WO2015131863A1 - Anordnung zum messen einer kraft oder eines momentes an einem hohlzylinderförmigen maschinenelement - Google Patents

Anordnung zum messen einer kraft oder eines momentes an einem hohlzylinderförmigen maschinenelement Download PDF

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WO2015131863A1
WO2015131863A1 PCT/DE2014/200681 DE2014200681W WO2015131863A1 WO 2015131863 A1 WO2015131863 A1 WO 2015131863A1 DE 2014200681 W DE2014200681 W DE 2014200681W WO 2015131863 A1 WO2015131863 A1 WO 2015131863A1
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machine element
hollow
magnetization
sensor
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Jan Matysik
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • 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
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    • G01L3/104—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 permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for measuring a force and / or torque on a hollow cylindrical machine element using the inverse magnetostrictive effect.
  • transducer element which is intended for use in a torque or force sensor.
  • the transducer element is integral with a shaft of magnetizable material and has magnetization aligned in an axial direction.
  • DE 600 07 641 T2 shows a transducer element which is provided for a torque or force sensor converter.
  • magnetizations are formed in a radially inner region and in a radially outer region.
  • DE 601 05 794 T2 shows a force-sensitive transducer element comprising a body of magnetic material, wherein in the body at least two magnetized regions are formed, which extend at an angle to the power transmission direction and have opposite magnetization polarities.
  • DE 699 36 138 T2 shows a magnetic force sensor in which a magnetized material is exposed to a bending moment, wherein the external magnetic field of the magnetized material can be determined with the aid of a sensor arrangement.
  • WO 201 1/085400 A1 shows a magnetoelastic force sensor with which mechanical loads of an element can be measured. The element has a tangentially circulating magnetization and is loaded with a bending moment. On a middle level there is a magnetic field sensor.
  • WO 01/27638 A1 shows a vibration sensor with a shaft which is circumferentially or longitudinally magnetized. From WO 2006/053244 A2 a torque sensor is known which comprises a magnetization of a rotating shaft. The magnetization is formed circumferentially.
  • US Pat. No. 8,191,431 B2 shows a sensor with a magnetized shaft in which at least two magnetically active regions extend axially.
  • the object of the present invention is to expand the possibilities for measuring forces and moments on hollow-cylindrical machine elements by utilizing the inverse-magnetostrictive effect.
  • the above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1.
  • the arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in an axis.
  • the force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the machine element has a sensor region which forms an integral part of the machine element and is at least partially exposed to the force or the torque to be measured.
  • the force or the moment on the machine element leads to a force in the sensor region of the machine element, which represents a measure of the force to be measured or for the moment to be measured.
  • the sensor region has a hollow-cylindrical basic shape.
  • the axis of the machine element also forms the axis of the hollow cylinder-like basic shape.
  • the machine element already has a hollow-cylindrical basic shape, wherein the sensor region is formed by an axial section of the machine element.
  • the sensor area can also extend over the entire machine element, so that the sensor area and the machine element are identical.
  • the sensor area is magnetized or can be magnetized. Therefore, the sensor area is magnetized by a magnetization in the form of a permanent magnetization or the arrangement further comprises a magnetizing means for the temporary magnetization of the sensor area. In any case, the sensor area is magnetized in an operating state of the arrangement.
  • the sensor area can also be considered as a primary sensor.
  • the arrangement according to the invention furthermore comprises at least one magnetic field sensor, which is arranged in or opposite the machine element. is ordered.
  • the magnetic field sensor is used to determine a magnetic field and is designed to measure at least one vectorial component of a magnetic field emerging from the machine element, which is caused on the one hand by the magnetization of the sensor region and on the other hand by the applied force and / or by the acting moment.
  • the machine element in the cavity of the hollow cylinder-like basic shape has a wall-like longitudinal structure.
  • the wall-like longitudinal structure extends at least partially in the direction of the axis through the cavity of the hollow cylinder-like basic shape; in particular also transversely with respect to a cross section of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure also has the described magnetization as part of the sensor area.
  • the forces and moments acting on the machine element also lead to corresponding stresses in the wall-like longitudinal structure.
  • torsional moments, bending moments and transverse forces which act on the machine element lead to stresses in the wall-like longitudinal structure, which can be measured with the magnetic field sensor.
  • a bending moment acting on the machine element leads to a shearing force acting on the wall-like longitudinal structure, which can be measured with the magnetic field sensor.
  • the per se cylindrical cavity of the hollow cylinder-like basic shape is modified by the wall-like longitudinal structure, for example, in that it is divided by the wall-like longitudinal structure into two cylindrical sector-shaped partial cavities.
  • a particular advantage of the arrangement according to the invention is that by an effort to be realized extension of the shape of the Machine element, the possibilities for measuring forces and moments on the machine element are significantly expanded.
  • the results of the measurements directed at the wall-like longitudinal structure can also be used to improve the results of measurements directed at the hollow cylinder shape.
  • Another advantage is that externally occurring magnetic fields close over the wall-like longitudinal structure until it is magnetically saturated. The effect of such externally occurring magnetic fields is thus limited to a portion of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure preferably forms an integral part of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure is preferably an integral part of the sensor area and is preferably made of the same material.
  • the wall-like longitudinal structure is preferably formed integrally with the remaining sensor area or the rest of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure also consist of a different material than the rest of the machine element; For example, as a built-in the hollow cylindrical basic shape component.
  • the wall-like longitudinal structure may be layered.
  • the machine element preferably forms part of the arrangement.
  • the sensor region is preferably formed by a three-dimensional partial region of the volume of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure is preferably flat; d. H. it has at least one flat surface; for example, as a single flat wall surface or as a flat cuboid.
  • the wall-like longitudinal structure preferably extends in a plane whose normal vector has a radial direction component. Consequently, the wall-like longitudinal structure does not extend exclusively in a radial plane, ie not in a plane perpendicular to the axis.
  • the extension of the wall-like longitudinal structure is characterized by its in the cavity of the hollow cylindrical defined basic surface defined. Insofar as the wall-like longitudinal structure is formed by a flat body, for example by a flat cuboid, the extension can also be defined by a middle plane of the wall-like longitudinal structure.
  • the wall-like longitudinal structure particularly preferably extends in a plane parallel to the axis, so that the in itself cylindrical cavity of the hollow cylinder-like basic shape is uniformly modified by the wall-like longitudinal structure in the axial direction.
  • the wall-like longitudinal structure extends in a plane comprising the axis. Consequently, the in itself cylindrical cavity of the hollow cylinder-like basic shape is divided symmetrically by the wall-like longitudinal structure in cross section.
  • the wall-like longitudinal structure divides the hollow space of the hollow cylindrical basic shape into hollow cylinder sectors.
  • the Hohizylindersektoren each have the shape of a circular sector in cross section.
  • the number of Hohizylindersektoren is preferably one, two, three or four.
  • the hollow cylinder sectors preferably each have a center angle which is 180 ° or an integer fraction of 180 °.
  • the thickness of the wall-like longitudinal structure is neglected, since this thickness is preferably comparatively small compared to the other dimensions of the machine element.
  • the wall-like longitudinal structure in the form of a flat cuboid.
  • the wall-like longitudinal structure thus forms a web, which runs through the cylindrical cavity of the hollow cylinder-like basic shape and preferably divides this cavity into hollow cylinder sectors.
  • only one of the cylindrical sector-shaped cavities is formed.
  • the wall-like longitudinal structure is formed from the wall surface on one side completely up to the inside of the hollow cylinder-like basic shape.
  • the wall-like longitudinal structure preferably has the shape of a cylinder sector with a center angle of 180 °, ie the shape of a half cylinder formed by longitudinal division, wherein the dividing plane represents the wall surface. Accordingly, the cylindrical sector-shaped cavity has a center angle of 180 °.
  • the cylinder sector shape of the wall-like longitudinal structure and the cylinder sector shape of the cavity are given in this embodiment when the wall surface comprises the axis.
  • the wall surface may also be arranged slightly spaced from the axis, so that the wall-like longitudinal structure and the remaining cavity are each formed in the shape of a cylinder segment.
  • the machine element has exactly one of the wall-like longitudinal structures, which has the shape of a flat cuboid and lies in the axis, so that two of the cylindrical sector-shaped cavities are formed, which each have a center angle of 180 °.
  • the machine element has two of the wall-like longitudinal structures, which intersect, so that four of the cylindrical sector-shaped cavities are formed.
  • the two wall-like longitudinal structures thus jointly have a cross-shaped cross section.
  • the two wall-like longitudinal structures preferably each have the shape of a flat cuboid.
  • the two wall-like longitudinal structures each have a line of symmetry in the axial direction, wherein the two wall-like longitudinal structures preferably intersect in their symmetry lines. In this case, the two wall-like longitudinal structures in their intersection line at an angle of 90 ° to each other.
  • the two wall-like longitudinal structures preferably intersect in the axis of the machine element.
  • the machine element may also have three or more of the wall-like longitudinal structures, so that more than four of the cylindrical sector-shaped cavities are formed.
  • the wall-like longitudinal structures preferably each have the shape of a flat cuboid, wherein the wall-like longitudinal structures preferably cross in a single line.
  • the wall-like longitudinal structure is at transitions to the inner shell of the hohizylinderartigen basic shape, which are preferably rounded.
  • the wall-like longitudinal structure has a varying thickness, the dimension of which depends on the distance from the axis.
  • the magnetic field sensor is arranged in the cavity of the hollow cylinder-like basic shape, in particular in one of the cylindrical sector-shaped cavities.
  • the machine element may also be provided for a rotating operation, for which the electrical signal of the magnetic field sensor z. B. is to be transmitted by radio.
  • the magnetic field sensor is arranged stationary and at a distance from the machine element. In this case, the magnetic field sensor is arranged outside the cavity of the hollow cylinder-like basic shape. While the applied force or the acting moment can lead to movements or deformations of the machine element, the magnetic field sensor does not change its stationary position.
  • the magnetic field sensor can be regarded as a secondary sensor and is preferably formed by a magnetic field density sensor or by a magnetic field strength sensor.
  • any type of sensor can be used insofar as it is suitable for measuring the magnetic fields produced by the inverse-magnetostrictive effect.
  • the arrangement comprises a plurality of the magnetic field sensors.
  • the sensor region of the machine element forms an integral part of the machine element and is preferably formed integrally with the rest of the machine element.
  • the sensor region is preferably formed in a magnetoelastic section of the machine element.
  • the machine element preferably consists of a magnetostrictive material.
  • the machine element is designed as such magnetoelastic.
  • the machine element consists of a magnetostrictive material.
  • the sensor region may be formed as a magnetostrictive layer within the wall-like longitudinal structure and within the cavity of the hollow cylinder-like basic shape. This layer can be vapor-deposited, for example.
  • the sensor region of the machine element preferably has the said permanent magnetization, wherein the permanent magnetization is preferably self-contained.
  • the arrangement according to the invention comprises said magnetizing means for magnetizing the sensor area, which may be formed for example by an electromagnet or by a permanent magnet.
  • the magnetizing means allows the introduction of an electric current into the machine element, which leads to the magnetization of the machine element in the sensor area.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means is preferably aligned in one direction with a tangential component within the hollow-cylindrical basic shape.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means is within the wall-like structure preferably aligned in one direction with a radial component.
  • the field lines of magnetization close over the wall-like structure.
  • the field lines of magnetization of a hollow-cylindrical machine element according to the prior art close exclusively over the circumference of the hollow cylindrical shape.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means can have different angles with respect to the tangential direction within the hollow-cylindrical basic shape.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means is aligned in the tangential direction within the hollow-cylinder-like basic shape.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means can have different angles with respect to the radial direction within the wall-like longitudinal structure.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means is preferably aligned within the wall-like longitudinal structure in the radial direction.
  • the permanent magnetization or the magnetization that can be generated by the magnetizing means is preferably formed within the hollow-cylindrical basic shape in axial sections, between which the polarity of the magnetization preferably changes.
  • the indicated radial direction and the indicated tangential direction are basically related to the axis of the machine element.
  • the machine element is particularly preferably formed by a hollow shaft or by a hollow flange.
  • the hollow shaft or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments.
  • the hollow shaft or the hollow flange on one or both axial ends of an annular toothing, so that large torques can be transmitted.
  • the hollow shaft or the hollow flange preferably has a receptacle on one or both axial ends, which makes possible a shearing of the hollow-cylinder-like basic shape.
  • FIG. 1 shows a hollow flange of a preferred embodiment of the inventive arrangement.
  • FIG. 2 shows the hollow flange shown in FIG. 1 in a cross-sectional view
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a hollow flange of a modified one
  • Fig. 4 a magnetization of the hollow flange shown in Figure 1; 5 shows a magnetization of a modified embodiment; and
  • Fig. 6 the magnetization shown in Fig. 4 in a cross-sectional view.
  • Fig. 1 shows a machine element in the form of a hollow flange of a preferred embodiment of the arrangement according to the invention in a lateral view.
  • the hollow flange has the shape of two axially adjacent hollow cylinders with different outer diameters and with the same inner diameters.
  • the hollow flange has an axis 01, which also the Symmet- Ri axis of the hollow flange represents.
  • the hollow flange is exposed to various forces and moments, including normal forces and bending moments, which can be measured by the inventive arrangement.
  • the hollow flange has at its axial ends in each case a circular toothing 02 on its outer circumference, so that large torques can be transmitted via the hollow flange.
  • FIG. 2 shows the machine element shown in FIG. 1 in a cross-sectional view.
  • the cutting plane is perpendicular to the axis 01.
  • a wall-like longitudinal structure 03 can be seen, which is formed in the cavity of the hollow cylinder-shaped flange and divides it into two hollow cylinder sectors 04.
  • the wall-like longitudinal structure 03 has the shape of a flat cuboid whose symmetry line coincides with the axis 01.
  • the wall-like longitudinal structure 03 merges at rounded transitions 06 to the inner lateral surface of the hollow cylindrical shape of the hollow flange. Due to these rounded transitions 06 and the thickness of the wall-like longitudinal structure 03, the shape of the two hollow cylinder sectors 04 slightly deviates from the ideal shape of a cylindrical sector.
  • the center point angles of the hollow cylinder sectors 04 are each 180 °
  • the arrangement further comprises a magnetic field sensor (not shown), which is arranged in one of the hollow cylinder sectors 04 or outside of the hollow flange in the vicinity of the hollow flange.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a hollow flange of a modified embodiment.
  • the hollow flange equal first to the hollow flange shown in Fig. 1 and Fig. 2.
  • the modification consists in that the hollow flange has two of the wall-like longitudinal structures 03.
  • the two wall-like longitudinal structures 03 are of the same design and intersect in the axis 01. Consequently, four of the hollow cylinder sectors 04 are formed, each having a center angle of 90 °.
  • Fig. 4 shows a magnetization 08 of the hollow flange shown in Fig. 1.
  • the magnetization 08 runs tangentially circumferentially in axial sections, between which the polarity of the magnetization changes.
  • FIG. 5 shows a modified magnetization 08 of the hollow flange shown in FIG. 1.
  • the magnetization 08 initially equals the magnetization shown in FIG. 4.
  • One difference is that the magnetization 08 is inclined at an angle ⁇ with respect to the tangential direction.
  • the angle ⁇ can be between
  • the magnetizations 08 shown in FIGS. 4 and 5 can also be realized in the hollow flange shown in FIG. 3.
  • Fig. 6 shows the magnetization shown in Fig. 4 in a cross-sectional view. In this illustration, it can be seen that the magnetization 08 closes over the wall-like longitudinal structure 03.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem hohlzylinderförmigen Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das sich in einer Achse (01) erstreckende Maschinenelement weist einen Sensorbereich mit einer hohlzylinderartigen Grundform auf. Der Sensorbereich besitzt eine Permanentmagnetisierung (08) oder die Anordnung umfasst ein Magnetisierungsmittel zur Magnetisierung des Sensorbereiches. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Magnetisierung (08) des Sensorbereiches sowie durch die zu messende Kraft und/oder durch das zu messende Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement im Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform eine wandartige Längsstruktur (03) auf.

Description

Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes an einem hohizylinderförmigen Maschinenelement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem hohizylinderförmigen Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.
Aus der DE 600 08 543 T2 ist ein Wandlerelement bekannt, welches für eine Verwendung in einem Drehmoment- oder Kraftsensor vorgesehen ist. Das Wandlerelement liegt einstückig in einer Welle aus magnetisierbarem Material vor und weist eine in einer axialen Richtung ausgerichtete Magnetisierung auf.
Die DE 600 07 641 T2 zeigt ein Wandlerelement, welches für einen Drehmoment- oder Kraftsensorwandler vorgesehen ist. Bei diesem Wandlerelement sind Magnetisierungen in einer radial inneren Region und in einer radial äußeren Region ausgebildet.
Aus der DE 603 09 678 T2 ist ein Verfahren zum Erfassen eines Drehmomentes in einer Welle bekannt, bei welchem Magnetfelder mit alternierender Polari- tat erzeugt werden, welche mit einer Sensoranordnung gemessen werden.
Die DE 601 05 794 T2 zeigt ein kraftempfindliches Wandlerelement mit einem Körper aus magnetischem Material, wobei in dem Körper mindestens zwei magnetisierte Bereiche ausgebildet sind, welche sich unter einem Winkel zu der Kraftübermittlungsrichtung erstrecken und entgegengesetzte Magnetisierungspolaritäten aufweisen.
Die DE 699 36 138 T2 zeigt einen magnetischen Kraftsensor, bei welchem ein magnetisiertes Material einem Biegemoment ausgesetzt ist, wobei mithilfe ei- ner Sensoranordnung das äußere Magnetfeld des magnetisierten Materials bestimmbar ist. Die WO 201 1/085400 A1 zeigt einen magnetoelastischen Kraftsensor, mit welchem mechanische Belastungen eines Elementes messbar sind. Das Element weist eine tangential umlaufende Magnetisierung auf und wird mit einem Biegemoment belastet. Auf einer mittleren Ebene befindet sich ein Magnetfeldsen- sor.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt. Die WO 2007/048143 A2 lehrt einen Sensor mit einem magnetisierten Schaft.
Die WO 01/27638 A1 zeigt einen Schwingungssensor mit einem Schaft, der umfänglich oder longitudinal magnetisiert ist. Aus der WO 2006/053244 A2 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der eine Magnetisierung eines rotierenden Schaftes umfasst. Die Magnetisierung ist umfänglich ausgebildet.
Die US 8, 191 ,431 B2 zeigt einen Sensor mit einem magnetisierten Schaft, bei welchem sich mindestens zwei magnetisch aktive Bereiche axial erstrecken.
Aus der DE 698 38 904 T2 und aus der EP 2 216 702 A1 ist ein Drehmomentsensor mit kreisförmiger Magnetisierung bekannt. Ein Nachteil dieses Drehmomentsensors besteht darin, dass er nicht zur Messung von Biegemomenten geeignet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung von Kräften und Momenten an hohlzylinderförmigen Maschinenelementen unter Nutzung des invers-magneto- striktiven Effektes zu erweitern. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder ei- nes Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Maschinenelement weist einen Sensorbereich auf, welcher einen integralen Bestandteil des Maschinenelementes bildet und der zu messenden Kraft bzw. dem zu messenden Moment zumindest teilweise ausgesetzt ist. Jedenfalls führt die Kraft bzw. das Moment auf das Maschinenelement zu einer Kraft im Sensorbereich des Maschinenelementes, welche ein Maß für die zu messende Kraft bzw. für das zu messende Moment darstellt. Der Sensorbereich weist eine hohlzylinderartige Grundform auf. Die Achse des Maschinenelementes bildet auch die Achse der hohlzylinderartigen Grundform. Bevorzugt weist bereits das Maschinenelement eine hohlzylinderartige Grundform auf, wobei der Sensorbereich durch einen axialen Abschnitt des Maschinenelementes gebildet ist. Auch kann sich der Sensorbereich über das gesamte Maschinenelement erstrecken, sodass der Sensorbereich und das Maschinenelement identisch sind.
Der Sensorbereich ist magnetisiert oder kann magnetisiert werden. Daher ist der Sensorbereich durch eine Magnetisierung in Form einer Permanentmagne- tisierung magnetisiert oder die Anordnung umfasst weiterhin ein Magnetisierungsmittel zur temporären Magnetisierung des Sensorbereiches. Jedenfalls ist der Sensorbereich in einem Betriebszustand der Anordnung magnetisiert.
Der Sensorbereich kann auch als ein Primärsensor angesehen werden. Im Sensorbereich erfolgt wegen des invers-magnetostriktiven Effektes eine Wandlung einer im Sensorbereich auftretenden Kraft in ein Magnetfeld. Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Anordnung weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher in oder gegenüber dem Maschinenelement an- geordnet ist. Der Magnetfeldsensor dient zur Bestimmung eines magnetischen Feldes und ist zur Messung zumindest einer vektoriellen Komponente eines aus dem Maschinenelement austretenden Magnetfeldes ausgebildet, welches einerseits durch die Magnetisierung des Sensorbereiches und andererseits durch die einwirkende Kraft und/oder durch das einwirkende Moment bewirkt ist. Mithilfe des mindestens einen Magnetfeldsensors ist es also möglich, das Magnetfeld, welches wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierung des Sensorbereiches und infolge der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft bzw. des auf das Maschinenelement wirkenden Momen- tes auftritt, zu messen.
Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement im Hohlraum der hohlzylinder- artigen Grundform eine wandartige Längsstruktur auf. Die wandartige Längsstruktur erstreckt sich zumindest teilweise in Richtung der Achse durch den Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform; insbesondere auch quer bezogen auf einen Querschnitt des Maschinenelementes. Die wandartige Längsstruktur weist als Teil des Sensorbereiches ebenfalls die beschriebene Magnetisierung auf. Die auf das Maschinenelement wirkenden Kräfte und Momente führen auch in der wandartigen Längsstruktur zu entsprechenden Spannungen. Insbesondere führen Torsionsmomente, Biegemomente und Querkräfte, welche auf das Maschinenelement wirken, zu Spannungen in der wandartigen Längsstruktur, die sich mit dem Magnetfeldsensor messen lassen. Beispielsweise führt ein auf das Maschinenelement wirkendes Biegemoment zu einer auf die wandartige Längsstruktur wirkenden Scherkraft, die sich mit dem Mag- netfeldsensor messen lässt.
Der an sich zylinderförmige Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform ist durch die wandartige Längsstruktur modifiziert, beispielsweise dadurch, dass er durch die wandartige Längsstruktur in zwei zylindersektorförmige Teilhohl- räume geteilt ist.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass durch eine aufwandsarm zu realisierende Erweiterung der Formgebung des Maschinenelementes die Möglichkeiten zur Messung von Kräften und Momenten am Maschinenelement wesentlich erweitert sind. Die Ergebnisse der auf die wandartige Längsstruktur ausgerichteten Messungen können auch dazu genutzt werden, die Ergebnisse der auf die Hohlzylinderform ausgerichteten Messungen zu verbessern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich extern auftretende Magnetfelder über die wandartige Längsstruktur schließen, bis diese magnetisch gesättigt ist. Die Wirkung solcher extern auftretenden Magnetfelder wird somit auf einen Teilabschnitt des Maschinenelementes beschränkt.
Die wandartige Längsstruktur bildet bevorzugt einen integralen Bestandteil des Maschinenelementes. Auch ist die wandartige Längsstruktur bevorzugt ein integraler Bestandteil des Sensorbereiches und besteht bevorzugt aus demselben Material. Die wandartige Längsstruktur ist bevorzugt einstückig mit dem übrigen Sensorbereich bzw. dem übrigen Maschinenelement ausgebildet. Alternativ kann die wandartige Längsstruktur auch aus einem anderen Material als das übrige Maschinenelement bestehen; beispielsweise als ein in die hohl- zylinderartige Grundform nachträglich eingebautes Bauteil. Auch kann die wandartige Längsstruktur schichtartig ausgebildet sein.
Das Maschinenelement bildet bevorzugt einen Bestandteil der Anordnung. Der Sensorbereich ist bevorzugt durch einen dreidimensionalen Teilbereich des Volumens des Maschinenelementes gebildet. Die wandartige Längsstruktur ist bevorzugt eben ausgebildet; d. h. sie weist mindestens eine ebene Oberfläche auf; beispielsweise als eine einzige ebene Wandfläche oder als flacher Quader.
Die wandartige Längsstruktur erstreckt sich bevorzugt in einer Ebene, deren Normalenvektor eine radiale Richtungskomponente aufweist. Folglich erstreckt sich die wandartige Längsstruktur nicht ausschließlich in einer radialen Ebene, d. h. nicht in einer senkrecht zur Achse angeordneten Ebene. Die Erstreckung der wandartigen Längsstruktur ist durch deren im Hohlraum der hohlzylinderar- tigen Grundform befindliche Oberfläche definiert. Insofern die wandartige Längsstruktur durch einen flachen Körper, beispielsweise durch einen flachen Quader gebildet ist, so kann die Erstreckung auch durch eine mittlere Ebene der wandartigen Längsstruktur definiert werden.
Die wandartige Längsstruktur erstreckt sich besonders bevorzugt in einer zur Achse parallelen Ebene, sodass der an sich zylinderförmige Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform durch die wandartige Längsstruktur gleichförmig in axialer Richtung modifiziert ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich die wandartige Längsstruktur in einer die Achse umfassenden Ebene. Folglich wird der an sich zylinderförmige Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform durch die wandartige Längsstruktur im Querschnitt symmetrisch geteilt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung teilt die wandartige Längsstruktur den Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform in Hohizylindersektoren auf. Die Hohizylindersektoren weisen im Querschnitt jeweils die Form eines Kreissektors auf. Die Anzahl der Hohizylindersektoren beträgt bevorzugt eins, zwei, drei oder vier. Die Hohizylindersektoren weisen bevorzugt jeweils einen Mittelpunktswinkel auf, welcher 180° oder einen ganzzahligen Bruchteil von 180° beträgt.
Bei der obigen Beschreibung der Hohizylindersektoren ist die Dicke der wandartigen Längsstruktur vernachlässigt, da diese Dicke bevorzugt verhältnismä- ßig klein gegenüber den übrigen Ausmaßen des Maschinenelementes ist.
Bevorzugt weist die wandartige Längsstruktur die Form eines flachen Quaders auf. Die wandartige Längsstruktur bildet somit einen Steg aus, welcher durch den zylinderförmigen Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform verläuft und diesen Hohlraum bevorzugt in Hohizylindersektoren teilt. Bei einer einfachen Ausführungsform ist nur einer der zylindersektorförmigen Hohlräume ausgebildet. Hierfür ist die wandartige Längsstruktur ausgehend von der Wandoberfläche einseitig vollständig bis zu der Innenseite der hohlzy- linderartigen Grundform ausgebildet. Dabei weist die wandartige Längsstruktur bevorzugt die Form eines Zylindersektors mit einem Mittelpunktswinkel von 180° auf, d. h. die Form eines durch Längsteilung entstandenen halben Zylinders, wobei die Teilungsebene die Wandoberfläche darstellt. Entsprechend weist auch der zylindersektorförmige Hohlraum einen Mittelpunktswinkel von 180° auf. Die Zylindersektorform der wandartigen Längsstruktur und die Zylin- dersektorform des Hohlraumes sind bei dieser Ausführungsform dann gegeben, wenn die Wandoberfläche die Achse umfasst. Die Wandoberfläche kann auch etwas beabstandet zur Achse angeordnet sein, sodass die wandartige Längsstruktur und der verbleibende Hohlraum jeweils zylindersegmentförmig ausgebildet sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Maschinenelement genau eine der wandartigen Längsstrukturen auf, welche die Form eines flachen Quaders besitzt und in der Achse liegt, sodass zwei der zylindersektorförmigen Hohlräume ausgebildet sind, welche jeweils einen Mittelpunktswinkel von 180° auf- weisen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Maschinenelement zwei der wandartigen Längsstrukturen auf, die sich kreuzen, sodass vier der zylindersektorförmigen Hohlräume ausgebildet sind. Die beiden wandartigen Längs- strukturen besitzen somit gemeinsam einen kreuzförmigen Querschnitt. Dabei weisen die beiden wandartigen Längsstrukturen bevorzugt jeweils die Form eines flachen Quaders auf. Die beiden wandartigen Längsstrukturen besitzen in der axialen Richtung jeweils eine Symmetrielinie, wobei sich die beiden wandartigen Längsstrukturen bevorzugt in ihren Symmetrielinien kreuzen. Da- bei weisen die beiden wandartigen Längsstrukturen in ihrer Kreuzungslinie einen Winkel von 90° zueinander auf. Die beiden wandartigen Längsstrukturen kreuzen sich bevorzugt in der Achse des Maschinenelementes. Das Maschinenelement kann auch drei oder mehr der wandartigen Längsstrukturen besitzen, sodass mehr als vier der zylindersektorförmigen Hohlräume ausgebildet sind. Dabei weisen die wandartigen Längsstrukturen bevorzugt jeweils die Form eines flachen Quaders auf, wobei sich die wandartigen Längsstrukturen bevorzugt in einer einzigen Linie kreuzen.
Die wandartige Längsstruktur geht an Übergängen zum inneren Mantel der hohizylinderartigen Grundform über, die bevorzugt abgerundet sind. Bei besonderen Ausführungsformen besitzt die wandartige Längstruktur eine variierende Dicke, deren Maß vom Abstand zur Achse abhängig ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetfeldsensor im Hohlraum der hohizylinderartigen Grundform, insbe- sondere in einem der zylindersektorförmigen Hohlräume angeordnet. Dabei kann das Maschinenelement auch für einen rotierenden Betrieb vorgesehen sein, wofür das elektrische Signal des Magnetfeldsensors z. B. per Funk zu übertragen ist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetfeldsensor ortsfest und beabstandet zum Maschinenelement angeordnet. Dabei ist der Magnetfeldsensor außerhalb des Hohlraumes der hohizylinderartigen Grundform angeordnet. Während die einwirkende Kraft bzw. das einwirkende Moment zu Bewegungen oder Verformungen des Ma- schinenelementes führen kann, verändert der Magnetfeldsensor seine ortsfeste Position nicht.
Der Magnetfeldsensor kann als ein Sekundärsensor aufgefasst werden und ist bevorzugt durch einen Magnetfelddichtesensor oder durch einen Magnetfeld- stärkesensor gebildet. Grundsätzlich kann jeder Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung der durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Felder geeignet ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Anordnung mehrere der Magnetfeldsensoren.
Der Sensorbereich des Maschinenelementes bildet einen integralen Bestand- teil des Maschinenelementes und ist bevorzugt einstückig mit dem übrigen Maschinenelement ausgebildet.
Der Sensorbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausge- bildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material. Alternativ kann der Sensorbereich als eine magnetostrikti- ve Schicht innerhalb der wandartigen Längsstruktur und innerhalb des Hohlraumes der hohlzylinderartigen Grundform ausgebildet sein. Diese Schicht kann beispielsweise aufgedampft sein.
Der Sensorbereich des Maschinenelementes weist bevorzugt die genannte Permanentmagnetisierung auf, wobei die Permanentmagnetisierung bevorzugt in sich geschlossen ist. Alternativ oder ergänzend umfasst die erfindungsgemäße Anordnung das genannte Magnetisierungsmittel zur Magnetisierung des Sensorbereiches, welches beispielsweise durch einen Elektromagneten oder durch einen Permanentmagneten gebildet sein kann. Alternativ ermöglicht das Magnetisierungsmittel die Einleitung eines elektrischen Stromes in das Maschinenelement, wodurch es zur Magnetisierung des Maschinenelementes im Sensorbereich kommt.
Die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel er- zeugbare Magnetisierung ist innerhalb der hohlzylinderartigen Grundform bevorzugt in eine Richtung mit einer tangentialen Komponente ausgerichtet. Ergänzend ist die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung innerhalb der wandartigen Struktur bevorzugt in eine Richtung mit einer radialen Komponente ausgerichtet. Somit schließen sich die Feldlinien der Magnetisierung über die wandartige Struktur. Hingegen schließen sich die Feldlinien der Magnetisierung eines hohlzylinder- förmigen Maschinenelementes gemäß dem Stand der Technik ausschließlich über den Umfang der Hohlzylinderform.
Die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung kann innerhalb der hohlzylinderartigen Grundform unterschiedliche Winkel gegenüber der tangentialen Richtung aufweisen. Be- vorzugt ist die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung innerhalb der hohlzylinderartigen Grundform in der tangentialen Richtung ausgerichtet.
Die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel er- zeugbare Magnetisierung kann innerhalb der wandartigen Längsstruktur unterschiedliche Winkel gegenüber der radialen Richtung aufweisen. Bevorzugt ist die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung innerhalb der wandartigen Längsstruktur in der radialen Richtung ausgerichtet.
Die Permanentmagnetisierung bzw. die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung ist innerhalb der hohlzylinderartigen Grundform bevorzugt in axialen Abschnitten ausgebildet, zwischen denen die Polarität der Magnetisierung bevorzugt wechselt.
Die angegebene radiale Richtung und die angegebene tangentiale Richtung sind grundsätzlich auf die Achse des Maschinenelementes bezogen.
Das Maschinenelement ist besonders bevorzugt durch eine Hohlwelle oder durch einen Hohlflansch gebildet.
Die Hohlwelle bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein. Bevorzugt weist die Hohlwelle bzw. der Hohlflansch an einem oder an beiden axialen Enden eine ringförmige Verzahnung auf, sodass große Drehmomente übertragen werden können. Alternativ oder ergänzend weist die Hohlwelle bzw. der Hohlflansch an einem oder an beiden axialen Enden bevorzugt einer Aufnahme auf, die eine Scherung der hohlzylinderartigen Grundform ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 : einen Hohlflansch einer bevorzugten Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Anordnung;
Fig. 2: der in Fig. 1 gezeigte Hohlflansch in einer Querschnittsansicht;
Fig. 3: eine Querschnittsansicht eines Hohlflansches einer abgewandelten
Ausführungsform;
Fig. 4: eine Magnetisierung des in Fig. 1 gezeigten Hohlflansches; Fig. 5: eine Magnetisierung einer abgewandelten Ausführungsform; und
Fig. 6: die in Fig. 4 gezeigte Magnetisierung in einer Querschnittsansicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt ein Maschinenelement in Form eines Hohlflansches einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer seitlichen Ansicht. Der Hohlflansch besitzt die Form zweier axial benachbarter Hohlzylinder mit unterschiedlichen Außendurchmessern und mit gleichen Innendurchmessern. Der Hohlflansch weist eine Achse 01 auf, welche auch die Symmet- rieachse des Hohlflansches darstellt. Der Hohlflansch ist verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt, u. a. auch Normalkräften und Biegemomenten, welche durch die erfindungsgemäße Anordnung messbar sind. Der Hohlflansch weist an seinen axialen Enden jeweils eine kreisförmige Verzahnung 02 auf seinem äußeren Umfang auf, sodass große Drehmomente über den Hohlflansch übertragbar sind.
Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 gezeigte Maschinenelement in einer Querschnittsan- sieht. Die Schnittebene liegt senkrecht zur Achse 01 . In dieser Darstellung ist eine wandartige Längsstruktur 03 erkennbar, welche im Hohlraum des hohlzy- linderförmigen Flansches ausgebildet ist und diesen in zwei Hohlzylindersektoren 04 aufteilt. Die wandartige Längsstruktur 03 weist die Form eines flachen Quaders auf, dessen Symmetrielinie mit der Achse 01 zusammenfällt. Die wandartige Längsstruktur 03 geht an abgerundeten Übergängen 06 zur inneren Mantelfläche der Hohlzylinderform des Hohlflansches über. Aufgrund dieser abgerundeten Übergänge 06 und der Dicke der wandartigen Längsstruktur 03 weist die Form der beiden Hohlzylindersektoren 04 von der idealen Form eines Zylindersektors geringfügig ab. Die Mittelpunktswinkel der Hohlzylindersekto- ren 04 betragen jeweils 180°
Die Anordnung umfasst weiterhin einen Magnetfeldsensor (nicht gezeigt), welcher in einer der Hohlzylindersektoren 04 oder außerhalb des Hohlflansches in der Nähe des Hohlflansches angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Hohlflansches einer abgewandelten Ausführungsform. Der Hohlflansch gleich zunächst dem in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Hohlflansch. Die Abwandlung besteht darin, dass der Hohlflansch zwei der wandartigen Längsstrukturen 03 aufweist. Die beiden wandartigen Längsstrukturen 03 sind gleich ausgebildet und kreuzen sich in der Achse 01 . Folglich sind vier der Hohlzylindersektoren 04 ausgebildet, die jeweils einen Mittelpunktswinkel von 90° aufweisen. Fig. 4 zeigt eine Magnetisierung 08 des in Fig. 1 gezeigten Hohlflansches. Die Magnetisierung 08 verläuft tangential umlaufend in axialen Abschnitten, zwischen denen die Polarität der Magnetisierung wechselt. Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Magnetisierung 08 des in Fig. 1 gezeigten Hohlflansches. Die Magnetisierung 08 gleicht zunächst der in Fig. 4 gezeigten Magnetisierung. Ein Unterschied besteht darin, dass die Magnetisierung 08 in einem Winkel α gegenüber der tangentialen Richtung geneigt ist. Der Winkel α kann zwischen 0° und 90° betragen.
Die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Magnetisierungen 08 sind auch bei dem in Fig. 3 gezeigten Hohlflansch realisierbar.
Fig. 6 zeigt die in Fig. 4 gezeigte Magnetisierung in einer Querschnittsansicht. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass sich die Magnetisierung 08 über die wandartige Längsstruktur 03 schließt.
Bezugszeichenliste
01 - Achse
02 - Verzahnung
03 - wandartige Längsstruktur
04 - Hohizylindersektoren
05 - -
06 - Übergang
07 - - 08 - Magnetisierung

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (01 ) erstreckenden Maschinenelement, welches einen Sensorbereich mit einer hohlzylinderartigen Grundform aufweist, wobei der Sensorbereich eine Permanentmagnetisierung (08) besitzt oder die Anordnung ein Magnetisierungsmittel zur Magnetisierung des Sensorbereiches umfasst; wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Magnetisierung (08) des Sensorbereiches sowie durch die zu messende Kraft und/oder durch das zu messende Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement im Hohlraum der hohlzylinderartigen Grundform eine wandartige Längsstruktur (03) aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die wandartige Längsstruktur (03) in einer zur Achse (01 ) parallelen Ebene erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wandartige Längsstruktur (03) in einer die Achse (01 ) umfassenden Ebene erstreckt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wandartige Längsstruktur (03) den Hohlraum der hohlzylinderför- migen Grundform in Hohlzylindersektoren (04) teilt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlzy- lindersektoren (04) jeweils einen Mittelpunktswinkel von 180° oder einem ganzzahligen Bruchteil von 180° aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement zwei der wandartigen Längsstrukturen (03) umfasst, die sich in der Achse (01 ) kreuzen, sodass vier der Hohlzylindersektoren (04) ausgebildet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wandartige Längsstruktur (03) die Form eines flachen Quaders aufweist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor in einem der Hohlzylindersektoren (04) an- geordnet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetisierung (08) oder die durch das Magnetisierungsmittel erzeugbare Magnetisierung (08) in eine Richtung mit einer tangentialen Komponente in der hohizylinderartigen Grundform und in eine Richtung mit einer radialen Komponente in der wandartigen Struktur (03) ausgerichtet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement durch eine Hohlwelle oder durch einen Hohlflansch gebildet ist.
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