WO2016050241A1 - Vorrichtung zur erfassung eines an einem drehbar gelagerten bauelement anliegenden drehmoments - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung eines an einem drehbar gelagerten bauelement anliegenden drehmoments Download PDF

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WO2016050241A1
WO2016050241A1 PCT/DE2015/200454 DE2015200454W WO2016050241A1 WO 2016050241 A1 WO2016050241 A1 WO 2016050241A1 DE 2015200454 W DE2015200454 W DE 2015200454W WO 2016050241 A1 WO2016050241 A1 WO 2016050241A1
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coating
component
torque
rotatably mounted
forming
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PCT/DE2015/200454
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Jürgen GIERL
Frank Benkert
Christian Albrecht
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • 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
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1457—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving resistance strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a torque applied to a rotatably mounted component.
  • Devices for detecting a torque applied to a rotatably mounted component are known in principle in construction and function. Fields of application or use of corresponding devices are generally in the area of rotatably mounted components, such as, for example, bearings and / or pitches, so that moments acting on the rotatably mounted components and thus their mechanical load conditions can be detected.
  • a coating forming a torque detection arrangement as part of a corresponding device directly on a corresponding rotatably mounted component.
  • Corresponding coatings are usually made of deformation-sensitive materials, i. h, materials which change or comprise at least one material-specific characteristic as a function of a deformation, in general depending on a mechanical load applied thereto,
  • the invention is based on the object to provide an improved device for detecting a voltage applied to a rotatably mounted component torque.
  • the proposed device for detecting a rotatably mounted on a component, d. H. typically a machine element, such as a bearing «d. H. z.
  • a sliding or rolling bearing and / or a shaft, d. H. e, 8. a hollow or solid shaft, applied torque thus comprises at least one Tragerbauteii, welhe shes to the or generally a rotatably mounted component, hereinafter briefly component, rotatably fastened or attached
  • the Sambauteii is at least partially provided with at least one coating.
  • the carrier component thus constitutes a carrier for a coating.
  • the coating is, in particular by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVO (Physical Vapor Deposition) and / or CVD (Chemical Vapor Deposition) methods.
  • the or generally a corresponding coating is formed from or comprises at least one under deformation at least one material-specific characteristic value, such as, for example, the electrical resistance, changing deformation-sensitive material Material.
  • the coating therefore forms a torque detection arrangement.
  • a torque detection arrangement can be understood in particular to be a strain gauge arrangement.
  • a corresponding coating forming a torque-transmitting arrangement hereinafter referred to as coating, not on the rotatably mounted component, on which a detection of an applied torque or generally a detection of an applied mechanical load is to be made, but instead a separate carrier component is applied to this component.
  • Be a corresponding deformation-sensitive material it may, for. Example, a metal, in particular a metal alloy, or a semiconductor act.
  • a metal alloy for example, a nickel alloy, z, 8. a nickel-chromium alloy into consideration.
  • a semiconductor for example, a so-called III - VA semiconductor such. 8th. into consideration.
  • a corresponding deformation-sensitive material is in particular by means of physical and / or chemical Absehe - tion method, preferably PVD (Physical Vapor Depoertion) and / or CVO (Chemical Vapor Deposition) method, on the support member or on applied to the carrier component previously applied layer,
  • the operating principle of the device is based on the fact that operational, d. H. iast- or moment administrate, deformations of the component to the rotation test on this fixed support member and werter be transferred to the applied coating on this.
  • a deformed state i. H. depending on a given deformation, in which it is z. B. may be an elongation or stretch or a compression
  • at least one material-specific characteristic value such. 8 the electrical resistance, compared to a non-deformed state.
  • the adaptation of material-specific characteristic values is based, in particular, on deformation-induced changes in the geometry of the charge and, in particular in the case of semiconductors, piezoresistive effects.
  • a corresponding carrier component may be, for example, a female component, which may be a sleeve-like, typically hollow-cylindrical, component.
  • the sleeve component can be pushed onto the or a rotatably mounted structural component or pushed.
  • the device can with a, z. B, formed by a radial constriction, hollow seat for a corresponding sleeve component) be provided.
  • a corresponding carrier component may be an insert component which can be inserted or inserted between two adjacently arranged rotatably mounted saucer segments.
  • the insert component is thus inserted or used in the sense of an intermediate segment between corresponding component segments arranged adjacent and thus maraitbar between corresponding component segments maraitbar, in all cases, the support » construction rotatably fastened to the component or the support member is rotationally fixed to the device attached.
  • a suitable insert component may also be understood as meaning an intermediate piece to be inserted between two jaw clutches as corresponding rotatably mounted component segments.
  • the rotationally fixed attachment of the carrier component to the or in general a rotatably mounted component can in principle be realized via a non-rotatable attachment of the carrier component to the mounting element enabling a component or components.
  • the carrier component and the component are non-rotatably affixed to one another or fastened to one another.
  • the carrier component is preferably non-rotatably attached to the component by means of an integral fastening type
  • fastening types include z. B. solder, adhesive and / or welded joints.
  • adhesive compounds it is possible to prepare the carrier component and / or the component in the region of corresponding adhesive surfaces for the formation of a stable adhesive bond, ie roughening.
  • the selection of an adhesive takes place, in particular, depending on the materiality or nature of the fastening partners to be fastened to one another; in particular in connection with welded joints, the fastening partners are of course made of weldable materials. These include, in particular, weldable iron alloys, in particular weldable steels.
  • Corresponding welded joints can, for example be formed by means of laser welding, friction welding or VViderstandsschwei & en.
  • a layer system which, in addition to the coating, comprises at least one further layer which is formed above or below the coating.
  • the layer system expediently comprises a layer formed below the coating, d. H. applied directly on the support member, Isoiation Anlagen and formed above the coating, d. H. directly on, possibly structured. Coating, applied protective layer.
  • the layer system expediently provides a sequence of an isoization layer, the optionally structured coating and a protective layer.
  • the coating at least can therefore be applied in sections to an electrically insulating layer of insulation applied at least in sections on the carrier component.
  • the insulating layer serves to form an electrical insulation between the coating, which is typically provided with electrical conductivity, as described above for the materiality of the coating, and the carrier component.
  • the insulation layer is accordingly formed from or comprises at least one electrically insulating material. As an electrically insulating material z.
  • a, in particular metallic, oxide or nitride compound such as, for example, alumina, Siiiziumoxid, silicon nitride, or mixtures of corresponding oxide or nitride compounds into consideration, the insulating layer by means of physical and / or chemical deposition methods, in particular PVD or CVD method, have been applied to the carrier component.
  • the coating can be structured as mentioned.
  • the coating can thus have a two-dimensional, in particular strip-shaped, structure.
  • the coating can therefore be structured in two-dimensionally structured manner in a plurality of strip sections.
  • the or individual tire strip sections can be provided, for example, with a plurality of strip sections.
  • the or individual strip sections may touch each other in sections or be contacted with each other.
  • appropriate arrangements shall be tion or training of corresponding strip sections, d. h, a corresponding two-dimensional structuring of the coating, the formation of a bridge, in particular a half or Voilmaschinenschaitung, according to Wheatstone (see Wheatstone bridge) possible.
  • the strip sections of a corresponding strip-shaped structure can be considered as strain gauges, so that the formation of a strain gage arrangement mentioned above can result from a two-dimensional structure of the coating.
  • the two-dimensional structure or structuring of the coating can be effected in particular by means of laser structuring methods and / or photolithographic Structuring methods have been realized.
  • the or individual strip sections of a corresponding strip-shaped structure of the coating can be inclined or inclined at least in sections relative to the rotational or symmetry axis of the component or of the carrier component in the state of the carrier component that is non-rotatably attached to a corresponding rotatably mounted component , This may result in a helical or helical wound course of the strip sections.
  • the angle of inclination of the strip portions relative to the rotational or symmetry axis of the component or the carrier component is typically in a range between 30 ° and 60 ° . especially at 45 o .
  • an electrically conductive, electrically contacting, electrically contacting strip sections can be provided.
  • the electrical contacting of the strip sections with an evaluation device makes it possible to evaluate the material-specific characteristic values which change as a result of the deformation and thus to detect loads or moments applied to the component.
  • the evaluation device is designed in accordance with the evaluation of a deformation-related change of at least one matehalspeziflschen characteristic of the coating forming material.
  • soft z. B. may be designed as evaluation or may include such, suitable be implemented nete evaluation algorithms.
  • the evaluation device Hann may in principle be formed or arranged on the carrier component or the component.
  • a protective layer be applied on the coating against external influences or impairments.
  • a corresponding protective layer can generally be formed from organic and / or inorganic material or comprise at least one such material.
  • the protective layer can in particular also be present as a lacquer.
  • a corresponding protective layer z. B. on, optionally hydrogen-containing, carbon or a, optionally water-containing carbon compound, aluminum or an aluminum compound, silicon or a
  • Silicon compound in particular silicon oxide or silicon nitride, be formed.
  • the protective layer can be applied to the coating by means of physical and / or chemical deposition methods, in particular PVD and / or CVD methods, in particular PACVD methods (plasma assisted chemical vapor deposition) As a lacquer, this can of course also be applied by spraying or brushing on the coating.
  • the total layer thickness of all on the TrSgerbautei! applied coatings or, layers, d, h, the total layer thickness of a corresponding coating system, should not be more than 100 pm.
  • the coating can have a layer thickness in a range of 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m, in particular 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m to 3 ⁇ m
  • the insulation layer can have a layer thickness in the range of 0 , 01 pm to 25 pm, in particular from 0.05 pm to 5 pm, preferably from 0.05 pm to 3 pm
  • the protective layer can have a layer thickness in a range from 0.01 ⁇ m to 65 ⁇ m, in particular from 0.05 ⁇ m to 50 pm, preferably 0.05 pm to 5 pm.
  • the apparatus may further comprise a signal transmission device which can be contacted or contacted with the coating for the purpose of transmitting electrical signals emanating from the coating or a corresponding evaluation device to a communication partner.
  • Corresponding electrical signals can accordingly be transmitted to a communication partner via a corresponding signal transmission device, ie, for example, a measuring device assigned to the device or higher.
  • the transmission of corresponding electrical signals can be realized without contact, ie in particular magnetically or inductively, or contact-related, ie in particular by means of a slip ring.
  • a corresponding signal transmission device can, in principle, be arranged or formed on the component to which the carrier component can be fastened or secured in a rotationally fixed manner.
  • a corresponding communication partner can be arranged or formed in a stationary or stationary manner on a non-rotatably mounted component.
  • the device may comprise an energy transfer device that can be contacted or contacted with the coating for the purpose of transmitting energy, in particular electrical energy, to the coating or to a corresponding evaluation device.
  • a corresponding energy transmission device is therefore connected on the one hand to a, in particular electrical, energy source and on the other hand to the coating or a corresponding evaluation device, so that the coating or the evaluation device can be supplied or supplied with, in particular electrical energy.
  • the energy transfer can also be contact-free, d. h, in particular magnetic or inductive, or contact-bound, d, h. in particular by means of slip ring, be realized.
  • a corresponding energy transmission device can, in principle, be arranged or formed on the component to which the carrier component can be fastened or fastened in a rotationally fixed manner.
  • An assembly of a described device, wherein the support member is rotatably mounted on a corresponding rotatably mounted component can be referred to as an arrangement for detecting a torque applied to a rotatably mounted component.
  • the invention also relates to such an arrangement.
  • the invention further relates to a method for producing a carrier component provided with a coating forming a torque-detecting arrangement for a device according to one of the preceding claims.
  • the method comprises the steps of providing a carrier component and forming a charge forming a torque-detecting arrangement on the carrier component by at least partially applying at least one deformation-sensitive material changing at least one material-specific characteristic value to an exposed surface of the carrier component and / or one previously on the exposed surface of the support member applied layer.
  • the application of the strain-sensitive material can take place by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD methods and / or CVO methods.
  • an insulation layer described in connection with the device and a protective layer can furthermore be formed within the scope of the method.
  • the insulating layer is first applied to the carrier component, which in turn can take place by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD method and / or CVD method, applied to the insulating layer, the coating optionally structured, and on the , optionally structured, coating the protective layer applied, which can also be done by means of physical and / or chemical deposition method, preferably PVD method and / or CVD method.
  • a layer system described in connection with the device can be formed.
  • the method may comprise a non-rotatable fastening of the carrier component provided with a coating forming a torque-detecting arrangement on a component to be rotatably mounted or mounted.
  • Figure 1, 2 are each a view of a device according to awhosbeispiei the
  • FIG. 1 shows a view (side view) of a device 1 according to an embodiment of the invention.
  • the device 1 serves for detecting a torque applied to a rotatably mounted component 2, in this case a cylindrical shaft.
  • the device 1 comprises a support member 3 that can be fastened non-rotatably on a corresponding component 2 or fastened in the exemplary embodiment shown in FIG. 1.
  • the support component 3 has a hollow cylindrical and thus sleeve-like geometric shape and can therefore be referred to as a sleeve component or, as shown in FIG. 2, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a carrier component 3 is shown in the form of an insert component insertable or inserted between two adjacently arranged rotatably mounted component segments 2a, 2b.
  • the insert component Thus, in the sense of an intermediate segment between corresponding adjacent component segments 2a, 2beinbeinbarbar or, used and thus schaitbar or switched between corresponding Sau- element segments.
  • the carrier component! 3 is at least partially provided with at least one coating 5.
  • the coating 5 is by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD (Physical Vapor Deposition) and / or CVD (Chemical Vapor Deposition) methods, on the carrier component 3 or one on the Shinbautei! 3 previously applied layer, that is applied in particular an insulating layer.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the coating 5 is made of at least one under deformation at least one ma- material-specific characteristic value, such.
  • As the electrical resistance changing deformation-sensitive material such.
  • a metal alloy in particular a Ni ⁇ ckel ⁇ chromium alloy ; educated.
  • the coating 5 forms a torque detection arrangement.
  • the operating principle of the device 1 is based on the fact that operationally, ie load- or moment-related, deformations of the component 2 are transmitted to the rotatably fixed thereto carrier component 3 and further to the coating 5 applied thereto. In a deformed state, ie depending on a given deformation, it softens z. 8. It may be an elongation or a compression or a compression, at least one material-specific characteristic value, such as, for example, the electrical resistance, changes in comparison to a non-deformed state. The change of material-specific characteristic values is due in particular to deformation-induced changes in geometry of the coating 5 and, in particular in semiconducting materials, piezoresistive effects. From By means of suitable evaluation algorithms, typically implemented in an evaluation device (not shown) belonging to or associated with the device 1, conclusions can be drawn about loads or moments applied to the component 2.
  • the coating 5 is preferably applied to an electrically insulating insulating layer (not shown) applied to the carrier component 3 at least in sections.
  • a corresponding insulation layer serves, in particular, for the formation of an electrical insulation between the typically electrically conductive coating 5 and the carrier component 3.
  • the insulating layer is correspondingly formed from or comprises at least one electrically insulating material, such as aluminum oxide.
  • a protective layer forming a protection against external influences or impairments can be applied.
  • a corresponding protective layer can generally be formed from or at least comprise organic and / or inorganic material.
  • a corresponding protective layer z. 8 to, optionally containing hydrogen, carbon cloth or: optionally containing hydrogen, carbon compound may be formed.
  • the insulating layer, the coating 5 and the protective layer may be referred to as a layer system.
  • the coating 5 can have a layer thickness in a range from ⁇ 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, in particular 0.05 to 5 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m to 3 ⁇ m
  • the insulation layer can have a layer thickness in the range of 0.01 pm to 25 pm, in particular 0.05 pm to 5 pm, preferably 0.05 pm to 3 pm
  • the protective layer may have a layer thickness in one Range from 0.01 ⁇ m to 85 ⁇ m, in particular from 0.05 ⁇ m to 50 ⁇ m, preferably from 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m,
  • the coating 5 has a two-dimensional, in particular strip-shaped. Structure on, The coating 5 is thus two-dimensional structured in several St Shapeabschnrtten Sa before.
  • the or individual severity portions 5a may be formed or arranged in a meandering manner.
  • the or individual strip sections 5a may touch each other in sections or be contacted with each other.
  • the strip sections 5a can be considered as a stretch measuring strip, so that the formation of a strain gauge arrangement results from a two-dimensional structure of the coating 5.
  • the two-dimensional structure or structuring of the coating 5 can be achieved, for example. B. have been realized by means of laser structuring methods and / or photolithographic structuring methods.
  • the strip sections 5a run obliquely or obliquely relative to the rotational or symmetry axis of the component 2 or of the carrier component 3, respectively, in the state of the carrier component 3 secured against rotation on the rotatably mounted component 2.
  • the angle of inclination of the severing portions 5a relative to the axis of rotation or symmetry of the component 2 or of the carrier component 3 is approximately 45 * in the exemplary embodiments shown in the figures.
  • an electrically releasable, e.g. 8, metallic, contact layer (not shown) for electrical contacting of the coating 5 may be applied with an evaluation device.
  • the electrical contacting of the strip sections 5a with the evaluation device makes it possible to evaluate the deformation-specific values of the material-specific characteristics and thus to detect loads or phenomena applied to the component 2.
  • the Auswerie shark can in principle be formed or arranged on the support member 3 or the component 3.
  • the apparatus 1 may further comprise a signal transmission device which can be corrigated or contacted with the coating 5 and which serves for the transmission of electrical signals emanating from the coating 5 or a corresponding evaluation device to a communication partner. Accordingly, corresponding electrical signals can be transmitted to a communication partner via the signal transmission device : ie, a measuring device assigned to the device 1 or higher. The transmission of corresponding electrical signals can thereby be contact-free, ie in particular magnetic or inductive, or contact-bound, ie in particular by means of a slip ring realized.
  • the signal transmission device can be arranged or formed on the component 2 on which the carrier component 3 can be fastened or secured in a rotationally fixed manner.
  • a corresponding communication partner can be arranged or formed in a stationary or stationary manner on a non-rotatably mounted component.
  • the device 1 may comprise an energy transmission device (not shown) which can be contacted or contacted with the charge 5 and which serves for the transmission of, in particular electrical, energy to the coating 5 or to a corresponding evaluation device.
  • the energy transmission device is thus connected on the one hand to a, in particular electrical, energy source and on the other hand to the coating 5 or the evaluation device, so that the coating 5 or the evaluation device is provided with, in particular electrical energy.
  • the energy transfer device can be supplied or supplied.
  • the energy transfer can also be contact-free, d. H. in particular magnetic or inductive, or contact-bound, d. H.
  • the energy transfer device can in principle be arranged or formed on the component 2, to which the support member 3 is rotatably fastened or attached.
  • the carrier component 3 shown in the figures can be produced by a method for producing a carrier component provided with a coating 5 forming a torque-detecting arrangement.
  • the procedure comprises the steps te: Provision of a support member 3 and forming a Drehmomenterfas- sationsungsan extract forming coating 5 on the support member 5 by at least partially Aulfehngen at least one under deformation at least one material-specific characteristic value changing deformation-sensitive material on an exposed surface of the support member 5 and / or on a previously on the exposed surface of the support member 5 applied layer, in particular an insulation layer.
  • strain-sensitive material can take place by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD methods and / or CVD methods.
  • an insulation layer which is prone to damage in connection with the device 1 and a protective layer can furthermore be formed.
  • the insulating layer is first applied to the carrier component 3, which in turn can be carried out by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD methods and / or CVD methods.
  • the coating 5 is applied to the insulation layer, optionally structured, and the protective layer applied to the optionally structured coating 5, likewise by means of physical and / or chemical deposition methods, preferably PVD methods and / or CVD methods. can be done.
  • the method may comprise a non-rotatable fastening of the carrier component 3 provided with a coating 5 forming a torque-detecting arrangement on a component 2 to be rotatably mounted or mounted.

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement (2) anliegenden Drehmoments, umfassend wenigstens ein an einem drehbar gelagerten Bauelement (2) drehfest befestigbares oder befestigtes Trägerbauteil (3), wobei das Trägerbauteil (3) mindest abschnittsweise mit wenigstens einer aus wenigstens einem unter Verformung wenigstens einen materialspezifischen Kennwert ändernden verformungssensitiven Material gebildeten oder wenigstens ein solches umfassenden, eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Beschichtung (5) versehen Ist.

Description

Vorrichtung zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement an- tiegenden Drehmoments
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines an einem drehbar gelager- ten Bauelement anliegenden Drehmoments.
Vorrichtungen zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement anlie- genden Drehmoments sind in Aufbau und Funktion prinzipiell bekannt. Einsatz- bzw. Verwendungsgebiete entsprechender Vorrichtungen liegen im Allgemeinen im Bereich drehbar gelagerter Bauelemente, wie z, B. Lager und/oder Weilen, so dass auf die drehbar gelagerten Bauelemente wirkenden Momente und somit deren mechanische Lastzustände erfasst werden können.
Es ist dabei bekannt, eine eine Drehmomenterfassungsanordnung bildende Beschich- tung als Teil einer entsprechenden Vorrichtung unmittelbar auf einem entsprechenden drehbar gelagerten Bauelement auszubilden. Entsprechende BeSchichtungen sind in der Regel aus verformungssensitiven Materialien, d. h, Materialien, weiche in Abhän- gigkeit einer Verformung, aligemein in Abhängigkeit einer an diesen anliegenden me- chanischen Last, wenigstens einen materialspezifischen Kennwert ändern, gebildet oder umfassen solche Materialien,
Es existieren jedoch Bauelementoberflächen bzw, Baueiementgeometrien, welche sich nicht oder nicht ohne weiteres mit einer entsprechenden eine Drehmomenterfas- sungsanordnung bildenden Beschickung versehen lassen,
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrich- tung zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement anliegenden Drehmoments anzugeben. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannte Art gelost welche sich durch wenigstens ein an an einem drehbar gelagerten Bauelement drehfest befestigbares oder befestigtes Trägerbauteil, wobei das Trägerbauteil zumindest ab- schnittsweise mit wenigstens einer aus wenigstens einem unter Verformung wenigs- tens einen materialspezifischen Kennwert ändernden verformungssensiiiven Materia! gebildeten oder wenigstens ein solches umfassenden, eine Drehmomenterfassungs- anordnung bildenden Beschichtung versehen ist, auszeichnet.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement, d. h. typischerweise einem Maschinenelement, wie einem Lager« d. h. z. B. einem Gleit- oder Wälzlager, und/oder einer Welle, d. h. z, 8. einer Hohl- oder Vollwelle, anliegenden Drehmoments umfasst also wenigstens ein Tragerbauteii, wel- ehes an dem oder allgemein einem drehbar gelagerten Bauelement, Im Weiteren kurz Bauelement, drehfest befestigbar oder befestigt ist
Das Trägerbauteii ist zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer Beschichtung versehen. Das Tragerbauteil stellt also einen Träger für eine Beschichtung dar. Die Beschichtung ist, insbesondere vermitteis physikalischer und/oder chemischer Ab- scheidungsverfahren, vorzugsweise PVO- Verfahren (Physical-Vapour-Deposition) und/oder CVD-Verfahren (Chemical-Vapour-Deposition), auf dem Trägerbauteii oder einer auf dem Tragerbauteil zuvor aufgebrachten Schicht aufgebracht Die oder allgemein eine entsprechende Beschichtung ist aus wenigstens einem unter Verformung wenigstens einen matenalspezifischen Kennwert, wie z, B. den elektri- schen Widerstand, ändernden verformungssensitiven Material gebildet oder umfasst wenigstens ein solches Material. Die Beschichtung bildet deshalb eine Drehmoment- erfassungsanordnung. Wie sich im Weiteren ergibt, kann unter einer Drehmomenter- fassungsanordnung insbesondere eine Dehnmessstreifenanordnung verstanden wer- den.
An der Vorrichtung ist also wesentlich, dass eine entsprechende eine Drehmomenter- fassungsanordnung bildende Beschichtung, im Weiteren kurz Beschichtung, nicht auf dem drehbar gelagerten Bauelement, an welchem eine Erfassung eines anliegenden Drehmoments bzw. allgemein eine Erfassung einer anliegenden mechanischen Last vorzunehmen ist, sondern auf einem zu diesem Bauelement separaten Trägerbauteil aufgebracht Ist. Hierdurch wird den eingangs erwähnten Problemen im Zusammen- hang mit der nicht oder nicht ohne weiteres möglichen Beschichtung bestimmter Bau- elemente bzw. Bauelementgeometrien Rechnung getragen. Die Vorrichtung stellt da- her ein einfaches und wirtschaftliches, gleichwohl zuverlässiges Prinzip zur Erfassung von Drehmomenten an drehbar gelagerten Bauelementen dar.
Sei einem entsprechenden verformungssensitiven Material kann es sich z. B. um ein Metali, insbesondere auch eine Metalilegierung, oder einen Halbleiter handeln. Als Metalliegierung kommt beispielsweise eine Nickel-Legierung, z, 8. eine Nickel-Chrom- Legierung, in Betracht. Als Halbleiter kommt beispielsweise ein so genannter III - VA- Halbleiter, wie z. 8.
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in Betracht. Ein entsprechendes verformungssensiti- ves Material ist insbesondere vermittels physikalischer und/oder chemischer Absehe!- dungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren (Physical-Vapour-Depoertion) und/oder CVO-Verfahren (Chemical-Vapour-Deposition), auf dem Trägerbauteil oder einer auf dem Tragerbauteil zuvor aufgebrachten Schicht aufgebracht,
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung beruht darauf, dass betriebsbedingte, d. h. iast- bzw. momentbedingte, Verformungen des Bauelements auf das drehtest an diesem befestigte Trägerbauteil und werter auf die auf diesem aufgebrachte Beschichtung übertragen werden. In einem verformten Zustand, d. h. in Abhängigkeit einer gegebe- nen Verformung, bei welcher es sich z. B. um eine Dehnung bzw. Streckung oder um eine Stauchung handeln kann, ändert sich wenigstens ein materialspezifischer Kennwert, wie z. 8, der elektrische Widerstand, im Vergleich zu einem nicht verform- ten Zustand. Die Anäemng materialspezifischer Kennwerte begründet sich insbeson- dere durch verformungsbedingte Geometrieänderungen der Beschickung und, insbe- sondere bei Halbleitern, piezoresistive Effekte. Aus erfassten relativen Änderungen materialspezifischer Kennwerte lassen sich vermittels geeigneter Auswertealgorith- men, typischerweise implementiert in einer der Vorrichtung zugehörigen oder zu- geordneten Auswerteeinrichtung, Rückschlüsse auf an dem Bauelement anliegende Lasten bzw. Momente ziehen.
Bei einem entsprechenden Trägerbauteil kann es sich z B. um ein Hüisenbauteil, mit- hin um ein hülsenartiges, typischerweise hohlzyündrisches, Bauteil handeln. Das Hüi- senbauteil ist auf das oder ein drehbar gelagertes Bauelement aufschiebbar oder auf- geschoben. Zwischen dem Hüisenbauteii und dem Bauelement kann eine gewisse Spielpassung gegeben sein, Das Bauelement kann mit einem, z. B, durch eine radiale Einschnürung gebildeten, Hölsensitz für ein entsprechendes Hülsenbautei) versehen sein.
Denkbar ist es auch, dass es sich bei einem entsprechenden Trägerbauteil um ein zwischen zwei benachbart angeordnete drehbar gelagerte Sauelementsegmente ein- setzbares oder eingesetztes Einsatzbauteil handelt. Das Einsatzbauteil ist also im Sinne eines Zwischensegments zwischen entsprechende benachbart angeordnete Bauelementsegmente einsetzbar bzw. eingesetzt und somit zwischen entsprechende Bauelementsegmente schaitbar bzw. geschaltet, in allen Fällen lässt sich das Träger» bauteü drehfest an dem Bauelement befestigen bzw. ist das Trägerbauteil drehfest an dem Bauelement befestigt. Unter einem entsprechenden Einsatzbauteil kann insbe- sondere auch ein zwischen zwei Klauenkupplungen als entsprechende drehbar gela- gerte Bauelementsegmente einzusetzendes Zwischenstück zu verstehen sein.
Die drehfeste Befestigung des Tragerbauteils an dem oder allgemein einem drehbar gelagerten Bauelement kann grundsätzlich über eine drehfeste Befestigung des Trä- gerbauteils an dem oder einem Bauelement ermöglichende Befestigungsarten reali- siert sein. Trägerbauteil und Bauelement stellen dabei drehfest aneinander zu befesti- gende oder befestigte Befestigungspartner dar. Bevorzugt ist das Trägerbauteii ver- mittels einer stoffschlüssigen Befestigungsart drehfest an dem Bauelement
befestigbar oder befestigt. Zu entsprechenden stoffschlüssigen Befestigungsarten zählen z. B. Lot-, Klebe- und/oder Schweißverbindungen. Im Zusammenhang mit Kle~ beverbindungen ist es möglich, das Trägerbauteil und/oder das Bauelement im Be- reich entsprechender Klebeflächen für die Ausbildung einer stabilen Klebeverbindung vorzubereiten, d. h. z. B, Aufzurauen. Die Auswahl eines Klebers erfolgt insbesondere in Abhängigkeit der Materialität bzw. Beschaffenheit der aneinander zu befestigenden Befestigungspartner, insbesondere im Zusammenhang mit Schweißverbindungen sind die Befestigungspartner selbstverständlich aus schweißbaren Materialien gebil- det. Hierzu zählen insbesondere schweißbare Eisenlegierungen, insbesondere schweißbare Stähle. Entsprechende Schweißverbindungen können beispielsweise vermittels Laserschweißens, Reibschwei&ens oder VViderstandsschwei&en ausgebil- det werden.
Im Folgenden wird ein Schichtsystem beschrieben, welches neben der Beschichtung wenigstens eine weitere Schicht umfasst, weiche oberhalb oder unterhalb der Be- schichtung ausgebildet sind. Wie sich im Weiteren ergibt, umfasst das Schichtsystem zweckmäßig eine unterhalb der Beschichtung ausgebildete, d. h. unmittelbar auf dem Trägerbauteil aufgebrachte, Isoiationsschicht und eine oberhalb der Beschichtung ausgebildete, d. h. unmittelbar auf der, gegebenenfalls strukturierten. Beschichtung, aufgebrachte Schutzschicht, Das Schichtsystem sieht demnach ausgehend von der Oberfläche des Trägerbauteils zweckmäßig eine Abfolge einer isoiationsschicht, der, gegebenenfalls strukturierten, Beschichtung und einer Schutzschicht vor.
Die Beschichtung zumindest kann also abschnittsweise auf einer zumindest ab- schnittsweise auf dem Trägerbauteil aufgebrachten elektrisch isolierend ausgebildeten isoiationsschicht aufgebracht sein. Die isoiationsschicht dient insbesondere der Aus- bildung einer elektrischen Isolierung zwischen der, wie sich aus obigen Ausführungen zur Materialität der Beschichtung ergibt, typischerweise elektrisch ieitfähig ausgebilde- ten, Beschichtung und dem Trägerbauteü. Die Isolationsschicht ist entsprechend aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder umfasst wenigstens ein solches. Als elektrisch isolierendes Material kommt z. B. eine, insbesondere metallische, Oxid- oder Nitrid Verbindung, wie z, B. Aluminiumoxid, Siiiziumoxid, Siliziumnitrid, oder Mi- schungen entsprechender Oxid- oder Nitridverbindungen in Betracht, Die Isolations- schicht kann vermittels physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, insbesondere PVD- oder CVD- Verfahren, auf das Trägerbauteil aufgebracht worden sein.
Die Beschichtung kann wie erwähnt strukturiert sein. Die Beschichtung kann also eine zweidimensionale, insbesondere streifenförmige, Struktur aufweisen. Die Beschich- tung kann sonach zweidimensional strukturiert in mehreren Streifenabschnitten vorlie- gen. Die oder einzelne Sireifenabschnitte können z. B. mäanderartig ausgebildet oder angeordnet sein. Die oder einzelne Streifenabschnitte können sich abschnittsweise berühren bzw, miteinander kontaktiert sein. Insbesondere ist durch geeignete Anord- nung bzw. Ausbildung entsprechender Streifenabschnitte, d. h, eine entsprechende zweidimensionale Strukturierung der Beschichtung, die Ausbildung einer Brücken- schaitung, insbesondere einer Halb- oder Voilbrückenschaitung, nach Wheatstone (vgl. Wheatstonesche Messbrücke} möglich.
Die Streifenabschnitte einer entsprechenden streifenförmigen Struktur können dabei als Dehnmesstreifen erachtet werden, so dass sich aus einer zweidimensionalen Struktur der Beschichtung die weiter oben erwähnte Ausbildung einer Dehnmessstrei- fenanordnung ergeben kann, Die zweidimensionale Struktur bzw. Strukturierung der Beschichtung kann insbesondere vermittels Laserstrukturierungsmethoden und/oder photolithographischer Strukturierungsmethoden realisiert worden sein.
Die oder einzelne Streifenabschnitte einer entsprechenden streifenförmigen Struktur der Beschichtung können im an einem entsprechenden drehbar gelagerten Baueie- ment drehfest befestigten Zustand des Trägerbauteils zumindest abschnittsweise rela- tiv zu der Dreh- bzw. Symmetrieachse des Bauelements bzw. des Trägerbauteils ge- neigt bzw. schräg verlaufen. Hieraus kann sich ein helix- bzw. schraubenartig gewun- dener Verlauf der Streifenabschnitte ergeben. Der Neigungswinkel der Streifenab- schnitte relativ zu der Dreh« bzw< Symmetrieachse des Bauelements bzw. des Trä- gerbauteils liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 30º und 60º. insbesondere bei 45º.
In freiliegenden Bereichen zwischen jeweiligen Streifenabschnitten kann zumindest abschnittsweise eine die Streifenabschnitte elektrisch kontaktierende elektrisch leitfä- hige, z. B. metallische. Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der Beschich- tung mit einer Auswerteeinrichtung aufgebracht sein. Die elektrische Kontaktierung der Streifenabschnitte mit einer Auswerteeinrichtung ermöglicht eine Auswertung der sich verformungsbedingt ändernden materialspezifischen Kennwerte und so eine Er- fassung von an dem Bauelement anliegenden Lasten bzw. Momenten. Die Auswerte- einrichtung ist entsprechend zur Auswertung einer verformungsbedingten Änderung wenigstens eines matehalspeziflschen Kennwerts des die Beschichtung bildenden Materials ausgebildet. Wie erwähnt können in der Auswerteeinrichtung, weiche z. B. als Auswerteelektronik ausgebildet sein kann oder eine solche umfassen kann, geeig- nete Auswertealgorithmen implementiert sein. Die Auswerteeinrichtung Hann prinzipi- ell an dem Trägerbauteil oder dem Bauelement ausgebildet oder angeordnet sein. Auf der, gegebenenfalls strukturierten, Beschichtung kann, wie im Zusammenhang mit den Erläuterungen zu dem Schichtsystem beschrieben wurde, eine Schuteschicht aufgebracht sein. Es ist also möglich, dass, um die Beschichtung gegenüber äußeren, d. h. 2. B, mechanischen und/oder korrosiven, Einflüssen bzw. Beeinträchtigungen zu schützen, auf der Beschichtung zumindest abschnittsweise eine einen Schutz gegen- über äußeren Einflüssen bzw. Beeinträchtigungen bildende Schutzschicht autgebracht ist. Eine entsprechende Schutzschicht kann im Allgemeinen aus organischem und/oder anorganischem Material gebildet sein oder wenigstens ein solches umfas- sen. Die Schutzschicht kann insbesondere auch als Lack vorliegen. Im Besonderen kann eine entsprechende Schutzschicht z. B. auf, gegebenenfalls wasserstoffhalti- gern, Kohlenstoff oder einer, gegebenenfalls wassersfoffhaltigen, Kohlenstoffverbin- dung, Aluminium oder einer Aluminiumverbindung, Silizium oder einer
Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, gebildet sein. Die Schutzschicht kann vermitteis physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsver- fahren, insbesondere PVD- und/oder CVD-Verfahren, insbesondere PACVD- Verfahren (Rlasma-Assisted-Chemicai-Vapour-Deposition, auf die Beschichtung auf- gebracht worden sein. Sofern die Schutzschicht als Lack ausgebildet ist, kann diese selbstverständlich auch vermitteis Aufsprühens oder Aufstreichens auf die Beschich- tung aufgebracht sein.
Die Gesamtschichtdicke sämtlicher auf das TrSgerbautei! aufgebrachter BeSchichtun- gen bzw, Schichten, d, h, die Gesamtschichtdicke eines entsprechenden Schichtsys- tems, sollte nicht mehr als 100 pm betragen. Die Beschichtung kann dabei eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,01 pm bis 10 pm, insbesondere 0,05 um bis 5 pm, bevorzugt 0,05 pro bis 3 pm, aufweisen, die Isolationsschicht kann eine Schicht- dicke in einem Bereich von 0,01 pm bis 25 pm, insbesondere 0,05 pm bis 5 pm, be- vorzugt 0,05 pm bis 3 pm, die Schutzschicht kann eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,01 pm bis 65 um, insbesondere 0,05 pm bis 50 pm, bevorzugt 0,05 pm bis 5 pm, aufweisen. Selbstverständlich sind in Ausnahmefällen sowohl für die Beschich- tung als auch für die Isolationsschicht bzw. die Schutzschicht Abweichungen der je- weiligen Schichtdicken nach oben bzw. unten denkbar. Die Vorrichtung kann ferner eine mit der Beschichtung kontaktierbare oder kontaktier- te Signalübertragungseinrichtung zur Übertragung von von der Beschichtung oder ei- ner entsprechenden Auswerteeinrichtung ausgehenden elektrischen Signalen an ei- nen Kommunikationspartner umfassen. Über eine entsprechende Signalubertra- gungseinrichtung können sonach entsprechende elektrische Signale an einen Kom- munikationspartner: d. h. z. B. eine der Vorrichtung zu- oder übergeordnete Messein- richtung, übertragen werden. Die Übertragung entsprechender elektrischer Signale kann dabei kontaktfrei, d. h. insbesondere magnetisch bzw. induktiv, oder kontaktge- bunden, d. h. insbesondere vermittels Schleifring, realisiert sein. Eine entsprechende Signalübertragungseinrichtung kann prinzipiell an dem Bauelement, an welchem das Trägerbauteil drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnet oder ausgebildet sein. Ein entsprechender Kommunikationspartner kann dagegen läge- bzw. ortsfest an einem nicht drehbar gelagerten Bauelement angeordnet oder ausgebildet sein.
Überdies kann die Vorrichtung eine mit der Beschichtung kontaktierbare oder kontak- tierte Energieübertragungseinrichtung zur Übertragung von, insbesondere elektri- scher, Energie auf die Beschichtung oder auf eine entsprechende Auswerteeinrich- tung umfassen. Eine entsprechende Energieübertragungseinrichtung ist sonach ei- nerseits mit einer, insbesondere elektrischen, Energiequelle und andererseits mit der Beschichtung oder einer entsprechenden Auswerteinrichtung verbunden, so dass die Beschichtung oder die Auswerteeinrichtung mit, insbesondere elektrischer Energie, versorgbar oder versorgt ist. Die Energieübertragung kann dabei ebenso kontaktfrei, d. h, insbesondere magnetisch bzw. induktiv, oder kontaktgebunden, d, h. insbeson- dere vermittels Schleifring, realisiert sein. Eine entsprechende Energieübertragungs- einrichtung kann prinzipiell an dem Bauelement, an welchem das Tragerbauteil drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnet oder ausgebildet sein.
Eine Anordnung aus einer beschriebenen Vorrichtung, wobei das Trägerbauteil an ei- nem entsprechenden drehbar gelagerten Bauelement drehfest befestigt ist, kann als Anordnung zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement anliegen- den Drehmoments bezeichnet bzw. erachtet werden. Die Erfindung betrifft auch eine solche Anordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer eine Dreh- momenterfassungsanordnung bildenden Beschichtung versehenen Trägerbauteils für eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Anspräche. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Trägerbauteils und Ausbilden einer eine Drehmo- menterfassungsanordnung bildenden Beschickung auf dem Trägerbauteil durch zu- mindest abschnittsweises Aufbringen wenigstens eines unter Verformung wenigstens einen materialspezifiscben Kennwert ändernden verformungssensitiven Materials auf eine freiliegende Oberfläche des Trägerbauteils und/oder auf einer zuvor auf die frei- liegende Oberfläche des Trägerbauteils aufgebrachte Schicht.
Das Aufbringen des verformungssensitiven Materials kann vermittels physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren und/oder CVO-Verfahren erfolgen.
Neben der BeSchichtung können im Rahmen des Verfahrens weiterhin eine im Zu- sammenhang mit der Vorrichtung beschriebene Isolationsschicht und eine Schutz- schicht ausgebildet werden. Verfahrensmäßig wird zunächst die Isolationsschicht auf das Trägerbauteil aufgebracht, was wiederum vermittels physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD« Verfahren und/oder CVD- Verfahren, erfolgen kann, auf die Isolationsschicht die Beschichtung aufgebracht, die- se gegebenenfalls strukturiert, und auf die, gegebenenfalls strukturierte, Beschichtung die Schutzschicht aufgebracht, was ebenso vermittels physikalischer und/oder chemi- scher Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren und/oder CVD- Verfahren, erfolgen kann. Derart lässt sich ein im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenes Schichtsystem ausbilden.
Das Verfahren kann als weiteren Verfahrensschritt ein drehfestes Befestigen des mit einer eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Beschichtung versehenen Trägerbauteils an einem drehbar zu lagernden oder gelagerten Bauelement umfas- sen. Im Zusammenhang mit dem Verfahren gelten sämtliche, insbesondere verfahrensre- levanten, Ausführungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung analog.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines AusfOhrungsbeispieis unter Bezugnah- me auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind Prinzipdarsteiiungen und zeigen in:
Figur 1, 2 je eine Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiei der
Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Ansicht (Seitenansicht) einer Vorrichtung 1 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiei der Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement 2, hier einer zylindrischen Welle, anliegenden Dreh- moments.
Die Vorrichtung 1 umfasst hierfür ein drehfest auf einem entsprechenden Bauelement 2 befestigbares bzw. in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befestigtes Trä~ gerbauteil 3, Das Trägerbauteil 3 weist eine hohlzylindrische und somit hülsenartige geometrische Gestalt auf und kann insofern als Hülsenbauteil bezeichnet bzw, erach- tet werden, in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiei ist im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiei ein Trägerbauteil 3 in Form eines zwischen zwei be- nachbart angeordnete drehbar gelagerte Bauelementsegmente 2a, 2b einsetzbaren oder eingesetzten Einsatzbauteiis gezeigt. Das Einsatzbautei! ist also im Sinne eines Zwischensegments zwischen entsprechende benachbart angeordnete Bauelement- segmente 2a, 2beinsetzbar bzw, eingesetzt und somit zwischen entsprechende Sau- elementsegmente schaitbar bzw. geschaltet. Unter einem wie in Figur 2 gezeigten Einsaizbauteii kann auch ein zwischen zwei Klauenkupplungen als entsprechende drehbar gelagerte Baueiement&egmente 2a, 2b einzusetzendes Zwischenstück zu verstehen sein. Die drehfeste Befestigung des in Figur 1 gezeigten Trägerbauteils 3 an dem Bauele- ment 2 erfolgt durch Aufschieben dieses auf das Bauelement 2 und Ausbilden einer drehfesten Befestigungsart des Trägerbauteils 3 an dem Bauelement 2. Die drehfeste Befestigung kann z. 8. über eine stoffschlüssige Schweißverbindung realisiert sein, d. h. das Trägerbauteil 3 ist über wenigstens einen Schweißbereich 4 an dem Bauele- ment 2 befestigt. Selbstverständlich setzt dies die Ausbildung des Bauelements 2 wie auch des Trägerbauteils 3 aus schweißbaren Materialien voraus; das Bauelement 2 und das Trägerbauteil 3 sind daher z, B. aus schweißbaren Stählen gefertigt. Das Trägerbautei! 3 ist zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer Beschichtung 5 versehen, Die Beschichtung 5 ist vermittels physikalischer und/oder chemischer Ab- scheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren (Physical-Vapour-Deposition) und/oder CVD-Verfahren (Chemical-Vapour-Deposition), auf dem Trägerbauteil 3 oder einer auf dem Trägerbautei! 3 zuvor aufgebrachten Schicht, d. h. insbesondere einer Isolationsschicht, aufgebracht.
Die Beschichtung 5 ist aus wenigstens einem unter Verformung wenigstens einen ma- terialspezifischen Kennwert, wie z. B. den elektrischen Widerstand, ändernden ver- formungssensitiven Material, wie z. B. einer Metalllegierung, insbesondere einer Ni~ ckel~Chrom-Legierung; gebildet. Die Beschichtung 5 bildet eine Drehmomenterfas- sungsanordnung. Gleichermaßen wäre es denkbar« die Beschichtung 5 aus einem halbierenden Material, d. h. z. B. A^Gas-sAs, auszubilden.
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung 1 beruht darauf, dass betriebsbedingte, d. h. last- bzw. momentbedingte, Verformungen des Bauelements 2 auf das drehfest an diesem befestigte Trägerbauteil 3 und weiter auf die auf diesem aufgebrachte Be- schichtung 5 übertragen werden. In einem verformten Zustand, d. h. in Abhängigkeit einer gegebenen Verformung, bei weicher es sich z. 8. um eine Dehnung bzw. Stre- ckung oder um eine Stauchung handeln kann, ändert sich wenigstens ein material- spezifischer Kennwert, wie z, B der elektrische Widerstand, im Vergleich zu einem nicht verformten Zustand. Die Änderung materialspezifischer Kennwerte begründet sich insbesondere durch verformungsbedingte Geometrieänderungen der Beschich- tung 5 und, insbesondere bei halbleitenden Materialien, piezoresistive Effekte. Aus er- fassten relativen Änderungen materialspezifischer Kennwerte lassen sich vermittels geeigneter Auswertealgorithmen, typischerweise implementiert in einer der Vorrich- tung 1 zugehörigen oder zugeordneten Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt), Rück- schlüsse auf an dem Bauelement 2 anliegende Lasten bzw. Momente ziehen.
Die BeSchichtung 5 ist vorzugsweise auf einer zumindest abschnittsweise auf dem Trägerbauteil 3 aufgebrachten elektrisch isolierend ausgebildeten Isolationsschicht (nicht gezeigt) aufgebracht. Eine entsprechende Isolationsschicht dient insbesondere der Ausbildung einer elektrischen Isolierung zwischen der typischerweise elektrisch leitfähig ausgebildeten BeSchichtung 5 und dem Trägerbauteil 3. Die Isolationsschicht ist entsprechend aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z, B. Aluminiumoxid, gebildet oder umfasst wenigstens ein solches.
Um die Beschickung 5 gegenüber äußeren, d. h. z. 8. mechanischen und/oder korro« siven. Einflüssen bzw. Beeintrichtigungen zu schützen, kann auf der Beschickung 5 zumindest abschnittsweise eine einen Schutz gegenüber äußeren Einflüssen bzw. Beeinträchtigungen bildende Schutzschicht aufgebracht sein. Eine entsprechende Schutzschicht kann im Allgemeinen aus organischem und/oder anorganischem Mate- rial gebildet sein oder wenigstens ein solches umfassen. Im Besonderen kann eine entsprechende Schutzschicht z. 8. auf, gegebenenfalls wasserstoffhaltigem , Kohlen- stoff oder einer : gegebenenfalls wasserstoffhaltigen, Kohlenstoffverbindung gebildet sein.
Die Isolationsschicht, die Beschichtung 5 und die Schutzschicht können als ein Schichtsystem bezeichnet bzw. erachtet werden.
Die Gesamtschichtdicke sämtlicher auf das Trägerbauteil 3 aufgebrachter Beschich- tungen 5 bzw. Schichten, d. h. die Gesamtschichtdicke eines entsprechenden
Schichtsystems, sollte nicht mehr als 100 um betragen. Die Beschichtung 5 kann da- bei eine Schichtdicke in einem Bereich von ö\Q1 pm bis 10 pm, insbesondere 0,05 pro bis 5 pm, bevorzugt 0,05 pm bis 3 pm, aufweisen, die Isolationsschicht kann eine Schichtdicke in einem Bereich von 0,01 pm bis 25 pm, insbesondere 0,05 pm bis 5 pm, bevorzugt 0,05 pm bis 3 pm, die Schutzschicht kann eine Schichtdicke in einem Bereich von 0.01 um bis 85 um, insbesondere 0.05 pm bis 50 pm, bevorzugt 0,05 pm bis 5 prn, aufweisen,
Die Beschichtung 5 weist eine zweidimensionale, insbesondere streifenförmige. Struk- tur auf, Die Beschichtung 5 liegt sonach zweidimensional strukturiert in mehreren Streifenabschnrtten Sa vor. Die oder einzelne Strerfenabschnitte 5a können 2. B, mä- anderartig ausgebildet oder angeordnet sein. Die oder einzelne Streifenabschnitte 5a können sich abschnittsweise berühren bzw. miteinander kontaktiert sein. Durch ge- eignete Anordnung bzw. Ausbildung entsprechender Strerfenabschnitte 5a, d. h. eine entsprechende zweidimensionale Strukturierung der Beschichtung 5, ist die Ausbil- dung einer Bruckenschaltung: insbesondere einer Halb- oder Vol!bruckenschaltung, nach Wheatstone (vgl. Wheatstonesche Messbrücke} möglich.
Die Streifenabschnitte 5a können dabei als Dehnmesstreifen erachtet werden, so dass sich aus einer zweidimensionalen Struktur der Beschichtung 5 die Ausbildung einer Dehnmessstreifenanordnung ergibt Die zweidimensionale Struktur bzw. Struktu- rierung der Beschichtung 5 kann z. B. vermittels Laserstrukturierungsmethoden und/oder photolithographischer Strukturierungsmethoden realisiert worden sein.
Wie sich insbesondere aus Figur 2 ergibt, verlaufen die Streifenabschnitte 5a im an dem drehbar gelagerten Bauelement 2 drehfest befestigten Zustand des Trägerbau- teils 3 relativ zu der Dreh- bzw. Symmetrieachse des Bauelements 2 bzw. des Trä- gerbauteils 3 geneigt bzw. schräg. Der Neigungswinkel der Strerfenabschnftte 5a rela- tiv zu der Dreh- bzw. Symmetrieachse des Bauelements 2 bzw. des Trägerbauteils 3 liegt in den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen bei ca. 45*.
In freiliegenden Bereichen zwischen jeweiligen Streifenabschnrtten 5a ist zumindest abschnittsweise eine die Streifenabschnitte 5a elektrisch kontaktierende elektrisch lest- fähige, z. 8, metallische, Kontaktschicht (nicht gezeigt) zur elektrischen Kontaktierung der Beschichtung 5 mit einer Auswerteeinrichtung aufgebracht sein. Die elektrische Kontaktierung der Streifenabschnitte 5a mit der Auswerteeinrichtung ermöglicht eine Auswertung der sich verformungsbedingt änämtvden materialspezifischen Kennwerte und so eine Erfassung von an dem Bauelement 2 anliegenden Lasten bzw. Momen- ten. Die Auswerieeinrichtung kann prinzipiell an dem Trägerbauteil 3 oder dem Bau- element 3 ausgebildet oder angeordnet sein.
Die Vorrichtung 1 kann ferner eine mit der Beschichtung 5 korrtaktierbare oder kontak- tterte Signalübertragungseinrichtung umfassen, welche der Übertragung von von der BeSchichtung 5 oder einer entsprechenden Auswerteeinrichtung ausgehenden elektri- schen Signalen an einen Kommunikationspartner dient. Ober die Signalübertragungs- einrichtung können sonach entsprechende elektrische Signale an einen Kommunikati- onspartner: d. h. z. 8. eine der Vorrichtung 1 zu- oder übergeordnete Messeinrichtung, übertragen werden. Die Übertragung entsprechender elektrischer Signale kann dabei kontaktfrei, d. h. insbesondere magnetisch bzw. induktiv, oder kontaktgebunden, d. h. insbesondere vermittels Schleifring, realisiert sein. Die Signaiübertragungseinrichtung kann prinzipiell an dem Bauelement 2. an welchem das Trägerbauteil 3 drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnet oder ausgebildet sein. Ein entsprechender Kommunikationspartner kann dagegen läge- bzw. ortsfest an einem nicht drehbar ge- lagerten Bauelement angeordnet oder ausgebildet sein.
Überdies kann die Vorrichtung 1 eine mit der Beschickung 5 kontaktierbare oder kon- taktierte Energieubertragungseinhchtung (nicht gezeigt) umfassen, welche der Über- tragung von, insbesondere elektrischer, Energie auf die Beschichtung 5 oder auf eine entsprechende Auswerteeinrichtung dient. Die Energieübertragungseinrichtung ist so- nach einerseits mit einer, insbesondere elektrischen, Energiequelle und andererseits mit der Beschichtung 5 oder der Auswerteinrichtung verbunden, so dass die Beschich- tung 5 oder die Auswerteeinrichtung mit, insbesondere elektrischer Energie.
versorgbar oder versorgt ist. Die Energieübertragung kann dabei ebenso kontaktfrei, d. h. insbesondere magnetisch bzw. induktiv, oder kontaktgebunden, d. h. insbeson- dere vermittels Schleifring, realisiert sein, Die Energieübertragungseinrichtung kann prinzipiell an dem Bauelement 2, an welchem das Trägerbauteil 3 drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnet oder ausgebildet sein.
Das in den in den Figuren gezeigte Trägerbauteil 3 lässt sich über ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Be- schichtung 5 versehenen Trägerbauteils hersteilen. Das Verfahren umfasst die Schrit- te: Bereitstellen eines Trägerbauteils 3 und Ausbilden einer eine Drehmomenterfas- sungsanordnung bildenden Beschichtung 5 auf dem Trägerbauteil 5 durch zumindest abschnittsweises Aulfehngen wenigstens eines unter Verformung wenigstens einen materialspezifischen Kennwert ändernden verformungssensitiven Materials auf eine freiliegende Oberfläche des Trägerbauteils 5 und/oder auf einer zuvor auf die freilie- gende Oberfläche des Trägerbauteils 5 aufgebrachte Schicht, insbesondere eine Iso- lationsschicht.
Das Aufbringen des verformungssensitiven Materials kann vermittels physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren und/oder CVD-Verfahren erfolgen.
Neben der Beschichtung können im Rahmen des Verfahrens weiterhin eine im Zu- sammenhang mit der Vorrichtung 1 beschnebene Isolationsschicht und eine Schutz- Schicht ausgebildet werden. Verfahrensmäßig wird zunächst die Isolationsschicht auf das Trägerbauteil 3 aufgebracht, was wiederum vermitteis physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren und/oder CVD- Verfahren, erfolgen kann. Auf die Isolationsschicht wird die Beschichtung 5 aufge- bracht, diese gegebenenfalls strukturiert, und auf die, gegebenenfalls strukturierte, Beschichtung 5 die Schutzschicht aufgebracht, was ebenso vermittels physikalischer und/oder chemischer Abscheidungsverfahren, vorzugsweise PVD- Verfahren und/oder CVD-Verfahren. erfolgen kann.
Das Verfahren kann als weiteren Verfahrensschritt ein drehfestes Befestigen des mit einer eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Beschichtung 5 versehenen Trägerbauteils 3 an einem drehbar zu lagernden oder gelagerten Bauelement 2 um- fassen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Bauelement
2a Bauelementsegment
2b Baueiementsegment
3 Tragerbauteii
4 Schwei&bereich
5 Beschichtung
5a Streifenabschnitt

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1) zur Erfassung eines an einem drehbar gelagerten Bauelement (2) anliegenden Drehmoments« gekennzeichnet durch wenigstens ein an an einem drehbar gelagerten Bauelement {2) drehtest befestigbares oder befestig- tes Trägerbauteil (3), wobei das Trägerbauteil (3) zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer aus wenigstens einem unter Verformung wenigstens ei- nen materiaispezrfischen Kennwert ändernden verformungssensitiven Material gebildeten oder wenigstens ein solches umfassenden, eine Drehmomenterfas- sungsanordnung b n Beschickung (5) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragerbau- fei! (3) ein auf das oder ein drehbar gelagertes Bauelement (2) aufschiebbares oder aufgeschobenes Hülsenbauteil oder ein zwischen zwei benachbart ange- ordnete drehbar gelagerte Bauelementsegmente (2a ,2b) einsetzbares oder eingesetztes Einsatzbauteii ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Tra- gerbauteil (3) vermittels einer stoffschlüssigen Befestigungsart drehfest an dem an dem oder einem drehbar gelagerten Bauelement (2) befestigbar oder befes- tigt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn« zeichnet dass das die eine Drehmomenterfassungsanordnung bildende Be- schichtung (5) bildende Material ein Metall ist oder wenigstens ein Metall oder ein Halbleiter ist oder wenigstens einen Halbleiter umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn« zeichnet: dass die eine Drehmomenterfassungsanordnung bildende Beschich- tung (5) zumindest abschnittsweise auf einer zumindest abschnittsweise auf dem Trägerbauteil (3) aufgebrachten elektrisch isolierend ausgebildeten Isoiati- onsschicht aufgebracht ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet: dass auf der eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Be- schichtung (5) zumindest abschnittsweise eine einen Schutz gegenüber äuße- ren Einflüssen bildende Schutzschicht aufgebracht ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die eine Drehmomenterfassungsanordnung bildende Beschich- tung (5) eine zweidimensionale, insbesondere streifenförmige, Struktur auf- weist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass in freiliegenden Bereichen zwischen jeweiligen Streifenabschnitten (5a) zumindest abschnitts- weise eine die Streifenabschnitte (Sa) kontaktierende elektrisch leitfähige Kon- taktschicht zur elektrischen Kontaktierung der eine eine Drehmomertterfas- sungsanordnung bildenden BeSchichtung (5) mit einer Auswerteeinrichtung aufgebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine mit der eine Orehmomenterfassungsanordnung bildenden Be- Schichtung (5) kontaktierbare oder kontaktierte, insbesondere an an dem dreh- bar gelagerten Bauelement (2), an welchem das Trägerbauteil (3) drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnete oder ausgebildete Signalübertra- gungseinrichtung zur Übertragung von von der eine Drehmomenterfassungs- anordnung bildenden Beschichtung (5) oder der oder einer Auswerteeinrichtung ausgehenden elektrischen Signalen an einen Kommunikationspartner.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine mit der eine Drehmomenterfassungsanordnung bildenden Be- schichtung (5) kontaktierbare oder kontaktierte, insbesondere an an dem dreh- bar gelagerten Bauelement (2), an weichem das Trägerbautei! (3) drehfest befestigbar oder befestigt ist, angeordnete oder ausgebildete Energieübertra- gungseinrichtung zur Übertragung von, insbesondere elektrischer, Energie auf die eine Drehmomenterfassungsanordnung bildende Beschichtung (5) oder auf die oder eine Auswerteeinrichtung .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016218841A1 (de) 2016-09-29 2018-03-29 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Getriebe mit Drehmomentenmessvorrichtung
WO2018059622A1 (de) 2016-09-29 2018-04-05 Schaeffler Technologies AG & Co. KG GETRIEBE MIT DREHMOMENTENMESSVORRICHTUNG UND RADIAL ÄUßERER AUSWERTEELEKTRONIKEINHEIT

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10213266B2 (en) 2014-02-07 2019-02-26 Covidien Lp Robotic surgical assemblies and adapter assemblies thereof
CA3027530A1 (en) * 2018-02-02 2019-08-02 Covidien Lp Robotic surgical assemblies and adapter assemblies thereof
DE102019112146B3 (de) 2019-05-09 2020-09-10 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments und Spannungswellengetriebe mit dieser Vorrichtung
DE102020118625A1 (de) 2020-07-15 2022-01-20 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Sensoranordnung zum Messen eines Drehmoments, rotierbares Maschinenelement mit einer solchen Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung
DE102020120113A1 (de) 2020-07-30 2021-07-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Präzisionsbauteil und Verfahren zur Aufbringung eines Sensorelements auf ein Präzisionsbauteil

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012208492A1 (de) * 2012-05-22 2013-11-28 Continental Teves Ag & Co. Ohg Dehnmessstreifenanordnung
DE102013202383A1 (de) * 2013-02-14 2014-08-14 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Drehmomentmessvorrichtung

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013209262A1 (de) * 2013-05-17 2014-11-20 Robert Bosch Gmbh Motorisch und mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug mit verbessertem Drehmomentsensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012208492A1 (de) * 2012-05-22 2013-11-28 Continental Teves Ag & Co. Ohg Dehnmessstreifenanordnung
DE102013202383A1 (de) * 2013-02-14 2014-08-14 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Drehmomentmessvorrichtung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016218841A1 (de) 2016-09-29 2018-03-29 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Getriebe mit Drehmomentenmessvorrichtung
WO2018059622A1 (de) 2016-09-29 2018-04-05 Schaeffler Technologies AG & Co. KG GETRIEBE MIT DREHMOMENTENMESSVORRICHTUNG UND RADIAL ÄUßERER AUSWERTEELEKTRONIKEINHEIT
WO2018059618A1 (de) 2016-09-29 2018-04-05 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Getriebe mit drehmomentenmessvorrichtung
US11079015B2 (en) 2016-09-29 2021-08-03 Schaeffler Technologies Ag & Co Kg Transmission having torque measurement device
DE112017004883B4 (de) 2016-09-29 2022-10-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Getriebe mit Drehmomentenmessvorrichtung

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