EP3298369A1 - Anordnung und verwendung eines werkstückes aus einem stahl zur messung einer kraft oder eines momentes - Google Patents

Anordnung und verwendung eines werkstückes aus einem stahl zur messung einer kraft oder eines momentes

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Publication number
EP3298369A1
EP3298369A1 EP16735813.4A EP16735813A EP3298369A1 EP 3298369 A1 EP3298369 A1 EP 3298369A1 EP 16735813 A EP16735813 A EP 16735813A EP 3298369 A1 EP3298369 A1 EP 3298369A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
machine element
workpiece
steel
arrangement according
Prior art date
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Ceased
Application number
EP16735813.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
Jan Matysik
Markus Neubauer
Christian Schmitt
Thomas Dirnberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP3298369A1 publication Critical patent/EP3298369A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/80—Constructional details
    • H10N35/85—Magnetostrictive active materials

Definitions

  • the present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or a moment using the inverse magnetostrictive effect.
  • the invention further relates to a use of a workpiece made of a steel as a primary sensor for a measurement of a force and / or torque based on the inverse-magnetostrictive effect.
  • DE 689 18 978 T2 shows a magnetostrictive torque converter with a shaft part made of a steel, in addition to carbon, silicon, manganese, aluminum, nickel and chromium also u. a. May contain lead or copper.
  • EP 0 525 551 B1 teaches a circular magnetized torque sensor and a transmitter ring suitable for this purpose. There are different materials, such. B. alloys of iron and nickel or aluminum specified for the Kochtragerring.
  • a cuffless torque sensor with a rotatable element made of a steel is known.
  • the steel may be formed, for example, by 12% manganese and 1.2% carbon steel or by TRIP steel. It is further described to form a plurality of phases in the rotatable element, for which individual regions can be plastically deformed.
  • the object of the present invention is to enable a measurement of forces and / or moments based on the inverse-magnetostrictive effect on machine elements which can be produced with little effort and which act as sensitive primary sensors.
  • the above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1 and by a use according to the attached independent claim 10.
  • the arrangement according to the invention is used to measure at least one force and / or one moment.
  • the arrangement comprises a machine element, on which acts the at least one force or the at least one moment, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly elastically.
  • the moment is preferably formed by a torsional moment.
  • the machine element consists of a steel and has at least one
  • the machine element is preferably completely magnetostrictive.
  • the arrangement according to the invention furthermore comprises at least one magnetic field sensor for measuring a magnetic field or magnetic field change caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment.
  • the magnetic field sensor forms a secondary sensor for measuring the force and / or the moment.
  • the primary sensor is used to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensor allows the conversion of this magnetic field or a change of this magnetic field into an electrical signal.
  • the magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment occurs due to the inverse magnetostrictive effect.
  • the machine element is formed by a plastically formed workpiece from the steel, whereby it has a plastic shape, through which the machine element is designed to transmit the force and / or the moment.
  • the machine element is thus a workpiece which has been produced by plastically transforming a steel semifinished product so that the workpiece acquires the shape by which it has its original function as a machine element; namely to fulfill the transmission of force and / or torque.
  • this shaping is not realized by a machining process.
  • the outer ßere shape of the machine element is at least partially determined by the plastic shaping.
  • the outer shape of the machine element is preferably completely determined by the plastic shaping.
  • the machine element is formed by a thermally plastically deformed workpiece. Consequently, the deformation of the workpiece by a thermal plastic deformation, d. H. by a plastic deformation with the application of heat, which leads to an increased temperature in the plastic deformation.
  • the machine element is formed by a forged workpiece. Consequently, the forming of the workpiece was carried out by forging, which is a thermal plastic deformation.
  • the forging allows a low-cost shaping of the workpiece, so that the machine element can fulfill its original function as a machine element, namely the transmission of force and / or torque.
  • the plastic deformation gives the machine element several features.
  • the workpiece has a fiber course with flow lines, which can be recognized, for example, after a cut through the machine element and after a microetch of the cut surface. The flow lines are created by the plastic deformation and deflected, ie not straight; For example, due to the force of the forging.
  • the fiber path is not aligned exclusively parallel to an axis of the machine element.
  • a non-plastically formed workpiece would have a fiber profile parallel to an axis of the workpiece
  • the workpiece is formed by a plastically formed continuous casting.
  • the following information relates to the steel from which the fully machined machine element is made.
  • the steel preferably has a carbon content of between 0.2% and 0.6%.
  • the steel particularly preferably has a carbon content of between 0.4% and 0.5%.
  • the steel has an austenite content of preferably at most 6%.
  • the steel has an austenite content of more preferably at most 3%.
  • the steel preferably contains chromium.
  • the steel preferably further contains nickel and / or molybdenum.
  • the steel is preferably 50NiCr13 or 45NiCrMo16.
  • the steel has a surface hardness of preferably at least 500 HV 10. In the case of 50NiCr13, the surface hardness is preferably 600 + 120 HV 10. In the case of 45NiCrMo16, the surface hardness is preferably 580 + 100 HV 10.
  • the steel has a core hardness of preferably at least 500 HV 5.
  • the core hardness is preferably 600 + 100 HV 5.
  • the core hardness is preferably 580 + 100 HV 5.
  • the steel or the workpiece has a coercive field strength of preferably at least 1 000 A / m.
  • the steel or the workpiece has a coercive field strength of particularly preferably at least 1500 A / m. This is preferably the coercive force in the tangential direction.
  • the magnetization is preferably formed by a permanent magnetization. Consequently, at least the magnetostrictive region is permanently magnetized. Alternatively preferably, the magnetization is formed by a temporary magnetization. In this case, the arrangement according to the invention further comprises a magnet for magnetizing the magnetostrictive area.
  • the magnet can be formed in particular by a permanent magnet or by an electromagnet.
  • the permanent or temporary magnetization is preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded by a force or by a moment outside the machine element, so that no technically relevant magnetic field outside the machine element can be measured.
  • the magnetization is preferably annular in one or more tracks, wherein an axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape.
  • the magnetization preferably extends circumferentially about an axis of the machine element. It is thus a magnetization revolving around the axis, wherein the axis itself preferably does not form part of the magnetization.
  • the magnetization preferably has a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis.
  • the magnetization preferably has only a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis.
  • the magnetization preferably extends along a closed path around the axis, the magnetization being allowed to have short gaps. Insofar as the magnetization is formed in a plurality of tracks, these tracks preferably have the same spatial extent and are axially spaced apart.
  • the polarity of the magnetization in the plurality of tracks is preferably alternating.
  • the machine element is preferably formed by a shaft or by a flange.
  • the outer shape of the shaft or of the flange is determined by the plastic shaping.
  • the machine element can also be formed by other types of machine elements.
  • the machine element is hollow; for example in the form of a hollow shaft or a hollow flange.
  • the at least one magnetic field sensor is preferably by a semiconductor sensor, for. B. by a Hall or xMR sensor, or by a coil, for. B. formed by a fluxgate magnetometer.
  • a semiconductor sensor for. B. by a Hall or xMR sensor, or by a coil, for. B. formed by a fluxgate magnetometer.
  • another type of sensor can also be used insofar as it is suitable for measuring the magnetic field.
  • the machine element of the arrangement according to the invention is preferably also characterized by its production.
  • This manufacture comprises a step in which a semifinished product is plastically deformed from a steel in order to obtain the machine element in the form of a plastically formed workpiece.
  • the semifinished product is preferably continuous casting.
  • the semifinished product is preferably heated, particularly preferably above the
  • the plastic forming is preferably carried out by forging.
  • the forging preferably takes place in a direction in which lines and fibers are aligned in a macroplane of the steel.
  • the heat treatment preferably comprises a step in which the workpiece extends at least to the
  • Austenitmaschinestemperatur of the steel is heated, for which a warm-up and a warm-up of the workpiece take place. Subsequently, the temperature reached is preferably maintained over a holding period to ensure austenitization of the steel. Subsequently, the workpiece is cooled, for which it is preferably quenched in a medium. In this case, it is preferable to deep-freeze the workpiece over a cooling holding period, to a complete
  • the cooling of the workpiece preferably takes place below the martensite start temperature MS and particularly preferably below the martensite finish temperature MF, which may be far below 0 ° C. Furthermore, a tempering of the workpiece preferably takes place over a start-up duration.
  • the heat treatment is preferably carried out to such an extent that the austenite content of the workpiece to 6% or less.
  • the heat treatment is particularly preferably such that the austenite content of the workpiece decreases to 3% or less, which is usually below a lower detection limit.
  • the machine element is formed by a thermally plastically deformed workpiece, which has further undergone the above-described heat treatment to reduce the Austenitgehaltes.
  • the machine element has a further increased sensitivity as the primary sensor for the measurement based on the inverse magnetostrictive effect.
  • the machine element is preferably formed by a thermally plastically deformed workpiece whose austenite content is at most 6%; more preferably at most 3%.
  • a plastically formed workpiece made of a steel is used as a machine element for transmitting a force and / or a moment, and as a primary sensor for measuring the force and / or moment based on the inverse-magnetostrictive principle.
  • the workpiece or the machine element preferably also has the features which are described in connection with the arrangement according to the invention.
  • the workpiece or the machine element is preferably manufactured according to the manufacturing steps described in connection with the arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first forging stage of a workpiece for a machine element to be used according to the invention in a cross-sectional view
  • Fig. 2 shows a second forging stage of the workpiece shown in Fig. 1 in a
  • FIG. 1 shows a workpiece for a machine element to be used according to the invention as a blank in a first forging stage in one
  • Continuous casting provided as black steel, which was sheared at a temperature between 1150 ° C and 1180 ° C.
  • the continuous casting example has a pipe diameter of 45 mm and was sheared to a length of 98 mm.
  • Fig. 2 shows the workpiece shown in Fig. 1 in a second forging stage in a cross-sectional view. Compared with the forging stage shown in Fig. 1, the workpiece was plastically deformed by forging.
  • Fig. 3 shows the workpiece shown in Fig. 1 in a third forging stage in a cross-sectional view.
  • the workpiece has been continuously plastically deformed by forging, so that it has essentially been given the shape that characterizes it as a machine element for transmitting a force and / or torque. It can be done a post-processing of the still soft workpiece. Subsequently, a heat treatment is carried out, which includes hardening, freezing and tempering.
  • the manufactured machine element serves, on the one hand, to transmit the force and / or the moment and, on the other hand, as a primary sensor for a measurement of the force or the moment based on the inverse-magnetostrictive effect.
  • the machine element shown is a hollow flange which is permanently magnetized circumferentially for its function as a primary sensor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zur Messung: einer fest und/oder eines Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Die Erfindung betrifft: weiterhin eine Verwendung eines Werkstückes aus einem Stahl, als Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt basierende Messung einer Kraft und/oder eines Momentes. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein Maschinenelement, auf welches die Kraft bzw. das Moment wirkt, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Maschinenelement besteht aus einem Stahl und weist zumindest einen magnetostriktiv ausgebildeten Bereich für eine Magnetisierung auf, wodurch es einen Primärsensor zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundarsensor zur Messung der Kraaft und/oder des Momentes. Erfindungsgemäß ist das Maschinenelement durch ein plastisch umgeformtes Werkstück gebildet, wodurch es eine plastische Formgebung besitzt, durch welche das Maschinenelement zur Übertragung der Kraft und/oder des Momentes ausgebildet ist.

Description

Anordnung und Verwendung eines Werkstückes aus einem Stahl zur Messung einer Kraft oder eines Momentes
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines Werkstückes aus einem Stahl als Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt basierende Messung einer Kraft und/oder eines Momentes. Die DE 689 18 978 T2 zeigt einen magnetostriktiven Drehmomentwandler mit einem Wellenteil aus einem Stahl, der neben Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Aluminium, Nickel und Chrom auch u. a. Blei oder Kupfer enthalten kann.
Die EP 0 525 551 B1 lehrt einen kreisförmig magnetisierten Drehmomentsensor und einen hierfür geeigneten Übertragerring. Es sind verschiedene Werkstoffe, wie z. B. Legierungen von Eisen und Nickel oder Aluminium für den Übertragerring angegeben.
Aus der EP 2 216 702 B1 ist ein manschettenloser Drehmomentsensor mit einem drehbaren Element aus einem Stahl bekannt. Der Stahl kann beispielsweise durch Hartstahl mit 12 % Mangan und 1 ,2 % Kohlenstoff oder durch TRIP-Stahl gebildet sein. Es ist weiterhin beschrieben, mehrere Phasen in dem drehbaren Element auszubilden, wofür einzelne Bereiche plastisch verformt werden können.
In dem wissenschaftlichen Artikel von Mark S. Boley, Doug A. Franklin und David K. Rigsbee:„Heat treatment effects on sensitivity and hysteresis loops of magnetoelastic torque transducers" in Journal of Applied Physics, 87. Jahrgang, Ausgabe 9, 2000, Seiten 7073 bis 7075 und in dem wissenschaftlichen Artikel von Mark S. Boley, David K. Rigsbee und Doug A. Franklin:„The Effects of Heat Treatments on the Magnetic Behavior of Ring-Type Magnetoelastic Torque Sensors" in Sensors for Industry, Proceedings of the First ISA/IEEE Conference 2001 , Seiten 203 bis 206 sind Eigenschaften von magnetostriktiven Primärsensoren vor und nach einer Wärmehandlung beschrieben. Die Wärmehandlung steigert signifikant die Empfindlichkeit des Primär- sensors. Zusätzlich wird der Verlauf der magnetischen Hysteresekurve beeinflusst, sodass sich die Stabilität der umlaufenden Magnetisierung verbessert.
Aus dem wissenschaftlichen Artikel von Marilyn Wun-Fogle, James B. Restorff, James M. Cuseo, Ivan J. Garshelis und Sami Bitar:„Magnetostriktion and Magnetization of Common High Strength Steels" in IEEE Transactions on Magnetics, 45. Jahrgang, Ausgabe 10, 2009, Seiten 41 12 bis 41 15 ist es bekannt, dass ein Wärmebehand- lungsprozess eines magnetostriktiven Primärsensors anzustreben ist, der eine möglichst vollständige Umwandlung des Austenit in Martensit sicherstellt.
Der wissenschaftliche Artikel Mark S. Boley, Doug A. Franklin und Jason T. Orris: „The Effects of Chromium Concentration on Magnetically Polarized Heat-Treated Steel Torque Transducer Shafts" in IEEE Transactions on Magnetics, 40. Jahrgang, Ausgabe 4, Teil 2, 2004, Seiten 2661 bis 2663 zeigt eine Untersuchung des Einflus- ses von Chrom in einem magnetostriktiven Primärsensorwerkstoff auf die Sensorempfindlichkeit. Demnach steigt die Empfindlichkeit mit steigendem Chromgehalt.
Aus einer Produktinformation der Torque and More GmbH:„TAM Passive Sensors ", verfügbar unter http://www.tam-sensors.com/passive-torque-sensing, 2013, ist es be- kannt, dass sich eine mechanische Härte von über 50 HRC eines magnetostriktiven Primärsensors vorteilhaft auf die Hysterese auswirkt. Je höher die Härte, desto geringer kann die Signalhysterese des detektierten Magnetfeldes am mechanisch belasteten Primärsensor sein. Für den Werkstoff 45NiCrMo16 wird eine Härte von 55 HRC empfohlen. Für den Werkstoff 50NiCr13 wird eine Härte von 59 HRC empfohlen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung von Kräften und/oder Momenten an aufwandsarm herzustellenden Maschinenelementen zu ermöglichen, welche dabei als empfindliche Primärsensoren fungieren.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Verwendung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10. Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen mindestens einer Kraft und/oder eines Momentes. Die Anordnung umfasst ein Maschinenelement, auf welches die mindestens eine Kraft bzw. das mindestens eine Moment wirkt, wodurch es zu me- chanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig elastisch verformt. Das Moment ist bevorzugt durch ein Torsionsmoment gebildet.
Das Maschinenelement besteht aus einem Stahl und weist zumindest einen
magnetostriktiv ausgebildeten Bereich für eine Magnetisierung auf, wodurch es einen Primärsensor zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet. Das Maschinenelement ist bevorzugt vollständig magnetostriktiv ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bzw. Magnetfeldänderung. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Messung der Kraft und/oder des Momentes. Der Primärsensor dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes bzw. einer Änderung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht. Das durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkte Magnetfeld tritt aufgrund des in- vers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Erfindungsgemäß ist das Maschinenelement durch ein plastisch umgeformtes Werkstück aus dem Stahl gebildet, wodurch es eine plastische Formgebung besitzt, durch welche das Maschinenelement zur Übertragung der Kraft und/oder des Momentes ausgebildet ist. Bei dem Maschinenelement handelt es sich also um ein Werkstück, welches dadurch hergestellt wurde, dass ein Halbzeug aus Stahl plastisch umgeformt wurde, damit das Werkstück diejenige Formgebung erhält, durch welche es seine originäre Funktion als Maschinenelement; nämlich zur Übertragung der Kraft und/oder des Momentes erfüllen kann. Diese Formgebung ist im Gegensatz zum Stand der Technik beispielsweise nicht durch ein spanabhebendes Verfahren realisiert. Die äu- ßere Form des Maschinenelementes ist zumindest teilweise durch die plastische Formgebung bestimmt. Die äußere Form des Maschinenelementes ist bevorzugt vollständig durch die plastische Formgebung bestimmt. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass das Maschinenelement der Anordnung aufwandsarm dadurch herstellbar ist, dass es seine Form durch eine plastische Umformung erhält. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Stahl wegen der plastischen Umformung verbesserte magnetostriktive Eigenschaften aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Maschinenelement durch ein thermisch plastisch umgeformtes Werkstück gebildet. Folglich erfolgte die Umformung des Werkstückes durch eine thermische plastische Umformung, d. h. durch eine plastische Umformung unter Zuführung von Wärme, die zu einer erhöhten Temperatur bei der plastischen Umformung führt.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Maschinenelement durch ein geschmiedetes Werkstück gebildet. Folglich erfolgte die Umformung des Werkstückes durch ein Schmieden, bei welchem es sich um eine thermische plastische Umformung handelt. Das Schmieden ermöglicht eine aufwandsarme Formgebung des Werkstückes, damit das Maschinenelement seine originäre Funktion als Maschinenelement, nämlich die Übertragung der Kraft und/oder des Momentes erfüllen kann. Die plastische Umformung verleiht dem Maschinenelement mehrere Merkmale. Das Werkstück weist einen Faserverlauf mit Fließlinien auf, die man beispielsweise nach einem Schnitt durch das Maschinenelement und nach einer Mikroätzung der Schnittfläche erkennen kann. Die Fließlinien sind durch die plastische Umformung entstanden und umgelenkt, d. h. nicht gerade; beispielsweise aufgrund der Krafteinwirkung beim Schmieden. Der Faserverlauf ist nicht ausschließlich parallel zu einer Achse des Maschinenelementes ausgerichtet. Hingegen würde ein nicht plastisch umgeformtes Werkstück einen Faserverlauf parallel zu einer Achse des Werkstückes aufweisen Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Werkstück durch einen plastisch umgeformten Strangguss gebildet.
Die nachfolgenden Angaben betreffen den Stahl, aus welchem das vollständig gefer- tigte Maschinenelement besteht.
Der Stahl weist bevorzugt einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,2 % und 0,6 % auf. Der Stahl weist besonders bevorzugt einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,4 % und 0,5 % auf.
Der Stahl weist einen Austenitgehalt von bevorzugt höchstens 6 % auf. Der Stahl weist einen Austenitgehalt von besonders bevorzugt höchstens 3 % auf.
Der Stahl enthält bevorzugt Chrom. Der Stahl enthält bevorzugt weiterhin Nickel und/oder Molybdän.
Bei dem Stahl handelt es sich bevorzugt um 50NiCr13 oder um 45NiCrMo16.
Der Stahl weist eine Oberflächen härte von bevorzugt mindestens 500 HV 10 auf. Im Falle von 50NiCr13 beträgt die Oberflächenhärte bevorzugt 600 + 120 HV 10. Im Falle von 45NiCrMo16 beträgt die Oberflächenhärte bevorzugt 580 + 100 HV 10.
Der Stahl weist eine Kernhärte von bevorzugt mindestens 500 HV 5 auf. Im Falle von 50NiCr13 beträgt die Kernhärte bevorzugt 600 + 100 HV 5. Im Falle von 45NiCrMo16 beträgt die Kernhärte bevorzugt 580 + 100 HV 5.
Der Stahl bzw. das Werkstück weist eine Koerzitivfeldstärke von bevorzugt mindestens 1 .000 A/m auf. Der Stahl bzw. das Werkstück weist eine Koerzitivfeldstärke von besonders bevorzugt mindestens 1.500 A/m auf. Dabei handelt es sich bevorzugt um die Koerzitivfeldstärke in tangentialer Richtung.
Die Magnetisierung ist bevorzugt durch eine Permanentmagnetisierung gebildet. Folglich ist zumindest der magnetostriktive Bereich permanentmagnetisiert. Alternativ bevorzugt ist die Magnetisierung durch eine temporäre Magnetisierung gebildet. In diesem Fall umfasst die erfindungsgemäße Anordnung weiterhin einen Magneten zur Magnetisierung des magnetostriktiven Bereiches. Der Magnet kann insbe- sondere durch einen Permanentmagneten oder durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Die permanente bzw. temporäre Magnetisierung ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Maschinenelementes bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Maschinenelementes messbar ist.
Die Magnetisierung ist bevorzugt ringförmig in einer oder mehreren Spuren ausgebildet, wobei eine Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweili- gen Ringform bildet.
Die Magnetisierung erstreckt sich bevorzugt umfänglich um eine Achse des Maschinenelementes. Es handelt sich somit um eine die Achse umlaufende Magnetisierung, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil der Magnetisierung bildet. Die Mag- netisierung weist bevorzugt eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierung weist bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierung erstreckt sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierung kurze Lücken aufweisen darf. Insofern die Magnetisierung in mehreren Spuren ausgebildet ist, so weisen diese Spuren bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Die Polarität der Magnetisierung in den mehreren Spuren ist bevorzugt alternierend. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle oder durch einen Flansch gebildet. Die äußere Form der Welle bzw. des Flansches ist durch die plastische Formgebung bestimmt. Das Maschinenelement kann aber auch durch andere Maschinen- elementarten gebildet sein. Bei besonderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Maschinenelement hohl; beispielsweise in Form einer Hohlwelle oder eines Hohlflansches.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt durch einen Halbleitersensor, z. B. durch einen Hall- oder xMR-Sensor, oder durch eine Spule, z. B. durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des magnetischen Feldes geeignet ist.
Das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung ist bevorzugt auch durch seine Herstellung gekennzeichnet. Diese Herstellung umfasst einen Schritt, bei welchem ein Halbzeug aus einem Stahl plastisch umgeformt wird, um das Maschinenelement in Form eines plastisch umgeformten Werkstückes zu erhalten. Bei dem Halbzeug handelt es sich bevorzugt um Strangguss. Für die plastische Verformung wird das Halbzeug bevorzugt erwärmt, besonders bevorzugt bis über die
Rekristallisierungstemperatur des Stahles. Das plastische Umformen erfolgt bevorzugt durch Schmieden. Das Schmieden erfolgt bevorzugt in eine Richtung, in welcher Zeilen und Fasern in einer Makroebene des Stahles ausgerichtet sind. Nachdem das Werkstück erwärmt und plastisch umgeformt wurde, wird es bevorzugt gehärtet, wofür es einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Die Wärmebehandlung umfasst bevorzugt einen Schritt, bei welchem das Werkstück bis mindestens auf die
Austenitisierungstemperatur des Stahles erwärmt wird, wofür ein Anwärmen und ein Durchwärmen des Werkstückes erfolgen. Anschließend wird die erreichte Temperatur bevorzugt über eine Haltedauer hinweg aufrechterhalten, um eine Austenitisierung des Stahles zu gewährleisten. Anschließend wird das Werkstück abgekühlt, wofür es bevorzugt in einem Medium abgeschreckt wird. Dabei erfolgt bevorzugt ein Tiefkühlen des Werkstückes über eine Kühlhaltedauer hinweg, um eine vollständige
Gefügeumwandlung zu gewährleisten. Das Abkühlen des Werkstückes erfolgt bevorzugt bis unter die Martensitstarttemperatur MS und besonders bevorzugt bis unter die Martensitfinishtemperatur MF, welche weit unter 0 °C liegen kann. Weiterhin erfolgt bevorzugt ein Anlassen des Werkstückes über eine Anlasshaltedauer hinweg. Die Wärmebehandlung erfolgt bevorzugt dermaßen, dass der Austenitgehalt des Werk- stückes auf 6 % oder weniger sinkt. Die Wärmebehandlung erfolgt besonders bevorzugt dermaßen, dass der Austenitgehalt des Werkstückes auf 3 % oder weniger sinkt, was zumeist eine untere Nachweisgrenze unterschreitet. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Maschinenelement durch ein thermisch plastisch umgeformtes Werkstück gebildet, welches weiterhin die oben beschriebene Wärmebehandlung zur Reduktion des Austenitgehaltes erfahren hat. Das Maschinenelement weist aufgrund dieser beiden thermischen Behandlungen eine nochmals erhöhte Empfindlichkeit als Primär- sensor für die auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung auf. Insoweit ist das Maschinenelement bevorzugt durch ein thermisch plastisch umgeformtes Werkstück gebildet, dessen Austenitgehalt höchstens 6 %; besonders bevorzugt höchstens 3 % beträgt. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird ein plastisch umgeformtes Werkstück aus einem Stahl als Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes sowie als Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Prinzip basierende Messung der Kraft und/oder des Momentes genutzt. Das Werkstück bzw. das Maschinenelement weist bevorzugt auch die Merkmale auf, die im Zusammen- hang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben sind. Das Werkstück bzw. das Maschinenelement wird bevorzugt gemäß den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschriebenen Herstellungsschritten gefertigt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Schmiedestadium eines Werkstückes für ein erfindungsgemäß zu verwendendes Maschinenelement in einer Querschnittsansicht; Fig. 2 ein zweites Schmiedestadium des in Fig. 1 gezeigten Werkstückes in einer
Querschnittsansicht: und ein drittes Schmiedestadium des in Fig. 1 gezeigten Werkstückes in einer Querschnittsansicht.
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Werkstück für ein erfindungsgemäß zu verwendendes Maschinenelement als Rohling in einem ersten Schmiedestadium in einer
Querschnittsansicht. Für dieses erste Schmiedestadium wurde beispielhaft ein
Strangguss als Schwarzstahl bereitgestellt, welcher bei einer Temperatur zwischen 1.150 °C und 1.180 °C abgeschert wurde. Der Strangguss hat beispielhaft einen Rohrdurchmesser von 45 mm und wurde auf eine Länge von 98 mm abgeschert.
Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 gezeigte Werkstück in einem zweiten Schmiedestadium in einer Querschnittsansicht. Gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Schmiedestadium wurde das Werkstück durch Schmieden plastisch umgeformt.
Fig. 3 zeigt das in Fig. 1 gezeigte Werkstück in einem dritten Schmiedestadium in einer Querschnittsansicht. Gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Schmiedestadium wurde das Werkstück fortgesetzt durch Schmieden plastisch umgeformt, sodass es im Wesentlichen die Form erhalten hat, die es als Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes kennzeichnet. Es kann eine Nachbearbeitung des noch weichen Werkstückes erfolgen. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, welche ein Härten, ein Tiefkühlen und ein Anlassen umfasst. Das gefertigte Maschinenelement dient erfindungsgemäß zum einen der Übertragung der Kraft und/oder des Momentes und zum anderen als Primärsensor für eine auf dem invers- magnetostriktiven Effekt basierende Messung der Kraft bzw. des Momentes. Bei dem gezeigten Maschinenelement handelt es sich beispielhaft um einen Hohlflansch, der für seine Funktion als Primärsensor umlaufend permanentmagnetisiert wird.

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes; umfassend:
- ein Maschinenelement aus einem Stahl, welches für eine Belastung durch die Kraft und/oder durch das Moment ausgebildet ist und zumindest einen magnetostriktiv ausgebildeten Bereich für eine Magnetisierung aufweist, wodurch es einen Primärsensor zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet; und
- einen Magnetfeldsensor zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes, welcher einen Sekundärsensor zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet; dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement durch ein plastisch umgeformtes Werkstück gebildet ist, wodurch es eine plastische Formgebung besitzt, durch welche das Maschinenelement zur Übertragung der Kraft und/oder des Momentes ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement durch ein thermisch plastisch umgeformtes Werkstück gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement durch ein geschmiedetes Werkstück gebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück einen Faserverlauf mit Fließlinien aufweist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,2 % und 0,6 % aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Austenitgehalt von höchstens 6 % aufweist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Austenitgehalt von höchstens 3 % aufweist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 1.500 A/m aufweist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Masch inenelement durch eine Hohlwelle oder durch einen Hohlflansch gebildet ist.
10. Verwenden eines plastisch umgeformten Werkstückes aus einem Stahl als Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes und als Primärsensor für eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt basierende Messung der Kraft und/oder des Momentes.
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