem
sind die Abschnitte der aktiven Welle, die nicht im aktiven Bereich
liegen, für
lokale Quellen möglicher
Störfelder,
wie etwa magnetisierte Werkzeuge (Schraubendreher, Schraubenschlüssel, usw.)
nicht leicht zugänglich.
-
1(g) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass drei (3) in Umfangsrichtung
polarisierte Bereiche und 2 "Domänenwände" mit hoher Divergenz
(bei B und C) vorhanden sind. Die erhöhte Feldstärke dazwischen ermöglicht auch
die Verwendung eines einzigen, axial ausgerichteten Feldsensors
(in Durchsicht gezeigt) statt zwei Feldsensoren, die jeweils an
jeder Domänenwand
angeordnet sind.
-
2(a) veranschaulicht die Form und die wichtigsten
Merkmale einer typischen "großen" Hystereseschleife,
d. h. eine Hystereseschleife, bei der die Grenzfelder ausreichend
sind, damit die Magnetisierung Anzeichen einer herannahenden Sättigung macht.
Dies ist durch die Abflachung der Schleifenextremwerte und durch
die Verringerung der Magnetisierungsunterschiede zwischen aufsteigenden
und fallenden "Schenkeln" der Schleife aufgezeigt.
Hystereseschleifen stellen dynamische Phänomene effektiv dar. Sie werden
in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen, nach oben
rechts, nach unten links usw. Bei der hier gezeigten großen Schleife
sollte ersichtlich sein, dass weitere Erhöhungen des Felds über ±100 Oe
hinaus nicht zu einer deutlichen Erhöhung der Spitzenmagnetisierungen über ±18 kG
führen.
Wenn das Feld auf Null verringert wird, nachdem diese Werte der "technischen Sättigung" erreicht wurden, "fällt" die Magnetisierung "zurück" auf einen mit R
bezeichneten Wert (oder R' für Felder
mit entgegengesetzter Polarität).
R und R' stellen
die "remanente" Magnetisierung dar.
Der Wert von R in der gezeigten Schleife beträgt 15,8 kG. Das "Remanenzverhältnis", d. h. das Verhältnis der
remanenten Magnetisierung zur Spitzenmagnetisierung, beträgt bei dieser
Schleife (15,8/18) = 0,878. Bei einem Material mit uniaxialer Anisotropie
in Feldrichtung würde
das Remanenzverhältnis
1,00 betragen, den höchstmöglichen
Wert. Wenn bei einem derartigen Material die Feldrichtung senkrecht
zur Anisotropie verlaufen würde,
würde das
Remanenzverhältnis Null
betragen, sein kleinstmöglicher
Wert. In einem Material mit einer zufälligen Ausrichtung kubischer Kristallite
mit leichten Achsen entlang den Rändern des Kubus, würde dieses
Verhältnis
0,8312 betragen. Bei einer Anordnung der leichten Achsen entlang
der Diagonalen des Kubus würde
das Verhältnis 0,866
betragen. Das relativ hohe Remanenzver hältnis der in 2(a) gezeigten Schleife lässt erkennen, dass die Kristallite
entweder nicht zufällig
ausgerichtet sind oder ein sonstiger anisotropischer Einfluss vorhanden
ist. In jedem Fall würden
Hystereseschleifen für
andere Feldrichtungen im Allgemeinen größere oder kleinere (andere)
Remanenzverhältnisse
aufzeigen.
-
Der
Wert des Felds, in dem die Magnetisierung auf Null reduziert ist
(Punkte C und C'),
ist das "koerzitivfeld". Das koerzitivfeld
steigt im Allgemeinen mit zunehmenden Spitzenfeldausschlägen und erreicht
einen Maximalwert (der "Koerzitivkraft" genannt wird) bei
der Sättigung.
Das Koerzitivfeld in der gezeigten Schleife beträgt 30 Oe, ein Wert, der nur geringfügig kleiner
ist als die Koerzitivkraft des hypothetischen Materials, das die
angegebene Schleife hat. Wenn die Magnetisierungsumkehrung zwischen R
und C' durch eine
zusammenhängende
Drehung (in jeder Domäne)
der lokalen Momente gegen eine Kristallanisotropie von 400 000 erg/cm3 (ein typischer Wert für schwach legierte Stähle) erfolgen
würde, wäre die Koerzitivkraft
2 × 400
000/(18 000/4π)
= 559 Oe, nahezu das Neuzehnfache des beobachteten Werts. Wenn die
gezeigte Schleife somit für
ein Material dieser Art (z. B. ein schwach legierter Stahl) gilt, erfolgt
die Magnetisierungsumkehrung hauptsächlich durch Domänenwandverschiebung,
und nicht durch zusammenhängende
Drehung.
-
A
und A' in 2(a) geben die Extremwerte einer "kleinen" Hystereseschleife
an, d. h. eine Schleife, bei der die Spitzenfeldausschläge deutlich geringer
sind als die Koerzitivkraft. Eine vergrößerte Ansicht dieser kleinen
Schleife ist in 2(b) gezeigt. Während zu
sehen ist, dass sowohl die Remanenz als auch das Koerzitivfeld dieser
Schleife ziemlich klein sind, sind sie nicht Null. Auch deshalb
ist für kleine
Ausschläge
eines aufgebrachten Felds zu sehen, dass die sich ergebenen Magnetisierungsänderungen
eine gewisse Unumkehrbarkeit haben. Je kleiner der Feldausschlag
einer kleinen Schleife in Bezug auf die Koerzitivkraft, desto kleiner
sind diese irreversiblen Merkmale. Für sehr kleine (relative) Feldausschläge verengt
sich die "Schleife" zu einer geraden
Linie durch AA'.
In jedem Fall ist die Neigung der geraden Linie durch AA' von kleinen Schleifen
als reversible Suszeptibilität
(χrev) bekannt. In einer magnetisierten Probe
verändert
sich der Wert von χrev in jedem Punkt an der großen Schleife
innerhalb des Koerzitivfelds wenig (möglicherweise in einem Bereich
von ±15%).
Obwohl kleine Schleifen für
uniaxiale Materialien weder eine Remanenz noch eine Koerzitivfeld stärke aufweisen,
haben sie insgesamt einen endlichen Wert von χrev in
Feldern, die senkrecht zur Anisotropie verlaufen, und einen Wert
von Null für χrev (für
eine vollkommen gleichmäßige und
kohärente
Anisotropie) in Feldern, die parallel zur Anisotropieachse verlaufen.
-
Die
Tatsache, das die meisten Materialien auch in kleinen Feldern einen
endlichen Wert für χrev, Remanenz und Koerzitivfeldstärke haben,
ist klar für den
Betrieb von kragenlosen Drehmomentaufnehmern relevant. Aufgrund
ihrer finiten χrev-Werte erzeugen Bereiche der Welle, die
den Feldern ausgesetzt sind, welche vom aktiven Bereich erzeugt
werden, wenn ein Drehmoment auf die Welle aufgebracht wird, eine
Magnetisierung. Innerhalb des aktiven Bereichs selbst werden diese
Felder "demagnetisierende" Felder genannt,
da sie in eine Richtung wirken, die dazu neigt, dem Kippen der zirkulären Magnetisierung
im Ruhezustand entgegenzuwirken. Da derartige Felder niemals stärker sein
können
als ihre Verursacher ist ihre Wirkung lediglich die Verringerung
der Wirkung eines Drehmoments, d. h. dass sie die potentielle Sensibilität des Aufnehmers
reduzieren. Aufgrund der finiten Remanenz und Koerzitivität des Wellenmaterials
variiert die reaktive Magnetisierung in den inaktiven Bereichen
mit dem aufgebrachten Drehmoment in der Art einer Hysterese. Da die
ursächlichen
Felder auch mit dem Abstand vom aktiven Bereich abfallen, sind diese
reaktiven Magnetisierungen nicht gleichmäßig, und sie sind auch nicht
in Umfangsrichtung gerichtet. Da das Wellenmaterial magnetostriktiv
ist, variiert zudem die Magnetisierung innerhalb der reaktiv magnetisierten
Bereiche mit dem aufgebrachten Drehmoment. Somit schaffen diese
zuvor passiven, neu magnetisierten Bereiche selbst Feldkomponenten
im Raum innerhalb der und um die Welle herum. Das von den Feldsensoren
(d. h. vom Signalfeld) erfasste Nettofeld ist somit die Resultierende
des zweckdienlichen Felds aus dem aktiven Bereich und der parasitären Felder
aus den reaktiven Bereichen. Es überrascht nicht,
dass die wünschenswerterweise
lineare und nicht-hysteretische Übertragungsfunktion
des Aufnehmers durch das unvermeidliche Vorhandensein von angrenzendem
magnetisierbarem Material in kragenlosen Ausgestaltungen zerstört werden
kann. Die erstrebenswerte Eigenschaft, die Koerzitivität hoch zu
halten, sollte nun klar sein.
-
Der
Betrieb des Aufnehmers erfordert, dass die "Oberfläche" der Welle in Umfangsrichtung remanent
magnetisiert ist. Ein Material, das nicht in Umfangsrichtung magnetisiert
ist, kann zu reaktiv magnetisiertem Material werden und somit zu
einer Quelle für
parasitäre
Felder. Obwohl tiefer, was die Tiefe der Magnetisierung angeht,
somit besser erscheint, mindern zwei Faktoren das Erfordernis der
Magnetisierung des gesamten Wellenquerschnitts in Umfangsrichtung.
Zunächst
verringert die Reduzierung der Torsionsscherspannung mit zunehmendem
Abstand von der Oberfläche
den relativen potentiellen Beitrag zum Signalfeld aus den mittigeren
Bereichen des Wellenquerschnitts. Zweitens, auch wenn diese tieferen
Bereiche nützliche
Feldstärken
an ihrem Standort erzeugen, wäre
ihr Beitrag zur Feldstärke an
der Feldsensorposition (in einem Abstand radial außerhalb
von der Wellenoberfläche)
im Wesentlichen verringert. Diese gleichen Faktoren verringern die
Fähigkeit
von tief innenliegenden, nicht in Umfangsrichtung magnetisierten
Bereichen signifikant störende
parasitäre
Felder an "beabstandeten" Feldsensoren zu
erzeugen. Der erste Faktor begrenzt die bei kleinen Wellen erforderliche
Tiefe der Umfangsmagnetisierung vielleicht auf 50% des Radius. Der
zweite Faktor gibt an, dass auch bei sehr großen Wellen eine Umfangsmagnetisierung,
die tiefer ist als 10–20
mm, zu einem geringen Nutzen führen würde. In
vielen hohlen Wellen würde
das Durchdringen bis zu solchen Tiefen bis zur Innenfläche gelangen.
Dies wäre
eine wünschenswerte
Bedingung für hohle
Wellen, insbesondere für
dünnwandige
hohle Wellen, da sie hohl hergestellt sind, um die verfügbare Materialstärke effektiver
zu nutzen und das Gewicht zu reduzieren. Wenn der gesamte Wellenquerschnitt
ein Nutzdrehmoment überträgt, wäre es sinnvoll,
dass der gesamte Querschnitt zum Signalfeld beiträgt, statt
dass ein Teil davon von dem Signalfeld beeinträchtig wird und dann zu parasitären Feldern beiträgt. In der
Praxis ist es jedoch sogar bei Wellen mit großem Durchmesser sehr schwierig,
auf eine Tiefe von mehr als 1–2
mm zu magnetisieren, da es schwierig ist, so weit von der Magnetfeldquelle
ein ausreichend starkes Magnetfeld zu erzeugen.
-
Betrachtet
man die verfügbaren
Mitteln zur Erzeugung der Umfangsmagnetisierung, ist die Tatsache,
dass eine Polarisierung des gesamten Querschnitts nicht erforderlich
ist, zufällig.
Verfahren und Vorgehensweisen zur Polarisierung sind in den
US-Patenten 5,351,555 , Spalte
13 bis 14, und
5,520,059 ,
Spalte 15 bis 16 und 26 bis 28 und auch in J. Appl. Phys. 79(8),
4756, 1996 beschrieben. Die Erzeugung des aktiven Bereichs bei kragenlosen Drehmomentaufnehmern
erfordert zwei zusätzliche Überlegungen.
Erstens, da der aktive Bereich im Allgemeinen eine begrenzte axiale
Erstreckung hat und in irgendeiner wünschenswerten axialen Stellung entlang
der Welle anzuordnen ist, sind Verfahren, die das Leiten elektrischer
Ströme
durch die gesamte Welle oder durch koaxiale Leiter, die durch hohle Wellen
verlaufen, ungeeignet. Während
verschiedene Konfigurationen zur Durchführung elektrischer Ströme durch
begrenzte und gut definierte axiale Längen möglich sind, wären diese
begrenzt anwendbar und würden
keinen erkennbaren Vorteil bieten. Die Polarisation durch Drehung
durch das Feld mit starkem Gradienten von nahegelegenen Magneten, permanenten
Magneten oder Elektromagneten ist das stark bevorzugte Verfahren,
da für
ein breites Spektrum von Wellendurchmessern und -materialien die
gleiche Polarisationsausstattung und das gleiche Polarisationsverfahren
verwendet werden können. Die
axiale Länge
des aktiven Bereichs und seine axiale Position können durch dieses Verfahren
genau gesteuert werden. Zweitens erfordert die Polarisation von
kragenlosen Drehmomentaufnehmern viel stärkere Magnetisierungsfelder
als die Polarisation von herkömmlichen
Ausgestaltungen mit einem "Ring
an der Welle". Dies
ergibt sich direkt aus Vergleichen von großen Hystereseschleifen von
Materialien, die jeweils für
jede Ausgestaltung geeignet sind, und durch die Überlegung, dass für die gleiche
Wellengröße das Durchdringen
des Magnetisierungsfelds in kragenlosen Ausgestaltungen im Allgemeinen
stärker
ist als bei Ausgestaltungen mit einem dünnen Ring, und dass innere
Bereiche der in kragenlosen Ausgestaltungen verwendeten Wellen von
Natur aus höhere
Permeabilitäten
haben als die Wellen, die bei Ausgestaltungen mit einem Ring verwendet
werden. Benachbartes permeables Material neigt dazu, den Fluss von
den polarisierenden Magneten "kurzzuschließen", wodurch die effektiv
verfügbare
Feldstärke
verringert wird. Egal, wie man es ausdrückt, das Ergebnis ist das gleiche,
permeables Material zwischen dem Ausgangsmagnet und dem Ziel schirmt das
Ziel gegen das Feld des Magneten ab. In diesem Fall schirmen die
Oberflächenbereiche
die Innenbereiche ab, wodurch die Tiefe der Polarisation begrenzt
wird. Wie in IEEE Trans. Mag 28(5), 2202, 1992 (
5)
und in
5 des oben genannten Dokuments J. Appl. Phys.
gezeigt, sind große
Schleifen von Ringen unter Umfangsspannung quadratisch (uniaxiale
Anisotropie) und haben typischerweise Koerzitivfelder, die lediglich
wenige Oersted betragen. Dagegen haben große Schleifen von Wellenmaterialien
kragenloser Drehmomentaufnehmer mehr runde Merkmale (zufällige kubische
Anisotropie) und zeigen Koerzitivfeldstärken, die über etwa 15 Oersteds liegen.
Koerzitivfeldstärken
von 35 oder mehr werden bevorzugt. Da es der Umkehrfeld-"Lappen" des Felds des Magnetisierungsmagneten
ist, der die Polarisation ausführt,
und da die Stärke
dieser Lappen lediglich etwa 20% des direkten Feldlappens beträgt, und auch
weil die "technische
Sättigung" (die erforderlich ist,
um die Remanenz zu maximieren) Felder erfordert, die mindestens
2 mal so stark sind wie die Koerzitivkraft des Wellenmaterials,
und schließlich
weil eine starke Koerzitivkraft besser ist, um die parasitären Felder
zu minimieren und die Stabilität
zu maximieren, ist der Bedarf an starken Polarisationsmagneten für kragenlose
Ausgestaltungen klar. Bei hohlen Wellen mit ausreichend großem Durchmesser kann
es vorteilhaft sein, um eine gleichmäßige Polarisation über die
gesamte Tiefe des aktiven Bereichs zu erhalten, zusammenwirkende
innere und äußere Polarisationsmagneten
zu verwenden. Eine typische Anordnung für die Welle und Polarisationsmagneten ist
in
3 gezeigt, die eine Anordnung von Polarisationsmagneten
und einer Welle zeigt, um gleichzeitig zwei (2) magnetisch angrenzende
polarisierte Bereiche, wie bei der in
1(a) veranschaulichten
kragenlosen Ausgestaltung, zu erzeugen. Die Anzahl der Quellen für polarisierende
Felder entspricht im Allgemeinen der Anzahl der erzeugten polarisierten Bereiche.
-
Bei
der einfachsten Ausführungsform
würden
die Polarisationsmagnete typischerweise aus Hochenergie-Permanentmagneten
(z. B. Samarium-Kobalt- oder
Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten) bestehen, die nahe der Wellenoberfläche gehalten
sind, während
die Welle in die eine oder andere Richtung um ihre Achse gedreht
wird. Bei Wellen mit höherer
Koerzitivfeldstärke
können
jedoch in einer wünschenswerten
Weise weichmagnetische "Polstücke" an jedem Permanentmagneten
angebracht und in einer geeigneten Weise geformt und beabstandet
sein, so dass die verfügbare
MMK des Magneten am effizientesten genutzt wird (um den Magnetfluss
durch die Welle anzutreiben). 3 zeigt
zwei derartige Polarisationsmagente, "1" und "2", die jeweils entgegengesetzte Polaritäten haben und
mit einem gewissen kleinen Abstand axial beabstandet sind. Die fettgedruckten
Pfeile an der Welle geben die Richtungen der sich ergebenden remanenten
Umfangsmagnetisierungen an, d. h. die polarisierten Bereiche, die
gemeinsam den aktiven Bereich des Aufnehmers bilden. Die zur Wellenachse senkrecht
verlaufenden Linien sind die Darstellung der Ränder dieser polarisierten Bereiche.
Es ist anzumerken, dass die Breite (die axiale Erstreckung) dieser
Bereiche die Breite der Polarisationsmagnete geringfügig überschreitet.
Der schraffierte Abschnitt zwischen den beiden entgegengesetzt polarisierten Bereichen
bildet einen Unterbereich, in dem die remanente Magnetisierung von
einer zirkulären
Richtung in die andere übergeht.
Die Breite dieses Übergangsbereichs
kann so breit wie erwünscht
gestaltet werden, indem lediglich der Abstand zwischen den beiden
Polarisationsmagneten vergrößert wird.
Während
die Breite des Übergangsbereichs
durch Verringerung dieses Trennungsabstands verringert werden kann,
gibt es einen Mindesttrennabstand, über den hinaus der Übergangsbereich
nicht mehr kleiner wird. Es sollte klar sein, dass bei der Annährung der Magnete
1 und 2 ihre jeweiligen Felder jeweils das andere schwächen. Wenn
sie nah genug sind, dass sie sich berühren, gibt es an ihrer Grenzfläche keinen Nord-
und Südpol
mehr, und somit gibt es einen gewissen Abstand entlang der Magnete
selbst, bevor eine zur Polarisation der Welle geeignete Feldstärke in Umfangsrichtung
vorliegt. Die Mindestbreite dieses Übergangsbereichs hängt von
der effektiven Stärke
der Polarisationsmagnete und von der Koerzitivkraft des Wellenmaterials
ab, wobei sie mit Erhöhungen
der ersteren abnimmt und mit Erhöhungen der
letzteren abnimmt. Die optimale Breite des Übergangsbereichs hängt von
der Art, der Größe und der Ausrichtung
des Feldsensors bzw. der Feldsensoren ab, der/die zur Erfassung
des drehmomentabhängigen
Feldes verwendet wird/werden. Wenn es erwünscht ist, einen Übergangsbereich
zu erhalten, der enger ist als derjenige, der mit den Polarisationsmagneten
1 und 2, wenn sie nebeneinander liegen, erhalten weden kann, schafft
eine winkelmäßige Verlagerung
eines Magneten in Bezug auf den anderen um die Wellenachse den Abstand,
der zur Reduzierung ihrer gegenseitig schwächenden Wechselwirkung erforderlich
ist. In 3 ist aus praktischen Gründen der
extreme Abstand von 180°C
veranschaulicht. Statt der Anordnung von Magnet 2 längs des
Magneten 1 ist er nun in die in Durchsicht dargestellte Position
gedreht und als Magnet 2' bezeichnet. Es
wäre auch
möglich,
jeweils nur einen Bereich zu magnetisieren, d. h. die Welle, an
der lediglich Magnet 1 angeordnet ist, zu drehen, anschließend Magnet
1 zu entfernen und die Welle mit angeordnetem Magnet 2 zu drehen.
Bei allen Maßnahmen,
bei denen Permanentmagnete verwendet werden, müssen die Magnete von ihren
Positionen nahe der Welle wegbewegt werden (alternativ kann ein "Magnetanker" zwischen die Pole
jedes Magneten eingeschoben werden), bevor die Drehung der Welle endet. Vorteilhafterweise
können
zur Polarisation Elektromagnete verwendet werden, da ihre "Stärke" einstellbar ist
und sie ohne physische Bewegung der Magnete oder Magnetanker effektiv "abgeschaltet" werden können.
-
Ein
Beispiel für
die Abhängigkeit
der Drehmomentaufnehmerleistung (wie durch die Empfindlichkeit gemessen,
d. h. durch das drehmomentbezogene Feld) von der "Stärke" der Polarisationsmagnete
(wie durch die magnetomotorische Kraft (MMK) und die Magnetkreisreluktanz
gemessen) ist in 4 angegeben. In dieser Figur
ist sofort das vollständige Fehlen
eines drehmomentabhängigen
Felds bei Magnetisierungsströmen
unterhalb von 1,5 A zu erkennen. Dies beweist die Notwendigkeit,
dass das effektive Feld eine gewisse kritische Stärke erreicht,
bevor das Wellenmaterial eine signifikante Umfangsremanenz entwickelt.
Diese kritische Stärke
hängt mit
der Koerzitivkraft des Wellenmaterials zusammen, da die Stärke der
Umkehrfeldlappen sich der Koerzitivfeldstärke des Wellenmaterials nähern muss,
in diesem Fall 44 Oe, um eine signifikante Remanenz zu entwickeln.
Mit anderen Worten muss das Feld intensiv genug werden, damit sich
die Domänenwände in hohem
Maße "lösen". Wenn der Magnetisierungsstrom über den
Schwellenwert hinaus erhöht
wird (in diesem Beispiel über
1,5 A), ist zu sehen, dass die Stärke kontinuierlich zunimmt.
Während
der Anstieg der Empfindlichkeit mit zunehmendem Strom zunächst rasch
erfolgt, schwächt
er sich bald ab, wobei er Anzeichen erkennen lässt, dass ein Maximalwert schließlich erreicht
wird. Die Betrachtung von zwei Datenpunkten bei 12 und 15 A mit
einem Abstand von Null zwischen den Magneten und der Welle zeigt, dass
die erwartete Sättigung
der mit einem Spalt von 0,25 mm erreichbaren Empfindlichkeit mehr
ein Artefakt des Geräts
ist als die tatsächliche
Sättigung
der Wellenremanenz. Diese beiden Datenpunkt veranschaulichen sowohl
die Schwierigkeit, einen gesättigten
Wert der Empfindlichkeit zu erreichen, als auch die Wichtigkeit,
die Reluktanz im Magnetkreis zu minimieren. Die hier abgebildete Übertragungsfunktion ist
das kombinierte Ergebnis der folgenden in Wechselwirkung stehenden
Eigenschaften und Phänomene:
- 1. der Anstieg des Koerzitivfeldes mit der
Spitzenmagnetisierung;
- 2. die Koerzitivkraft des Wellenmaterials;
- 3. das Eindringen radial nach innen der kritischen Feldamplitude
mit MMK;
- 4. die abnehmende Scherspannung mit dem Abstand von der Oberfläche;
- 5. die abnehmende axiale Magnetisierung mit dem Abstand von
der Oberfläche;
- 6. das abnehmende drehmomentbezoge Feld aus diesen Innenbereichen;
- 7. der zunehmende Abstand des Feldsensors von noch weiter innen
liegenden Feldquellen;
- 8. die Verringerung der Breite des Übergangsbereichs mit zunehmender
Stärke
des Polarisationsfelds;
- 9. die Nicht-Linearität
(Sättigung)
des Polarisationsfelds mit zunehmendem Strom.
-
Sobald
ein aktiver Bereich durch lokale Umfangspolarisation(en) erzeugt
wurde, kann die Welle korrekterweise als Drehmomentaufnehmer beschrieben
werden. Der aktive Bereich besteht vorzugsweise aus zwei Polarisationen.
Obwohl in üblichen
Ausführungsformen
das Kippen der remanenten Magnetisierung, die sich beim Aufbringen
von Drehmoment ergibt, von einer nahegelegenen Vorrichtung erfasst wird,
die auf die Stärke
einer Komponente des Magnetfelds anspricht, das sich aus einem derartigen Kippen
der Magnetisierung ergibt, können
Veränderungen
der axialen Komponente der remanenten Magnetisierung, die einem
derartigen Kippen zugeordnet ist, auch durch die Spannung (EMK)
erfasst werden, die in einer Spule induziert wird, welche die Welle
umgibt und über
einem in Umfangsrichtung polarisierten Bereich zentriert ist. Die
axiale Komponente der Magnetisierung (proportional zum Drehmoment) kann
wieder hergestellt werden, indem die induzierte MMK über die
Zeit integriert wird. Im derzeitigen Stand der Elektroniktechnologie
gibt es keine vollständig
driftlosen Integrationsmittel, obwohl ein geringes Driften über eine
kurze Dauer – im
Bereich von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten – erreichbar
ist. Nichtsdestotrotz ist dies bei Anwendungen, bei denen das betrachtete
Drehmoment lediglich für kurze
Dauern besteht, beispielsweise bei Puls- und Impulswerkzeugen, eine
durchführbare
Erfassungsanordnung, insbesondere bei Bauformen mit nur einer einzigen
Polarisation im aktiven Bereich.
-
5 veranschaulicht
die Weise, wie die relative Stärke
des radialen Felds (die sich beim Aufbringen von Drehmoment ergibt)
mit der axialen Position entlang dem aktiven Bereich einer polarisierten Welle
mit einer Polarisation an der in 4 gezeigten höchsterreichbaren
Empfindlichkeit variiert. Die allgemeine Form dieser Feldverteilung
entspricht dem annähernd
vierpolaren Feld, das bei zwei angrenzenden Bereichen mit entgegengesetzt
gerichteten axialen Magnetisierungen erwartet wird. Dies ist beispielsweise
die Gestalt der Feldverteilung, die im Raum um zwei koaxiale Stabmagnete
zu sehen ist, welche so angeordnet sind, dass die gleichen Pole aneinander
angrenzen. Die genaue Betrachtung dieser Figur zeigt Merkmale, die
sowohl die physische Anordnung des Polarisationsgeräts als auch
die magnetischen Eigenschaften des Wellenmaterials wiedergibt. Es
ist beispielsweise zu beobachten, dass die mittlere Spitze in Wirklichkeit
aus zwei Spitzen mit einem kleinen Tal dazwischen besteht. Dies
ist die Art Feldverteilung, die bei zwei Stabmagneten zu erwarten
ist, wenn ihre gleichwertigen Pole geringfügig beabstandet sind. Es ist
somit ein klarer Hinweis darauf, dass ein Übergangsbereich mit einer signifikanten Breite
vorliegt. Die Ungleichheit der Höhe
der beiden Spitzen stellt vermutlich geringe Unterschiede zwischen
den beiden Polarisationsmagneten dar. Wie in 4 zu sehen
war, können
geringfügige Änderungen
des Abstands zwischen den Magnetpolstücken und der Welle die Empfindlichkeit
signifikant beeinflussen. Eine geringe Nicht-Parallelität zwischen
den Magnetoberflächen
und der Welle würde
die beiden zur Erreichung dieser Daten verwendeten Magnete daran
hindern, im genau gleichen Abstand von der Welle zu liegen oder
dass jeweils ihre vollständige Breite
tatsächlich
gegen die Welle reibt. Da die Breite des Raums zwischen den zur
Erreichung dieser Daten verwendeten Magnete 2,5 mm betrug, etwa
genau so viel wie der axiale Abstand zwischen den Spitzen, ist die
relative Breite des Übergangsbereichs und
der Magnetabstand, die in 3 angegeben sind
(bei welcher der Übergangsbereich
kleiner ist als der Magnetabstand) eindeutig kein allgemeines Ergebnis.
Aus dem, was bereits angeführt
wurde, sollte klar sein, dass der Übergangsbereich breiter sein kann
als dieser Zwischenraum. Wenn auf der anderen Seite bemerkt wird,
dass der Abstand zwischen den kleineren Spitzen (mit umgekehrten
Polaritäten) bei
etwas weniger als ±15
mm über
die gesamte Magnetabmessung von 27,5 mm hervorsteht, sollte zu erkennen
sein, dass bei weit voneinander beabstandeten Magneten (bei denen der
polarisierte Bereich an beiden Enden über die Magnetbreite hervorsteht) der Übergangsbereich
tatsächlich
kleiner sein kann als der Magnetabstand. Mit diesem Verständnis des Polarisationsverfahrens
ist der Beitrag unter der obigen Ziffer 8 zur beobachteten langsamen
Annäherung
an einen gesättigten
Wert der Empfindlichkeit nun zu erkennen. Ein Feldsensor, der in
der geometrischen Mitte des Raums zwischen den Magneten angeordnet
ist, gibt eine Zunahme der Empfindlichkeit an, wenn die Tiefe des
Tals zwischen den Spitzen abnimmt.
-
Die
beiden Spitzen und die nicht perfekte Symmetrie der in 5 gezeigten
Kurve stellen lediglich ein Experimentergebnis dar. Bei einigen
Anwendungen kann es wünschenswert
sein, eine einzige deutliche mittlere Spitze zu haben, während bei anderen
Anwendungen eine breite, relativ flache mittlere Spitze wünschenswerter
wäre (beispielsweise
zur Reduzierung der Änderung
der Empfindlichkeit auf ein axiales "Spiel" in der Welle). Im Allgemeinen, und
auch zur Vereinfachung der Erläuterungen der
Vorrichtung, ist eine symmetrische Kurve mit einer einzigen mittleren
Spitze bevorzugt. Andererseits kann es spezifische Anwendungen geben,
bei denen zwei, mehrere oder viele einzelne polarisierte Bereiche
vorteilhaft entlang einer Welle verteilt sein können. In Wirklichkeit würde eine
derartige Welle mehr als einen aktiven Bereich aufweisen, die zu
unterschiedlichen spezifischen Zwecken entweder gleich oder entgegengesetzt
gerichtete Umfangspolarisationen haben. Das Unterscheidungsmerkmal
derartiger Anordnungen mit multiplen Bereichen ist, dass die von
jedem solchen Bereich herrührenden
Felder im nahen Raum voneinander unabhängig sind. Ein wie in 5 gezeigtes
Schaubild würde
dann symmetrische positive und negative Spitzen (von gleicher Amplitude)
an oder nahe den Enden jedes polarisierten Bereichs haben. Es sollte
klar sein, dass es bei Aufnehmern mit mehr als einem polarisierten
Bereich die Breite des Übergangsbereichs
ist, die den Unterschied bei der Bezeichnung der aktiven Bereiche
als einzelne multiple oder als multiple einzelne polarisierte Bereiche
bildet.
-
Ein
damit zusammenhängendes
Problem, das kurz angesprochen werden muss, ist der Einfluss der
axialen Erstreckung des aktiven Bereichs auf die Leistung des Drehmomentaufnehmers.
Die Abmessungen des aktiven Bereichs erfordern die Berücksichtigung
von zwei Faktoren. Erstens ist es natürlich die Frage, wie viel Platz
an der Welle verfügbar
ist, um die Drehmomenterfassungsfunktion zu implementieren. Wenn
bei einer speziellen Anwendung dieser Raum stark begrenzt ist, entweder
aufgrund der Nähe
von nicht zugehörigem
magnetisierbarem Material, z. B. Kugellager, Zahnrädern usw.,
ist dies der vorrangige Faktor. Wenn so viel Raum wie erwünscht verfügbar ist,
werden die Abmessungen des aktiven Bereichs im Allgemeinen so gewählt, dass eine
gewisse erwünschte
Empfindlichkeit (d. h. ein drehmomentbezogenes Signalfeld) erhalten
wird. Das Ziel besteht dabei nicht einfach darin, die Feldstärke am Spitzenwert
des aufgebrachten Drehmoments zu maximieren, sondern vielmehr eine
Feldstärke
zu erreichen, die mit der bevorzugten Art und Ausrichtung des Magnetfeldsensors
bzw. der Magnetfeldsensoren (oder Sensor(en) mit axialer Magnetisierungskomponente) übereinstimmt.
Ein zu hohes Signalfeld kann nicht nur einige Arten von Feldsensoren
zur Sättigung
bringen, sondern kann auch nahegelegenes ferromagnetisches Material
in Maschinenteile magnetisieren, welche für Funktionen dienen, die nicht
mit der Drehmomenterfassung zusammenhängen. Da die Signalfeldstärke das
Produkt aus einem Demagnetisierungsfaktor (das mit der Länge des
aktiven Bereichs zunimmt) und der axialen Magnetisierungskomponente
(die mit der Länge
des aktiven Bereichs abnimmt) ist, ist die Länge des aktiven Bereichs keine
empfindliche Determinante für
die Feldstärke.
Wenn somit eine ganze Gruppe von Drehmomentaufnehmern mit stark
variierenden Drehmomentbereichen (d. h. mit unterschiedlichen Wellendurchmessern)
aufzubauen ist, kann es wohl vorteilhaft sein, einen aktiven Bereich
mit den gleichen Abmessungen für
alle zu verwenden, damit bei allen die gleiche Feldsensorausgestaltung
angewendet werden kann. Was den Wellendurchmesser anbelangt, kann
ein nützlicher
Abmessungsbereich zwischen einigen integralen Vielfachen, beispielsweise das
Vierfache (4-fache) des Durchmessers für kleine Wellen im Durchmesserbereich
von 3 mm, bis zum Einfachen (1-fachen) des Durchmessers für Wellen im
Durchmesserbereich von 20 mm, und zum 0,3-fachen des Durchmessers für Wellen
im Durchmesserbereich von 100 mm liegen. Es ist vermutlich eine nützliche
Einschätzung
zu betrachten, dass die Länge
des aktiven Bereichs bei Wellen mit einem Durchmesser zwischen 1
und 1000 mm zwischen 5 und 100 mm beträgt. Die axiale Erstreckung
des aktiven Bereichs wird gewöhnlich
durch praktische Überlegungen
bestimmt, beispielsweise, dass der Bereich lang genug sein muss,
um ein praktisch nützliches Feld
zu erzeugen, und in einer geeigneten Weise bemessen sein muss, um
von im Handel erhältlichen, praktisch
nützlichen
Magnetvektorsensoren erfasst zu werden. Wenn die effektiven Enden
derartiger Bereiche absichtlich dazu gebracht werden, zu verschwimmen,
sind die "Abmessungen" des aktiven Bereichs
noch weniger von Bedeutung. Die Zweckmäßigkeit der Ausgestaltung ist
der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Abmessungen und axialen Position(en)
des/der aktiven Bereichs/Bereiche. Im Allgemeinen wird die Anordnung
der aktiven Bereiche an Stellen der Welle bevorzugt, die einen ausreichenden
Abstand von ihren Enden haben, damit sie von Magentisierungen, die
sich aus umgebenden, begleitenden oder unbeabsichtigten Magnetfeldquellen
ergeben, nicht beeinträchtigt
werden.
-
Wie
bereits angeführt,
muss die Welle eine geeignete Kombination aus mechanischen, magnetischen
und magnetoelastischen Eigenschaften haben, um als brauchbaren kragenlosen
Drehmomentaufnehmer zu dienen. Geeignete Kombinationen von Eigenschaften
sind bei vielen üblicherweise
erhältlichen
Stählen
zu finden. Viele "Permanentmagnet"-Legierungen, die
auch geeignete Kombinationen von Stärke und Verformungsvermögen haben, sind
auch geeignet, obwohl ihre Nutzung bei speziellen Anwendungen dadurch
eingeschränkt
ist, dass sie im Handel nur beschränkt erhältlich und relativ teuer sind.
Das Erhalten der erforderlichen Kombination aus mechanischen und
magnetischen Eigenschaften ist sowohl eine Funktion des metallurgischen
Zustands als auch der chemischen Zusammensetzung. Somit wird das
ausgewählte
Material nahezu sicher einer Form von thermischer (und/oder mechanischer)
Behandlung unterzogen. Diese besteht oft in einer Erwärmung auf
eine geeignete Temperatur und Kühlen
bei einen gesteuerten Geschwindigkeit (z. B. Luft-, Öl- oder
Wasserquenchen), gefolgt von einer erneuten Erwärmung auf eine niedrigere Temperatur
und einem langsameren Abkühlen (Tempern – also "Auslagern" zur Abscheidung
von intermetallischen Verbindungen). Kryogene Verfahren können auch
als geeignet betrachtet werden, um die erhaltenen Eigenschaften
zu optimieren und/oder stabilisieren. In jedem Fall besteht das
Ziel aller derartigen Behandlungen darin, das Material mechanisch
zu stärken
(seine Streckgrenze zu erhöhen) und
es gleichzeitig magnetisch zu "härten" (seine Koerzitivkraft
zu erhöhen).
Es wird im Allgemeinen festgestellt, dass das Material in seinem
Endzustand eine Koerzitivkraft (Hc) vorzugsweise von mehr als 1,2
kA/m (15 Oe), weiter bevorzugt von mehr als 1,6 kA/m (20 Oe) und
vorzugsweise von mehr als 2,8 kA/m (35 Oe) haben sollte, die im
Idealfall größer ist (wenn
in Richtung dieses Felds gerechnet) als die höchste Magnetfeldstärke, die
sich beim Aufbringen des maximalen erwarteten Drehmoments ergibt.
-
Beispiele
für die
Materialkategorien, die für kragenlose
Drehmomentaufnehmer als geeignet ermittelt wurden, sind nachfolgend
gezeigt. Die üblichen
Klassen in jeder Kategorie sind angegeben.
- 1.
Martensitische Edelstähle
(vorzugsweise luftgehärtet)
AISI/SAE-Klassen:
403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C
- 2. Durch Ausscheiden gehärtete
Edelstähle (Chrom
und Nickel)
AISI/SAE-Klassen: 15-5PH, 17-4PH, 17-7PH, PH 13-8Mo
- 3. Legierungsstähle
(vergütet – manchmal
aufgekohlt oder nitriert)
AISI/SAE-Klasen: 4140, 4320, 4330,
4340, 4820, 9310
Übliche
Bezeichnungen: 300M, Aermet 100, 98BV40, 9-4-20, 9-4-30
- 4. Werkzeugstähle
(vorzugsweise vergütete,
metallurgisch "saubere" hochlegierte Stähle)
AISI-Klassen:
Typ A, D, H, L, M, O, T, W und kobaltreiche Schnellarbeitsstähle
- 5. Martensitaushärtungsstähle (viel
Nickel, wenig Kohlenstoff)
Übliche
Bezeichnungen: 18Ni250, C-250, Vascomax T-300, NiMark, Marvac 736
- 6. Duktile Permanentmagnetmaterialien
Übliche Bezeichnungen: Vicalloy,
Remendur, Cunife, Cunico, Vacozet
- 7. Magnetstähle
Übliche Bezeichnungen:
KS-Stahl, MT-Stahl, 3,6% Cr, 15% Co, Wolframstahl
- 8. Spezielle Legierungen und weitere Materialien
Übliche Bezeichnungen:
Permendur, Alfer, Alfenol, Kovar, hartgezogener Nickel, hartgezogener Permalloy
-
Die
gegenwärtig
erreichbare Leistung von kragenlosen Drehmomentaufnehmern erreicht
nicht diejenige, die bei Bauweisen mit einem Ring an der Welle erhalten
werden. Die Hysterese bei der Übertragungsfunktion
ist die primäre
Quelle für
eine mangelhafte Leistung. Nichtsdestotrotz ist die derzeit erreichbare
Leistung bei vielen Anwendungen vollkommen zufriedenstellend. Da
außerdem
ein breites Spektrum an Hysterese beobachtet wurde (verschiedene
Materialien, variierende Wärmebehandlungen), die
sowohl positive als auch negative Werte umfassen, ist klar, dass
die Leistung mit der weiteren Entwicklung verbessert wird. Die Übertragungsfunktion eines
kragenlosen Versuchs-Drehmomentaufnehmers vom gleichen Typ und der
gleichen Größe aus Schnellarbeitsstahlmaterial,
das auch verwendet wurde, um die in den 4 und 5 gezeigten
Daten zu erhalten, ist in 6 gezeigt.
Außer
der offensichtlichen Anwesenheit von Hysterese ist zu sehen, dass
die Übertragungsfunktion
dieses Aufnehmers eine exzellente Linearität hat. Es waren keine signifikanten Änderungen
in der Regressionsgeraden zu bemerken, als die Ladung auf ±50 Nm
erhöht
wurde. Die Übertragungsfunktion
anderer Versuchsaufnehmer (die im Allgemeinen aus Materialien mit
geringeren Koerzitivfeldstärken
bestanden), haben sowohl höhere
Hysteresewerte als auch Sättigungsanzeichen
(abnehmende Neigung an den höchsten
Drehmomentniveaus) gezeigt.
-
Es
ist in der gesamten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlich
gemacht worden, dass es wünschenswert
ist, das Vorhandensein von permeablem, magnetisierbarem Material
nahe dem aktiven Bereich des Aufnehmers vollständig zu vermeiden oder zumindest
zu minimieren. Bei den Sensoren mit einem Ring an der Welle des
US-Patents 5,351,555 wird
dies üblicherweise
dadurch erreicht, dass Wellen aus Material mit geringer Permeabilität verwendet
werden oder durch eine räumlich
Trennung, z. B. mittels einer dazwischenliegenden Hülse mit
geringer Permeabilität,
zwischen dem "Ring" und einer Welle,
die eine höhere
Permeabilität
aufweist als erwünscht.
Bei kragenlosen Ausgestaltungen wird die erwünschte niedrige Permeabilität von nahegelegenem
Material durch die Verwendung von Wellenmaterialien erreicht, die
relativ hohe Koerzitivfeldstärken
haben, manchmal in Kombination mit einer geometrischen Trennung
des aktiven Bereichs von den angrenzenden Wellenabschnitten. Das
wesentliche Merkmal von erfolgreichen kragenlosen Bauweisen besteht
darin, dass der Betrag des Felds, das von dem Drehmoment erzeugt
wird, zu klein ist, um zu signifikanten irreversiblen Magnetisierungsänderungen
in Wellenabschnitten nahe dem aktiven Bereich zu führen.
-
Ein
weiteres praktisches Erfordernis von kreisförmig magnetisierten Drehmomentaufnehmern liegt
darin, dass ein oder mehrere aktive Bereiche jeweils eine erkennbare
Position an der Welle haben und effektive axiale Ausdehnungen, die
kürzer
sind als die Länge
zwischen den Enden der Welle. Bei den Sensoren mit einem Ring an
der Welle des
US-Patents 5,351,555 begrenzen
die physischen Abmessungen des Rings die axiale Ausdehnung des aktiven
Bereichs, und da der/die aktive(n) Bereich(e) offensichtlich darauf
beschränkt
ist/sind, innerhalb der Ringabmessungen zu liegen, wird seine/ihre
Position an der Welle automatisch durch die Position des Rings bestimmt.
Bei kragenlosen Ausgestaltungen werden sowohl die axiale Ausdehnung
als auch die axiale Position des/der aktiven Bereichs bzw. Bereiche
als Einzelheiten der herbeigeführten
remanenten Umfangsmagnetisierungen mit oder ohne mitwirkende geometrische
Merkmale bestimmt.
-
Es
gibt noch eine weitere Bauweise für kragenlose Drehmomentsensoren,
bei der im Wesentlichen die Erzeugung parasitärer Felder im Wellenmaterial
nahe dem aktiven Bereich vermieden wird. Gemäß dieser Bauweise wird das
Vorhandensein von magnetisierbarem Material in der nähe des/der
aktiven Bereichs bzw. Bereiche vermieden, und die Größe(n) und
Position(en) des aktiven Bereichs, die fest sind, werden unter Verwendung
der einzigartigen Eigenschaften bestimmter ausgewählter Wellenmaterialien
bestimmt. Geeignete Materialien können in einer von zwei (oder
mehr) verschiedenen, (über
den erforderlichen Betriebstemperaturbereich des Aufnehmers) stabilen
metallurgischen Phasen bestehen. Eine solche Phase ist ausreichend
ferromagnetisch und magnetostriktiv, um die Anforderungen des aktiven
Bereichs zu erfüllen,
und andere haben eine ausreichend niedrige Permeabilität, um effektiv
nicht magnetisierbar zu sein, wodurch sie die Anforderungen im Wesentlichen
passiver Bereiche erfüllen.
Der Begriff "im
Wesentlichen passiv",
wie er hier verwendet wird, gibt Bereiche an, die, wenn sie Magnetfelder ausgesetzt
werden, nicht ausreichend magnetisiert werden, um parasitäre Magnetfelder
hervorzurufen, die ausreichend stark sind, um die Nützlichkeit
des von den Magnetfeldsensoren erfassten Nettomagnetfelds für Drehmomenterfassungszwecke
zu zerstören.
Wenn diese Phasen durch geeignete Bearbeitung beliebig bestimmt
werden können,
sollte es klar sein, dass sowohl aktive als auch im Wesentlichen
passive Bereiche, die jeweils eine gewünschte Größe und Position haben, derart
gestaltet sein können,
dass sie an derselben Welle nebeneinander bestehen können. Ein
Drehmomentaufnehmer wird dann geschaffen, indem in geeigneten Abschnitten des/der
aktiven Bereichs bzw. Bereiche einfach eine remanente Umfangsmagnetisierung
(d. h. eine Polarisation) in der/den gewünschten Kreisrichtung(en) herbeigeführt wird.
Es ist selbstverständlich
wünschenswert,
dass die Anisotropie, die diese Polarisationen aufrechterhält, die
remanente Magnetisierung darauf beschränkt, innerhalb von 45° der Umfangsrichtung
zu liegen. Eine uniaxiale Anisotropie in diese Richtung, wie sie
bei den Ringen der Sensoren mit einem Ring an der Welle herbeigeführt wird,
ist offensichtlich die wünschenswerteste
Anisotropie. Wünschenswert
ist auch eine magnetokristalline Anisotropie, die mit den atomaren
Anordnungn einer Gitterstruktur mit multiaxialer Symmetrie zusammenhängt, beispielsweise
eine kubische Struktur mit einem kubisch-raumzentrierten Kristallgitter,
die die für
kragenlosen Sensorbauformen ausgewählten Materialien kennzeichnen.
Obwohl der aktive Bereich bevorzugt von im Wesentlichen passiven
Bereichen flankiert ist, ist es wichtig, dass die Koerzitivfeldstärke des
aktiven Bereichs hoch bleibt. Dadurch soll verhindert werden, dass
das aufgrund des aufgebrachten Drehmoments erzeugte Feld zu einem
irreversiblen Verlust des Betrags der Umfangspolarisation im aktiven
Bereich führt.
Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist eine Koerzitivfeldstärke von mehr als 15 wünschenswert,
von mehr als 20 noch wünschenswerter
und von mehr als 35 bevorzugt. Der Grundaufbau einer metallurgisch
bearbeiteten Welle zur Verwendung als Drehmomentaufnehmer ist in
Verbindung mit dem Sensor von 7 gezeigt,
welche eine einstückige Welle
veranschaulicht, die so bearbeitet ist, dass sie einen getrennten
ferromagnetischen, magnetostriktiven Bereich (der magnetisierbare
aktive Bereich) mit einer gewünschten
axialen Abmessung und Position hat. Auch wenn sie physisch einstückig ist
und im Allgemeinen durchgehend aus einer homogenen chemischen Zusammensetzung
besteht, besteht die Welle aus getrennten aktiven und im Wesentlichen passiven
Bereichen, die jeweils für
ihre jeweilige Funktion geeignete magnetische Eigenschaften haben.
-
Viele
feste Materialien können
in mehr als einer Strukturform vorliegen, ein Merkmal, das Polymorphie
genannt wird. Jede eindeutige polymorphe (oder allo trope) Form bildet
eine Phase. Die Umwandlung von einer Phase in eine andere ist ein übliches
Vorkommen bei metallischen Materialien. Man stellt fest, dass Phasenänderungen
bei kennzeichnenden Temperaturen entweder beim Kühlen oder beim Erwärmen in
vielen reinen Metallen und auch bei Legierungen stattfinden. Der
kritische Temperaturbereich, bei dem eine Phasenumwandlung erfolgt, variiert
mit der Metallzusammensetzung und reicht von Temperaturen nahe dem
Schmelzpunkt bis zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Einige Phasenumwandlungen
finden isothermisch über
einen Zeitraum statt, obwohl die genaue endgültige Phase häufiger von
der Geschwindigkeit der Abkühlung
(oder Erwärmung) über einen
kritischen Temperaturbereich abhängt.
Bei einigen Legierungen kann eine Phasenumwandlung, die normalerweise
beim Kühlen
stattfinden würde,
mittels mechanischer Mittel auch dazu gebracht werden, bei Temperaturen stattzufinden,
die weit über
diejenige liegen, die allein zum Kühlen erforderlich ist. Wirksame
Verfahren umfassen die plastische Verformung, Stoßwellen
und manchmal auch ein einfacher hydrostatischer Druck. Umwandlungen,
die während
des Kühlens
gar nicht stattfinden, auch nicht bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt, können
häufig
durch solche mechanische Mittel dazu gebracht werden, bei höheren Temperaturen
stattzufinden. Das Ausmaß der
Umwandlung, die durch derartiges Kaltformen hervorgerufen werden
kann, variiert mit der Zusammensetzung, dem Verformungsgrad und
der Verformungsrate. Thermisch hervorgerufenen Phasenumwandlungen
eines Materials, das kaltgeformt wurde, finden häufig bei Temperaturen statt,
die sich von denjenigen der Umwandlungen bei nicht verformten Materialien
derselben Zusammensetzung unterscheiden. Bei vielen eisenreichen
(Eisen-)Legierungen umfassen die verschiedenen Phasen, die über den
Betriebstemperaturbereich der meisten Maschinen stabil sind (von –50°C bis +150°C), ein vollständiges Spektrum
magnetischer Merkmale. Somit kann eine einzelne Legierung in einer
Phase stabil vorliegen, die in Abhängigkeit vom Verlauf ihrer
thermischen und mechanischen Behandlung ferromagnetisch, paramagnetisch
(oder sogar antiferromagnetisch) ist. Es ist sogar möglich, dass
getrennte, nebeneinander bestehende ferromagnetische Phasen sich
hinsichtlich ihrer jeweiligen magnetischen und magnetoelastischen
Eigenschaften stark unterscheiden. Die unterschiedlichen Phasen
eines beliebigen Materials haben meistens auch unterschiedliche Dichten,
unterschiedliche elektrische Widerstände, unterschiedliche Elastizitätsmodule
und andere physikalische Eigenschaften.
-
Ungeachtet
der speziellen verwendeten Legierung und dessen, ob die Phasenumwandlungen lediglich
durch thermische Verfahren, lediglich durch mechanische Verfahren
oder durch eine Kombination von thermischen und mechanischen Verfahren
hervorgerufen wurden, beinhaltet das allgemeine Verfahren zur Bearbeitung
einer Welle, dass die aktiven und im Wesentlichen passiven Bereiche
den verschiedenen Behandlungsbedingungen ausgesetzt werden, die
erforderlich sind, um die jeweils gewünschte Phase in jedem solchen
Bereich zu erhalten. Somit ist mindestens einer der Behandlungsschritte
auf einen, jedoch nicht auf die anderen dieser Wellenbereiche begrenzt.
-
Das
Einwirken bestimmter Arten der mechanischen Verformung auf einen
lokalen Bereich wird ohne weiteres ausgeführt. Bei einigen Verfahren,
wie etwa Schmieden, Gesenkformen, Rändeln, Oberflächenwalzen
und dergleichen wird die Position des bearbeiteten Bereichs an der
Welle und dessen axiale Ausdehnung ohne weiteres durch die Größe und Position
des zugeordneten Werkzeugs gesteuert. Lokalisierte Stoßwellen
werden auf einfache Weise ausgelöst,
indem der/die gewünschte(n)
Bereich(e) der Welle mit geeigneten Sprengmitteln umwickelt wird.
Sogar ein axiales Spannen oder Zusammendrücken kann mittels geeigneter
Klemmeinrichtungen lokalisiert werden.
-
Das
Einschränken
verschiedener Temperaturabweichungen auf lokale Bereiche erfordert
die wohlüberlegte
Verwendung von fokussierten Energiequellen, Wärmeisolierung und lokaler Berührung mit
erwärmten
oder gekühlten
Oberflächen.
Diese Verfahren können
während
eines oder mehrerer Behandlungsschritte getrennt oder in Kombination
angewendet werden. Die Grundidee ist durch das spezifische Beispiel
veranschaulicht, das in 8 gezeigt ist, welche eine Welle
veranschaulicht, die durch das Durchführen eines elektrischen Stroms
erwärmt
wird. Die Temperatur der Welle im mittleren "Kühl"-Blockabschnitt ist
niedriger gehalten als in den ungekühlten Endabschnitten.
-
Die
Größe, Gestalt
und Komplexität
des in dieser Figur gezeigten "Kühl"-Blocks hängt von der Größe der Welle,
dem erforderlichen Temperaturgradienten zwischen den gekühlten und
den ungekühlten
Abschnitten und von der Dauer ab, über die dieser Gradient gehalten
werden muss. Bei Wellen mit kleinem Durchmesser oder schnellen Zeiten
des thermischen Kreislaufs könnte
ein eng anliegender (vielleicht sogar galvanisierter) Kupferring
ausreichend sein. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer würde die
ohmsche Erwärmung
des umschlossenen Wellenbereichs verringern. Lange Bearbeitungszeiten,
große
Wellen und/oder große
Temperaturgradienten könnten
einen aktiven Kühlkörper, beispielsweise
eine Fremdkühlung
durch einen Rippenblock, oder sogar einen mit Wasser oder Kühlmittel
gekühlten
Block erfordern. Um die erforderliche elektrische Energie zu reduzieren
und auch um eine gleichmäßig und
auf einfache Weise gesteuerte Temperatur beizubehalten, könnten es
auch wünschenswert
sein, die ungekühlten
Wellenbereiche mit Glasfaser, Asbest oder anderen Materialien mit
niedriger Wärmeleitfähigkeit
zu isolieren. Die Verwendung und Positionierung von Isolierstoffen
und Kühlkörpern hängt offensichtlich
davon ab, ob die aktiven oder die passiven Bereiche der Wellen die
Hochtemperaturbehandlung benötigen.
Neben dem in 8 veranschaulichten Verfahren
sind andere Mittel zur selektiven Erwärmung (oder Kühlung) möglich. Induktionserwärmung, Strahlungserwärmung, das
teilweise Eintauchen in erwärmte
oder gekühlte
Flüssigkeiten und
weitere Mittel zur Übertragung
von Energie in lokalisierte Wellenbereiche sind alle möglicherweise anwendbar.
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Da
die Wirksamkeit der plastischen Verformung in induzierten Phasenumwandlungen
temperaturabhängig
ist, ergeben sich lokale Umwandlungsbereiche einfach durch das Halten
unterschiedlicher Abschnitte der Welle bei unterschiedlichen Temperaturen,
während
die gesamte Welle einer mehr oder weniger gleichmäßigen plastischen
Beanspruchung ausgesetzt wird. Bei Materialien, die durch Beanspruchung
induzierte Phasenumwandlungen erfahren, gibt es eine Temperatur
(die im Allgemeinen mit Md bezeichnet wird), über die hinaus keine durch
Beanspruchung induzierte Umwandlung erfolgt. Wenn der Betriebstemperaturbereich
des Drehmomentaufnehmers über
der Temperatur liegt, bei der das beanspruchte Material eine thermisch
induzierte Phasenumwandlung (Ms genannt)
erfahren würde,
sind die beiden durch derartige thermomechanische Behandlung erzeugten
Phasen stabil. Die Auswahl de Bearbeitungsvorgangs oder der Bearbeitungvorgänge aus
den unterschiedlichen thermischen, mechanischen und thermomechanischen
Mitteln zur Einleitung von Phasenumwandlungen hängt eindeutig von den Besonderheiten
jedes Legierungssystems ab.
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Um
als Drehmomentaufnehmer nutzbar zu sein, muss ein zur Auswahl stehendes
Material eine stabile Phase mit geeigneter magnetischer Remanenz,
Magnetostriktion und Koerzitivfeldstärke und eine weitere stabile
Phase haben, die nicht mehr als schwach ferromagnetisch ist und
eine niedrige Magnetostriktion hat (innerhalb des Bereichs der Magnetfelder,
denen sie ausgesetzt sein kann). Glücklicherweise gibt es viele
wohl bekannte Legierungssysteme, die magnetisch getrennte, stabile
Phasen in dem interessierenden Temperaturbereich haben. Es ist beispielsweise
festgestellt worden, dass Martensitaushärtungsstähle mit 18% Ni thermisch zu
verschiedenen metallurgischen Zuständen bearbeitet werden können, die
stark unterschiedliche magnetische und magnetoelastische Eigenschaften
haben. Im Allgemeinen stellt man fest, dass viele hochlegierte,
eisenreiche Materialien thermisch und/oder mechanisch in Zustände bearbeitet
werden können,
die in einer geeigneten Weise getrennte magnetische und magnetoelastische
Eigenschaften haben, um möglicherweise
zur Herstellung von einstückigen Drehmomentaufnehmern
nutzbar zu sein. Einige Beispiele für bekannte nützliche
Legierungssysteme sind die folgenden:
- 1. Austenitischer
Stahl und Variationen davon, die auf große Zugaben von Mn (oder anderer
Elemente oder Kombinationen von Elementen) zu Kohlenstoffstählen beruhen,
um die austenitische Phase γ zu
stabilisieren (die gewöhnlich
bei hohen Temperaturen vorliegt), wodurch sie bei niedrigen Temperaturen
bestehen kann. Austenit ist normalerweise paramagnetisch. Bei kryogenen Temperaturen
sind einige Austenite antiferromagnetisch. Herkömmliche austenitische Stähle bestehen
aus Eisen, das mit 12% Mn und 1,2% C legiert ist. Die Umwandlung
von Austenit zu ferromagnetischem Martensit erfolgt durch Kaltformen bei
Raumtemperatur. Das Oberflächenwalzen oder
andere Verfahren, die eine lokale Verformung hervorrufen, können angewendet
werden, um einen Bereich mit aktiver Oberfläche zu bilden, die (verfahrensabhängige Tiefe)
axial (und intern) an nicht magnetisierbare passive Bereiche angrenzt.
In diesem Zusammenhang ist es interessant anzumerken, dass austenitische
Stähle seit über einem
Jahrhundert für
Eisenbahnschienen verwendet werden, bei denen sich der harte, verschleißbeständige Martensit
durch die Walzwirkung der Zugräder
ergab.
- 2. TRIP-Stähle.
Diese Stähle
werden im Allgemeinen warmgeformt (über der Temperatur Md plastisch
verformt), um eine hohe Dichte an Versetzungen zu erzeugen. Die
austenitische Struktur wird bei Raumtemperatur (und darunter) beibehalten.
Jede weitere plastische Verformung unterhalb der Temperatur Md führt zur
Umwandlung zu Martensit. TRIP-Stähle
sind gewöhnlich
komplexe Legierungen, die häufig
mehr als 30% sich von Eisen unterscheidende Elemente enthalten.
Da diese Elemente (typischerweise Cr, Co, Ni, Mo) normalerweise
zur Magnetostriktion beitragen (und häufig die Kristallanisotropie
verringern), sind diese Legierungen magnetoelastisch aktiv. Da sie
für einen
anspruchsvollen Einsatz entwickelt wurden, wie etwa für landminenbeständige Tankbodenplatten,
sind sie zudem außergewöhnlich stark.
- 3. Übliche
nicht rostende Stähle
der Art 18-8 (18% Cr, 8% Ni) haben im mit einer Lösung getemperten
Zustand eine austenitische Kristallstruktur. In Abhängigkeit
vom genauen Legierungsgehalt wird die Kristallstruktur vieler Stähle in dieser Gruppe
durch kryogene Behandlung, Kaltformen und durch Kombinationen dieser
Verfahren zu ferromagnetischem Martensit umgewandelt. Normalerweise
wandeln sich diejenigen Legierungen, die einen niedrigen Gesamtlegierungsgehalt
haben (beispielsweise AISI 302) einfacher in Martensit als diejenigen
mit höherem
Gesamtlegierungsgehalt (beispielsweise AISI 316). Einige Legierungen
dieser Art sind absichtlich so formuliert, dass sie durch eine Oberflächenbehandlung
einen harten, verschleißbeständigen Martensit
entwickeln. Diese finden bei Baugeräten und landwirtschaftlichen
Werkzeugen Anwendung.
- 4. Durch Ausscheiden gehärtete
Edelstähle,
die ausreichend Chrom und Nickel haben, um austenitische Strukturen
bei Raumtemperatur zu halten, können
durch Auslagerungsbehandlungen zu Martensit umgewandelt werden.
Während
der Auslagerung werden Ausscheidungen gebildet, die die Konzentration
der "austenitisierenden" Elemente verringert.
- 5. Eisen-, Nickel-, Kohlenstofflegierungen haben ähnliche
Eigenschaften wie austenitische Stähle (obwohl Ni teuer ist als
Mn).
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Um
die Herstellung eines kragenlosen Drehmomentsensors mit diesem Verfahren
zu verauschaulichen, wurden Versuchswellen aus einem nahtlosen Rohr
aus nicht rostendem Stahl (AISI-304 mit etwa 18% Chrom und 8% Nickel)
und mit einem Außendurchmesser
von 1/4'' (6,35 mm) hergestellt. Im
so erhaltenen getemperten Zustand waren diese Wellen im Wesentlichen
nicht ferromagnetisch (Permeabilität von nicht mehr als 1,1).
Beim Drehen jeder Welle wurde diese für gemessene Zeitperioden zwischen
zwei Walzen aus gehärtetem Stahl
mit einem bekannten Walzenabstand gedrückt. Bei dieser Behandlung
wurde das Oberflächenmaterial
einer periodischen Rückbiegungsbeanspruchung über seiner Fließgrenze
ausgesetzt. Eine solche plastische Verformung führte zur Umwandlung des Austenits
in ein ferromagnetisches Martensit (Permeabilität im Bereich zwischen 10 und
100). Dies erzeugte den aktiven Bereich des Aufnehmers. Durch eine
axiale Bewegung der Welle in Bezug auf das Walzenpaar kann ein aktiver
Bereich mit einer axialen Ausdehnung erhalten werden, die größer ist
als die Flächenbreite der
Walzen. Anschließend
wurden die Wellen jeweils durch eine Rotation in der Nähe von zwei
entgegengesetzt polarisierten Magneten in Umfangsrichtung magnetisiert,
um einen Aufnehmer mit zwei Bereichen zu schaffen. Der Aufnehmer
wurde getestet, indem das aus dem kaltgeformten Bereich ausgehende
radiale Feld mit Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle gemessen
wurde. Die Testergebnisse geben an, dass die Empfindlichkeit mit
abnehmendem Walzenabstand (je kleiner der Walzenabstand, desto größer der
Betrag des Kaltformens), s. 9, und mit
steigender Walzdauer steigt (je höher die Walzdauer, desto größer der
Betrag des Kaltformens), s. 10. Diese
Ergebnisse überraschen nicht,
da mehr Kaltformen eine vermehrte Bildung von Martensit bedeutet.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Zusätzlich zu
allen üblichen
Anwendungen für
Drehmomentaufnehmer sind kragenlose Ausgestaltungen insbesondere
für eine
Anzahl von Anwendungsgebiete und spezifische Anwendungen geeignet,
bei denen die Flexibilität
und Wirtschatlichkeit, die mit seiner einstückigen Bauweise und/oder den üblichen
chemischen Eigenschaften der aktiven und inaktiven Abschnitte der
Welle zusammenhängen, entweder
erwünscht
oder erforderlich sind. Einige von ihnen sind nachfolgend beschrieben.
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1. Wellen, die korrodierenden Umgebungen
ausgesetzt sind.
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Hochfeste
Stähle,
wie etwa Martensitaushärtungsstähle mit
18% Ni sind Spannungsrisskorrosion ausgesetzt, wenn sie auf Zug
beansprucht und Salzwasser, insbesondere heißem, angesäuertem Salzwasser ausgesetzt
werden. Bei herkömmlichen
Aufnehmern mit einem "Ring
an der Welle" ist
der angebrachte Ring aufgrund seiner Befestigung an der Welle mittels
einer Press passung häufig
einer wesentlichen Zugspannung am Umfang ausgesetzt. Kragenlose
Ausgestaltungen haben keinen Ring, und es gibt somit keine Bereiche
der Welle, die absichtlich auf Zug beansprucht werden. In der Tat
ist es nicht unüblich,
im Hinblick auf eine zunehmenden Zugfestigkeit, die Oberflächen von
Hochleistungswellen einem Kugelstrahlverfahren zu unterziehen, zu
rollen oder auf andere Weise zu behandeln, um die verbleibenden
Druckspannungen herbeizuführen.
Die einzelnen chemischen Eigenschaften sowohl der aktiven als auch
der inaktiven Bereiche vermeiden auch die Möglichkeit von Kontaktkorrosion, die
vorliegt, wenn ungleiche Metalle bei elektrischem Kontakt Elektrolyten
ausgesetzt sind.
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2. Wellen, die extreme Drehmomente übertragen.
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Das
Grenzdrehmoment bei Bauweisen mit einem Ring an der Welle wird häufig durch
den Beginn eines Grenzflächengleitens
zwischen dem Ring und der darunter liegenden Welle bestimmt. Die
Verwendung von einstückigen,
hochfesten Stahlwellen vermeidet die Möglichkeit eines derartigen
Gleitens.
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3. Wellen, die bei hoher oder niedriger
Temperatur oder bei den Extremwerten der Temperaturschwankung arbeiten.
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Die
Verwendung von einstückigen
Wellen vermeidet die Bedenken hinsichtlich der Entspannung des Kontaktdrucks
(und der zugeordneten Umfangsspannung) bei sehr niedrigen Temperaturen aufgrund
von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen (und Zusammenziehungen)
zwischen dem Ring und der darunter liegenden Welle. Dabei werden
ebenso Bedenken hinsichtlich der Entspannung des Kontaktdrucks bei
sehr hohen Temperaturen aufgrund eines Kriechens vermieden (unelastische
Beanspruchung, die mit der Verringerung der Fließgrenzen sowohl der Welle als
auch des Rings und mit der Erhöhung
von Störung
aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zusammenhängen).
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4. Wellen, die wiederholtem Entfernen
und erneutem Einsetzen ausgesetzt sind (verfügbare Wellen)
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Torsion
ist häufig
die vorrangige Beanspruchungsart, die auf Schneidwerkzeuge, wie
etwa Bohrmaschinen, Gewindebohrer, Reibahle, Schaftfräser, Bohrstangen
usw. ausgeübt
werden. Werkzeuge dieser Art werden auf eine von zwei Arten verwendet:
rotierendes Werkzeug oder rotierendes Werkstück. In jedem Fall stellt das
durch derartige Werkzeuge übertragene
Drehmoment einen Hinweis auf ihren Zustand (Schärfe, Unversehrtheit usw.) und auf
die relativen Eigenschaften des Werkstücks und die Betriebsbedingungen
an (Härte,
Vorhandensein, Vorhandensein und Wirksamkeit von Kühlmitteln, Schmiermitteln,
Vorhandensein von die Rillen verstopfenden Spänen usw.). Viele Schneidwerkzeuge werden
aus Schnellarbeitsstählen
hergestellt, einem sehr zufriedenstellenden Material für kragenlose Drehmomentaufnehmerwellen.
Es ist lediglich erforderlich, dass ein aktiver Bereich in irgendeinem
verfügbaren
(freiliegenden) Schaftabschnitt (zwischen dem Bohrfutter oder einem
anderen Antriebs- oder Haltemittel und dem Schneidbereich) gebildet
wird und dass ein geeignetes Magnetfelderfassungsmittel in einer
geeigneten Weise angebracht ist. Es kann ein System in Betracht
gezogen werden, bei dem individuelle Werkzeuge in einer beliebigen
Ad-hoc-Befestigungsvorrichtung polarisiert werden, bevor sie in der
Maschine eingebaut werden. Die Polarisation kann entweder unmittelbar
vor einem derartigen Einbau oder zu einer anderen geeigneten Zeit
während der
Herstellung, dem Schleifen oder dem erneuten Schleifen stattfinden.
Bei Anwendungen, in denen das Werkzeug rotiert, ist es auch möglich, polarisierende
Magnete in der Felderfassungsbaugruppe vorzusehen, wodurch die Verwendung
von Werkzeugen ohne vorherige magnetische Vorbehandlung ermöglicht wird.
Da während
der Verwendung dieser Werkzeuge Späne erzeugt werden, müssen einige
Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, dass sie in die
Erfassungsbaugruppe eindringen. Bauweisen mit einem Ring an der
Welle sind mit den meisten Anwendungen dieser Art kaum kompatibel,
sie eignen sich mehr für
Aufnehmer, die an der Spindel (oder einem anderen Abschnitt) der
Werkzeugmaschine angebracht sind. Der Vorteil, dass der Drehmomentaufnehmer
direkt am Schneidwerkzeug funktioniert, besteht darin, dass er vielmehr
automatisch für
den Drehmomentbereich bemessen ist, der von dem eigentlichen Werkzeug
angewendet wird, statt auf das größte Werkzeug bemessen zu sein,
das an der Maschine verwendet werden kann.
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5. "Reihen"-Wellen, bei denen
das Drehmoment mit der axialen Position variabel ist.
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Es
ist manchmal wünschenswert,
das Drehmoment messen zu können,
das entlang mehrerer Abschnitte einer Welle übertragen wurde. Es gibt solche Anwendungen,
bei denen eine Welle zum Antreiben einer Vielzahl von Belastungen
verwendet wird oder die Torsionsbelastung kontinuierlich entlang
der Wellenlänge
verteilt ist. Beispiele für
erstere sind bei Verpackungs- und Textilmaschinen zu finden, bei
denen das Antriebsdrehmoment, das auf eine Welle an einer Stelle
aufgebracht wird, eine Anzahl von Zahnrädern, Riemenscheiben, Kettenräder usw.
an einer Anzahl von räumlich
getrennten Stellen antreibt. Maschinen zur Herstellung und Beförderung
von Gewebe und Papier verwenden Walzen (d. h. Wellen) mit kontinuierlichen
Verteilungen der Drehmomentbeaufschlagung (über ihre Länge). Dadurch dass ermöglicht wird,
aktive Bereiche ohne weiteres an vielen verschiedenen Stellen an
einer einzigen Welle anzuordnen, stellt die kragenlose Ausgestaltung
ein fertiges Mittel bereit, um die Verteilung des Drehmoments entlang
solcher Wellen zu überwachen,
auszugleichen oder auf sonstige Weise zu steuern. Das Anbringen
einer Vielzahl von Ringen an einer einzigen Welle ist zumindest
ein schwieriges Vorhaben, insbesondere wenn sie alle die gleiche
Größe haben sollen.
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6. Sehr kleine oder sehr große Wellen.
Wellen mit großen
Enden. Umgerüstete
Maschinen.
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Sehr
kleine Ringe zur Verwendung bei sehr kleinen Wellen (beispielsweise
mit einem Durchmesser von 1 mm) sind unter Verwendung von Presspassungen
sehr schwierig zu handhaben und anzubringen. Der Betrieb von kleinen
Wellen bei extremen Geschwindigkeiten erfordert auch ein präzises Ausgleichen.
Sehr große
Wellen (entweder hinsichtlich des Durchmessers oder der Länge) erfordern
große Maschinen
zur Handhabung und die Möglichkeit, große (und
teure) Werkzeuge zu verwenden, wenn der Ring axial mit großem Abstand
von den Wellenenden anzubringen ist. Flansche, Lagerzapfen oder andere
vergrößerte Abschnitte,
die zwischen der gewünschten
Aufnehmerposition und den Wellenenden vorhanden sein können, machen
es schwer oder unmöglich,
Bauformen mit einem Ring an der Welle zu verwenden. Ortsfeste Maschinen,
bei denen das Anbringen von Ringen (oder auch möglicherweise von trennenden,
paramagnetischen Hülsen)
zu kompliziert, teuer und/oder zeitaufwendig ist, kann eine Vorkehrung
eine Umrüstung
mit einer Drehmomenterfassungsfunktion sein, indem einfach Feldsensoren an
geeigneten Stellen angebracht und die gewünschten Bereiche mit Magneten
polarisiert werden, die vorübergehend
oder permanent an der erforderlichen Stelle gehalten werden, wenn
die Welle auf normale Weise rotiert. Schiffschraubenwellen, Walzwerkwellen,
Wellen an großen
Motoren, Generatoren, Pumpen und Getrieben sind Bespiele dafür.