WO2017118450A1 - Verfahren zum bereitstellen einer anordnung zum messen einer kraft oder eines momentes - Google Patents

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WO2017118450A1
WO2017118450A1 PCT/DE2016/200526 DE2016200526W WO2017118450A1 WO 2017118450 A1 WO2017118450 A1 WO 2017118450A1 DE 2016200526 W DE2016200526 W DE 2016200526W WO 2017118450 A1 WO2017118450 A1 WO 2017118450A1
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opening
conductor
machine element
axis
openings
Prior art date
Application number
PCT/DE2016/200526
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
Jan Matysik
Christian Mock
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2017118450A1 publication Critical patent/WO2017118450A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G01L3/103—Details about the magnetic material used

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing an arrangement for measuring a force and / or moment.
  • the measurement of force and / or torque made possible by the arrangement provided relies on the inverse magnetostrictive effect.
  • EP 2 365 927 B1 shows a bottom bracket with two cranks and with one
  • Chainring carrier which is connected to a shaft of the bottom bracket.
  • Sprocket carrier is rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is rotatably connected to the shaft.
  • the sprocket shaft has a section on a magnetization.
  • Magnetization detected at a present in the range of the magnetization torque is Magnetization detected at a present in the range of the magnetization torque.
  • US 6,490,934 B2 teaches a magnetoeiastic torque sensor for measuring a torque, which refers to an element with a
  • ferromagnetic, magnetostrictive and magnetoelastically active region acts. This area is formed in a transducer, which sits as a cylindrical sleeve, for example on a shaft. The torque sensor faces the transducer.
  • Magnetoelastic transducer comprises, which has a circumferential magnetization.
  • a shaft can be set in rotation so that a tangential magnetic field is generated in the shaft by a permanent magnet or by a coil.
  • the measuring wall in the form of a ring can also be polarized in that an electrical conductor is threaded through the shaft or through the ring and energized, wherein the ring can be partially submerged in an electrically conductive liquid.
  • WO 2015/039651 A1 shows an arrangement for measuring a normal force or a bending moment on a machine element, in which a sensor region is limited by a shaping for converting the normal force or the bending moment into a shearing force. This shape may have the form of a depression, a groove or a hole.
  • DE 19821 381 A1 describes a device for detecting torques on a torsionally loaded shaft, in which the shaft is structured; for example, by running on their surface depressions.
  • the shaft is at least partially in a magnetic field whose field lines are parallel to the shaft.
  • DE 102007 017705 A1 describes a shaft arrangement with a rolling bearing which includes a torsion sensor.
  • a permanent magnetic magnetostrictive ring is firmly connected to the shaft.
  • At least one magnetic field sensor is attached to a sensor carrier connected to a stationary outer ring.
  • Magnetization of the ring to be permanently magnetized can be achieved by means of an electrical current flowing through the ring.
  • WO 2015/103267 A1 teaches a loaded with tensile and compressive forces plate having a circular magnetization. This magnetization is generated by rotating the disk and placing a permanent magnet near the disk. The load on the plate is determined by magnetic field sensors oriented at 45 ° to the direction of the force.
  • From DE 10 2012 004 105 A1 is a device for non-contact
  • Magnetizing a hollow shaft known which comprises an inner conductor, an outer conductor and a magnetic shield. If a current flows through the conductors, a circulating magnetization is effected.
  • the patent application DE 10 2014219 336.2 shows an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis, which is circumferentially one has around the axis extending magnetization region.
  • the arrangement further comprises two magnetic field sensors for measuring different
  • Permanent magnetization has, extending along a closed
  • Magnetization path extends.
  • the object of the present invention is to provide a method for
  • the method according to the invention serves to provide an arrangement which serves for measuring a force and / or a moment.
  • the force or the moment acts on a machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the machine element forms an integral part of the arrangement to be provided.
  • the method according to the invention serves in a broader sense for configuring and / or producing the arrangement to be provided.
  • a machine element is provided, which will be loaded in the arrangement to be provided by the force to be measured or by the moment to be measured.
  • Machine element will primarily serve to transmit the at least one force and / or the at least one moment.
  • the machine element extends in an axis, wherein the axis preferably also forms an axis of rotation and / or an axis of symmetry of the machine element. In any case, the axis of the Machine element a dominant extension direction of the
  • Machine element which is also a longitudinal direction or a length of
  • Machine element represents.
  • the machine element to be provided has at least one opening, which represents a recess or a hole in the machine element.
  • the opening is preferably continuous, so that it enters at one point of the machine element and exits at another point of the machine element again.
  • the opening is at least inclined relative to the axis, d. h., That the opening with respect to the axis is inclined or is arranged perpendicular to the axis. Thus, the opening extends in a direction which is at least inclined with respect to the axis.
  • the step of providing the machine element preferably comprises a sub-step in which the described opening is introduced into the machine element.
  • at least one electrical conductor is passed through the at least one opening. Subsequently, at least one section of the at least one conductor is located in the one opening or at least one is located in each of the plurality of openings
  • Section of the at least one conductor In principle, it is also possible to use a plurality of the electrical conductors, wherein in each case only one of the conductors is passed through the openings or wherein several of the conductors are led through the at least one opening.
  • the at least one electrical conductor is energized.
  • an electrical voltage is applied to the conductor, so that a current flows through the conductor.
  • the current flows at least in those sections of the conductor which are located in the at least one opening.
  • the electric current causes an electromagnetic field, which is training around the ladder. This electromagnetic field magnetizes the machine element in an area around the at least one opening. This magnetization results in permanent magnetization in the machine element that extends along a closed magnetizing path around the one or more openings.
  • the resulting permanent magnetization has an orientation which varies with respect to the axis along the magnetization path.
  • the orientation of the magnetization path changes along its extent with respect to the axis.
  • Permanent magnetization is thus not generally axial, not generally inclined to the axis or not generally circumferentially aligned.
  • Permanent magnetization has entiang their extent different
  • the closed magnetizing path may extend completely on the surface in a peripheral portion of the machine element. By changing the orientation, the magnetization path within the peripheral portion may be closed.
  • the magnetization path is not completely along a circumference of the machine element, for which he would not have to change its orientation relative to the axis. Due to the freely selectable orientation of the magnetization path, arbitrary shapes can be arranged within the magnetization path
  • Machine element can be selected as long as the magnetization path is closed.
  • the magnetization path over a circumference of
  • the permanent magnetization is preferably formed by a magnetized three-dimensional portion of the volume of the machine element, which has the form of a closed cable, wherein the magnetization path represents a central axis of the cable.
  • the magnetization path is preferably formed by a closed in space three-dimensional curve. This curve runs in the machine element, in particular by the material of the machine element. The curve can in principle run arbitrarily, in particular the curve can also run irregularly.
  • the magnetization path or the three-dimensional curve is preferably axisymmetric. The magnetization path or the three-dimensional curve thus preferably has at least one axis of symmetry.
  • the axis of the Masch inenides is preferably outside of the closed
  • Magnetization path or arranged outside the closed curve.
  • the magnetization path can not be along a circumference of the
  • Machine element to be closed The shape of the magnetization path is determined in particular by the cross section of the one or more openings and by the strength of the current flowing in the conductor.
  • the permanently magnetized machine element forms a component of the arrangement to be provided for measuring the at least one acting force or of the at least one acting moment. This measurement is based on the inverse magnetostrictive effect. Thus, there is a secondary function of
  • Machine element in that there is a primary sensor within the arrangement for measuring the at least one acting force or the at least one
  • the machine element consists of a magnetostrictive material at least in a region of the permanent magnetization. Due to the permanent magnetization as well as by the force or by the moment a measurable by means of the arrangement magnetic field be evoked.
  • the trained permanent magnetization is in an unloaded by a force or from a moment state of the machine element to the outside
  • Machine element preferably magnetically neutral, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization range is measurable.
  • At least one magnetic field sensor is compared with the permanent magnetization of the
  • Machine element arranged.
  • the force acting on the machine element and / or the moment acting on the machine element can be measured with the at least one magnetic field sensor.
  • the at least one magnetic field sensor forms a secondary sensor for determining the force or the moment.
  • the primary sensor ie the at least one permanent magnetization serves to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding one Magnetic field, while the secondary sensor allows the conversion of this magnetic field into electrical signals which is at least one magnetic field sensor
  • a particular advantage of the method according to the invention is that it is a low-cost training over a closed
  • Magnetization path extending permanent magnetization in the machine element allows to provide the arrangement for measuring the force acting on the machine element or the force acting on the machine element torque.
  • the machine element consists of a ferromagnetic and magnetostrictive material at least in an area around the one or more openings.
  • the material of the machine element preferably comprises iron.
  • the material of the machine element is preferably formed by a steel.
  • the machine element preferably has the outer basic shape of a prism, a cylinder or a cone, wherein the prism, the cylinder or the cone is arranged coaxially to the axis.
  • the prism, the cylinder or the cone is preferably straight.
  • the prism can be an elongated cuboid formed, for example, by a strip.
  • the prism can also have a polygonal base. The polygonal base can be regular so that the prism is close to the cylinder.
  • the cone can also be dull.
  • the central axis of the cylinder or the cone also represents the axis of the
  • the machine element according to the invention is preferably rotationally symmetrical, with its axis also forming an axis of symmetry at the same time.
  • the machine element has the outer basic shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is conical.
  • the machine element is preferably hollow, for which it has an at least partially extending in the axis cavity.
  • the cavity is formed in particular in the region of the axis. Preferably, the cavity extends over more than half the axial length of the machine element.
  • the cavity is preferably open at one axial end of the machine element. It preferably has the shape of a cylinder.
  • the machine element can also be formed without a cavity.
  • the hollow machine element represents a wall which encloses the cavity and the axis.
  • the at least one opening is formed in the wall and connects the cavity to an area outside the hollow
  • the hollow machine element preferably has the shape of a hollow cylinder, a hollow prism or a hollow cone.
  • the hollow machine element in the preferred form of the hollow cylinder is preferably formed by a sleeve.
  • the at least one opening is in
  • Sleeve casing or formed in a hollow cylinder jacket Sleeve casing or formed in a hollow cylinder jacket.
  • the machine element is preferably by a partially hohie wave, by a hollow shaft, by an at least partially hollow shift fork or by a
  • the shift fork or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and, for example, a component of a
  • Machine element types may be formed.
  • the at least one opening in the machine element preferably has one
  • the cross section is circular.
  • the conductor preferably has a cross section which is adapted to the cross section of the opening, so that the cross section of the conductor and the cross section of the opening are the same in their geometric shapes and only slightly different in size. Alternatively, this adaptation is achieved in that a plurality of sections of the one or more conductors are passed through the opening so that they are distributed uniformly in the cross section of the opening.
  • the at least one opening in the machine element has in its cross section a diameter which is preferably between 10% and 50% of the maximum radial extent of the machine element.
  • the one or more openings preferably each extend straight in the direction of their extension.
  • the at least one opening is preferably not formed arcuate or angled.
  • the at least one opening extends perpendicular to the axis of the machine element.
  • the one opening extends or extend the plurality of openings in each case in the radial direction.
  • the one or more openings preferably each have the shape of a straight cylinder. These are preferably holes.
  • the conductor is guided in a first section in the radial direction through the one opening or through one of the openings and is guided in a second section in the axial direction within the cavity.
  • the conductor In the second section, the conductor is preferably guided along the axis. Between the first section and the second section, the conductor is guided at a right angle. In the second
  • the conductor is preferably within a shielding sleeve for
  • the shielding sleeve is located in the cavity of the machine element and is preferably coaxial with
  • Machine element arranged.
  • the conductor is felt in the radial direction through two of the openings.
  • the two openings are arranged opposite each other with respect to the axis, so that a straight line connecting the two openings intersects the axis.
  • the straight line connecting the two openings preferably intersects the axis at a right angle. The conductor is thus guided straight through the two openings and through the cavity and thus straight and diametrically through the entire machine element.
  • the conductor is guided in a first section in the radial direction through a first of the openings in the cavity to the axis.
  • a second section starting at the axis, the conductor is guided in the radial direction out of the cavity through a second of the openings to the outside of the machine element.
  • the first opening and the second opening have a center angle of 90 ° with respect to the axis.
  • the first opening and the second opening preferably have a same position with respect to the axis, i. H. a same axial position.
  • the conductor is guided at a right angle. In this preferred
  • the conductor is preferably also passed through a third and a fourth of the openings.
  • the conductor is in a third section in radial
  • the third opening and the fourth opening have a center angle of 90 ° with respect to the axis.
  • the first opening and the third opening lie on a straight line which intersects the axis.
  • the straight line connecting the first opening and the third opening preferably cuts the axis at a right angle.
  • the first opening, the second opening, the third opening and the fourth opening preferably have an identical position relative to the axis, ie a same axial position.
  • the conductor may also be formed by a plurality of conductors such that, for example, a first one of the plurality of conductors is passed through the first and second openings and a second of the plurality of conductors is passed through the third and fourth openings.
  • the conductor is guided in a first section in the radial direction through a first of the openings into the cavity.
  • the conductor is guided in a second section in the cavity in the axial direction.
  • the conductor is guided in a third section in the radial direction through a second of the openings out of the cavity.
  • the two openings are preferably axially spaced and preferably have a same position in the radial and tangential directions.
  • the conductor is preferably guided within a shielding sleeve for shielding the electromagnetic field.
  • the shielding sleeve is located in
  • Cavity of the machine element and is preferably in the axial direction
  • Machine element is performed are in the same way also feasible if the machine element is not hollow.
  • the directions indicated, namely the axial direction, the tangential direction and the radial direction are basically related to the axis of the machine element.
  • the conductor is preferably guided exactly one time through the one opening or through the plurality of openings.
  • the at least one conductor is preferably guided straight through the one opening or through the plurality of openings.
  • the at least one conductor extends in those of its sections in which it is passed through the one or more openings, preferably in the direction of the respective opening.
  • the conductor is in each case guided centrally through the one opening or through the plurality of openings.
  • the conductor is guided at a distance to an inner wall of the at least one opening, so that it does not touch the machine element.
  • the at least one conductor preferably has a circular, elliptical or rectangular cross-section. Particularly preferably, the conductor has a
  • the conductor is preferably made of copper, aluminum or steel.
  • the at least one conductor is supplied with a direct current or with a pulsed current. Basically, AC is also applicable.
  • the conductor thus does not form a component of the arrangement for measuring the force or the moment.
  • the one or more openings are closed after the removal of the conductor, since the one or more openings for the primary and secondary function of the machine element are not needed.
  • Closing the at least one opening also protects the cavity from external influences.
  • the at least one magnetic field sensor is preferably in each case by a Förstersonde, by a fluxgate magnetometer, by a Hall sensor, by a coil or formed by a semiconductor sensor.
  • a Förstersonde by a fluxgate magnetometer, by a Hall sensor, by a coil or formed by a semiconductor sensor.
  • another type of sensor can be used insofar as it is suitable for measuring the magnetic field caused by the inverse-magnetostrictive effect.
  • FIG. 1 shows a machine element and a conductor for carrying out a first preferred embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 2 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • Fig. 3 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • Fig. 4 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • Fig. 5 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • Fig. 6 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • Fig. 7 shows the machine element and the conductor in a modified form for
  • FIG. 1 shows a machine element 01 and an electrical conductor 02 in a front view and in a sectional view. The arrangement shown of
  • Machine element 01 and the conductor 02 serves to carry out a first preferred embodiment of a method according to the invention.
  • the machine element 01 is provided, which in this embodiment takes the form of an axis 03 extending in an axis
  • the machine element has a
  • opening 04 which in this embodiment has a circular cross-section and is oriented perpendicular to the axis 03.
  • the conductor 02 is straight and coaxially passed through the opening 04.
  • a step of the method according to the invention is shown, in which the conductor 02 is supplied with current i, so that an electromagnetic field is created around the conductor 02, which effects a permanent magnetization 06 in the machine element, which extends closed around the opening 04.
  • Fig. 2 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 1 modified second preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 1 modified third preferred embodiment of the invention
  • the machine element 01 in this embodiment has the shape of a hollow cylinder and is shown in a front view and in a sectional view.
  • the opening 04 is in the lateral surface of the hohizylinderförmigen
  • Machine element 01 is formed and extends perpendicular to the axis 03 into an inner cavity 07 of the hohizylinderförmigen machine element 01.
  • a first section 08 the conductor 02 is guided straight and coaxial through the opening 04, so that it is perpendicular to the axis 03 and into the cavity 07 is guided to the axis 03.
  • a second section 09 connects, in which the conductor 02 in the axis 03 extends and finally leaves the cavity 07 of the hohizylindharilindharide Maschinenseiniementes 01 in the axis 03.
  • the conductor 02 is at 90 °
  • Fig. 4 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 3 modified fourth preferred embodiment of the invention
  • Shielding sleeve 11 which is also located in the axis 03 and the conductor 02 in the second section 09 coaxially encloses.
  • the electromagnetic field occurring in the second section 09 of the conductor 02 does not lead to a magnetization of the machine element 01.
  • Fig. 5 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 3 modified fifth preferred embodiment of the invention
  • Machine element 01 two of the openings 04, which are located on opposite sides of the axis 03 (shown in Fig. 3) and have a same axial position. Therefore, the conductor 02 is completely straight through the entire
  • Machine element 01, d. H. passed through the two openings 04 and the cavity 07, wherein it intersects the axis 03 (shown in Fig. 3) at a right angle. Therefore, the conductor 02 passes through the machine element 01 diametrically in the radial direction. There may also be other of the opposing openings (not shown) at an axial distance from the first two
  • opposing openings 04 may be formed, which in relation to the first two opposing openings 04 with respect to the axis 03 (shown in Fig. 3) are respectively rotated.
  • Fig. 6 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 5 modified sixth preferred embodiment of the invention
  • Machine element 01 four of the openings 04, which are uniformly distributed around the axis 03 (shown in Fig. 3) around and have a same axial position.
  • the conductor 02 is passed twice through the machine element 01 and its cavity 07.
  • a first section 08 the conductor 02 becomes straight and coaxial passed through the first of the four openings 04, so that it is guided perpendicular to the axis 03 (shown in FIG. 3) and into the cavity 07 to the axis 03.
  • On the axis 03 (shown in Fig. 3) begins a second section 09, in which the conductor 02 is led out perpendicular to the axis 03 from the cavity 07 by being guided straight and coaxial through the second of the four openings 04.
  • the conductor 02 is guided straight and coaxial through the third of the four openings 04 so that it is guided perpendicular to the axis 03 (shown in FIG. 3) and into the cavity 07 to the axis 03.
  • the conductor 02 is led out perpendicular to the axis 03 from the cavity 07 by being guided straight and coaxial through the fourth of the four openings 04.
  • the current I for energizing the conductor 02 flows in each case into the first opening 04 and into the third opening 04.
  • the direction of the current I is provided between each two adjacent of the openings 04 the direction of the current I.
  • two electrical conductors can be used, the first of the two conductors through the first of the four openings 04 and through the second of the four openings 04 is passed while the second of the two conductors is passed through the third of the four openings 04 and through the fourth of the four openings 04.
  • These two conductors can be connected in series or in parallel.
  • Fig. 7 illustrates a comparison with the embodiment shown in Fig. 1 modified seventh preferred embodiment of the invention
  • the machine element 01 in the form of a strip in this embodiment, two of the openings 04 and is shown in a view from the front and in a sectional view.
  • the two openings 04 are axially spaced.
  • a first section 08 the conductor 02 is guided straight and coaxial through the first of the two openings 04 so that it runs perpendicular to the axis 03 and reaches an opposite side of the machine element 01.
  • a second section 09 in which the conductor 02 runs parallel to the axis 03.
  • the conductor is angled at 90 °.
  • a third section 12 in which the conductor 02 is guided straight and coaxial through the second of the two openings 04 so that it runs perpendicular to the axis 03 and back to the original of the conductor 02 passed side of the machine ineinimplantations 01 changes.
  • the conductor 02 can be passed through a shielding sleeve 11 (shown in FIG. 4).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die mit der bereitgestellten Anordnung ermöglichte Messung der Kraft und/oder des Momentes beruht auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. In einem Schritt des Verfahfens wird ein sich in einer Achse (03) erstreckendes Maschinenelement (01) bereitgestellt, welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist. In einem weiteren Schritt wird mindestens ein elektrischer Leiter (02) durch die mindestens eine Öffnung (04) Hindurchgeführt. Der Leiter (02) wird bestromt, wodurch ein elektromagnetisches Feld um den Leiter (02) herum entsteht, welches das Maschinenelement (01) in einem Bereich um die Öffnung (04) magnetisiert. Dadurch entsteht eine Permanentmagnetisierung (06) im Maschinenelement (01), die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung (04) herum erstreckt. In einem weiteren Schritt wird ein Magnetfeldsensor gegenüber der Permanentmagnetisierung (06) angeordnet, rnit welchem eine auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder ein auf das Maschinenelement (01) wirkendes Moment messbar ist.

Description

Verfahren zum Bereitstellen einer Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die mit der bereitgestellten Anordnung ermöglichte Messung der Kraft und/oder des Momentes beruht auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.
Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem
Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der
Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der
Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoeiastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem
ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen
magnetoelastischen Messwandier umfasst, welcher eine umlaufende Magnetisierung besitzt. Zur Erzeugung der umlaufenden Magnetisierung kann eine Welle in Rotation versetzt werden, sodass durch einen Permanentmagnet oder durch eine Spule ein tangentiales Magnetfeld in der Welle erzeugt wird. Der Messwandier in Form eines Ringes kann auch dadurch polarisiert werden, dass ein elektrischer Leiter durch die Welle bzw. durch den Ring gefädelt und bestromt wird, wobei der Ring partiell in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit getaucht sein kann. Die WO 2015/039651 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Normalkraft oder eines Biegemomentes an einem Maschinenelement, bei weichem ein Sensorbereich durch eine Ausformung zur Wandlung der Normalkraft bzw. des Biegemomentes in eine Scherkraft begrenzt ist. Diese Ausformung kann die Form einer Vertiefung, einer Nut oder eines Loches haben.
In der DE 19821 381 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten an einer torsionsbelasteten Weile beschrieben, bei welcher die Welle strukturiert ist; beispielsweise durch auf ihrer Oberfläche verlaufende Vertiefungen. Die Welle befindet sich zumindest teilweise in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel zur Welle verlaufen.
Die DE 102007 017705 A1 beschreibt eine Wellenanordnung mit einem Wälzlager, die einen Torsionssensor beinhaltet. Ein permanentmagnetischer magnetostriktiver Ring ist mit der Welle fest verbunden. An einem mit einem feststehenden Außenring verbundenen Sensorträger ist wenigstens ein Magnetfeldsensor befestigt. Die
Magnetisierung des permanent zu magnetisierenden Ringes kann mithiife eines durch den Ring hindurchfließenden elektrischen Stromes erreicht werden. Die WO 2015/103267 A1 lehrt eine mit Zug- und Druckkräften belastete Platte, die eine kreisförmige Magnetisierung aufweist. Diese Magnetisierung wird dadurch erzeugt, dass die Platte in Rotation versetzt wird und ein Dauermagnet nahe der Platte angeordnet wird. Die Belastung der Platte wird durch unter 45° zur Kraftrichtung ausgerichtete Magnetfeldsensoren ermittelt.
Aus der DE 10 2012 004 105 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungslosen
Magnetisieren einer Hohlwelle bekannt, welche einen inneren Leiter, einen äußeren Leiter und eine magnetische Abschirmung umfasst. Fließt ein Strom durch die Leiter, wird eine umlaufende Magnetisierung bewirkt.
Die zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2014219 336.2 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, welches einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich besitzt. Die Anordnung umfasst weiterhin zwei Magnetfeldsensoren zur Messung unterschiedlicher
Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes, die an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet sind.
Die DE 10 2014 200461 A1 lehrt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement, welches eine
Permanentmagnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen
Magnetisierungspfades erstreckt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum
Bereitstellen der insbesondere aus der DE 102014 200461 A1 bekannten Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes aufzuzeigen.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bereitstellen einer Anordnung, welche zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes dient. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf ein Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Maschinenelement bildet einen integralen Bestandteil der bereitzustellenden Anordnung. Das
erfindungsgemäße Verfahren dient im weiteren Sinne zum Konfigurieren und/oder zum Herstellen der bereitzustellenden Anordnung.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Maschinenelement bereitgestellt, welches in der bereitzustellenden Anordnung durch die zu messende Kraft bzw. durch das zu messende Moment belastet werden wird. Das
Maschinenelement wird primär zur Übertragung der mindestens einen Kraft und/oder des mindestens eines Momentes dienen. Das Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse, wobei die Achse bevorzugt auch eine Rotationsachse und/oder eine Symmetrieachse des Maschinenelementes bildet. Jedenfalls bildet die Achse des Maschinenelementes eine dominierende Erstreckungsrichtung des
Maschinenelementes, die auch eine Längsrichtung bzw. eine Länge des
Maschinenelementes repräsentiert. Das bereitzustellende Maschinenelement weist mindestens eine Öffnung auf, welche eine Ausnehmung bzw. ein Loch im Maschinenelement darstellt. Die Öffnung ist bevorzugt durchgehend, sodass sie an einer Stelle des Maschinenelementes eintritt und an einer anderen Stelle des Maschinenelementes wieder austritt. Die Öffnung ist gegenüber der Achse zumindest geneigt, d. h., dass die Öffnung gegenüber der Achse geneigt ist oder senkrecht zur Achse angeordnet ist. Somit erstreckt sich die Öffnung in eine Richtung, die gegenüber der Achse zumindest geneigt ist. Die
Öffnung, d. h. deren Richtung weist gegenüber der Achse einen Winkel auf, der größer als 0° ist und bevorzugt größer als 45° ist, wobei dieser Winkel bevorzugt 90° ist, sodass die Richtung der Öffnung senkrecht zur Achse steht. Jedenfalls verläuft die Öffnung nicht in axialer Richtung, sodass die Öffnung insbesondere nicht durch einen in der Achse verlaufenden Hohlraum gebildet ist. Gegebenenfalls umfasst der Schritt des Bereitstellens des Maschinenelementes bevorzugt einen Teilschritt, in welchem die beschriebene Öffnung in das Maschinenelement eingebracht wird. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein elektrischer Leiter durch die mindestens eine Öffnung hindurchgeführt. Anschließend befindet sich in der einen Öffnung mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Leiters bzw. befindet sich in den mehreren Öffnungen jeweils mindestens ein
Abschnitt des mindestens einen Leiters. Grundsätzlich können auch mehrere der elektrischen Leiter verwendet werden, wobei durch die Öffnungen jeweils nur einer der Leiter hindurchgeführt wird oder wobei durch die mindestens eine Öffnung mehrere der Leiter hindurchgeführt werden.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine elektrische Leiter bestromt. Hierfür wird eine elektrische Spannung an den Leiter angelegt, sodass ein Strom durch den Leiter fließt. Der Strom fließt zumindest in denjenigen Abschnitten des Leiters, die sich in der mindestens einen Öffnung befinden. Der elektrische Strom bewirkt ein elektromagnetisches Feld, welches sich um den Leiter herum ausbildet. Dieses elektromagnetische Feld magnetisiert das Maschinenelement in einem Bereich um die mindestens eine Öffnung herum. Diese Magnetisierung führt zu einer Permanentmagnetisierung im Maschinenelement, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die eine Öffnung bzw. um die jeweilige der mehreren Öffnungen herum erstreckt.
Die entstandene Permanentmagnetisierung weist eine Ausrichtung auf, die sich gegenüber der Achse entlang des Magnetisierungspfades ändert. Somit ändert sich auch die Ausrichtung des Magnetisierungspfades entlang seiner Erstreckung in Bezug auf die Achse. Es sind also Abschnitte des Magnetisierungspfades vorbanden, die in Bezug auf die Achse unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die
Permanentmagnetisierung ist somit nicht grundsätzlich axial, nicht grundsätzlich geneigt zur Achse oder nicht grundsätzlich umfänglich ausgerichtet. Die
Permanentmagnetisierung besitzt entiang ihrer Erstreckung unterschiedliche
Ausrichtungen gegenüber der Achse. Der geschlossene Magnetisierungspfad kann beispielsweise vollständig auf der Oberfläche in einem umfänglichen Abschnitt des Maschinenelementes verlaufen. Durch die Änderung der Ausrichtung kann der Magnetisierungspfad innerhalb des umfänglichen Abschnittes geschlossen sein.
Jedenfalls verläuft der Magnetisierungspfad nicht vollständig entlang eines Umfanges des Maschinenelementes, wofür er seine Ausrichtung gegenüber der Achse nicht ändern müsste. Durch die frei wählbare Ausrichtung des Magnetisierungspfades können für den Magnetisierungspfad beliebige Formen innerhalb des
Maschinenelementes gewählt werden, solang der Magnetisierungspfad geschlossen ist. Insbesondere kann der Magnetisierungspfad über einen Umfang des
Maschinenelementes hinweg unterschiedliche Ausrichtungen in Bezug auf die Achse aufweisen. Die Permanentmagnetisierung ist bevorzugt durch einen magnetisierten dreidimensionalen Teilbereich des Volumens des Maschinenelementes gebildet, der die Form eines geschlossenen Seiles aufweist, wobei der Magnetisierungspfad eine mittlere Achse des Seiles darstellt. Der Magnetisierungspfad ist bevorzugt durch eine im Raum geschlossene dreidimensionale Kurve gebildet. Diese Kurve verläuft im Maschinenelement, insbesondere durch das Material des Maschinenelementes. Die Kurve kann grundsätzlich beliebig verlaufen, insbesondere kann die Kurve auch unregelmäßig verlaufen. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve ist bevorzugt achsensymmetrisch. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve weist somit bevorzugt mindestens eine Symmetrieachse auf. Die Achse des Masch inenelementes ist bevorzugt außerhalb des geschlossenen
Magnetisierungspfades bzw. außerhalb der geschlossenen Kurve angeordnet. Somit kann der Magnetisierungspfad nicht entlang eines Umfanges des
Maschinenelementes geschlossen sein. Die Form des Magnetisierungspfades wird insbesondere durch den Querschnitt der einen Öffnung bzw. der jeweiligen der mehreren Öffnungen und durch die Stärke des im Leiter fließenden Stromes bestimmt.
Das permanent magnetisierte Maschinenelement bildet eine Komponente der bereitzustellenden Anordnung zur Messung der mindestens einen wirkenden Kraft bzw. des mindestens einen wirkenden Momentes. Diese Messung beruht auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Somit besteht eine sekundäre Funktion des
Maschinenelementes darin, dass es einen Primärsensor innerhalb der Anordnung zur Messung der mindestens einen wirkenden Kraft bzw. des mindestens einen
wirkenden Momentes bildet. Hierfür besteht das Maschinenelement zumindest in einem Bereich der Permanentmagnetisierung aus einem magnetostriktiven Material. Durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft bzw. durch das Moment ist ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar. Die ausgebildete Permanentmagnetisierung ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des
Maschinenelementes bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.
In einem werteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Magnetfeldsensor gegenüber der Permanentmagnetisierung des
Maschinenelementes angeordnet. Mit dem mindestens einen Magnetfeldsensor ist die auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder das auf das Maschinenelement wirkendes Moment messbar. Der mindestens eine Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Primärsensor, d. h. die mindestens eine Permanentmagnetisierung dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist
beabstandet zur Permanentmagnetisierung des Maschinenelementes anzuordnen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es eine aufwandsarme Ausbildung der sich über einen geschlossenen
Magnetisierungspfad erstreckenden Permanentmagnetisierung im Maschinenelement ermöglicht, um die Anordnung zur Messung der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft bzw. des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes bereitzustellen.
Das Maschinenelement besteht zumindest in einem Bereich um die eine Öffnung herum bzw. um die mehreren Öffnungen herum aus einem ferromagnetischen und magnetostriktiven Material. Das Material des Maschinenelementes umfasst bevorzugt Eisen. Das Material des Maschinenelementes ist bevorzugt durch einen Stahl gebildet.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die äußere Grundform eines Prismas, eines Zylinders oder eines Konus auf, wobei das Prisma, der Zylinder bzw. der Konus koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma, der Zylinder bzw. der Konus ist bevorzugt gerade. Bei dem Prisma kann es sich um einen langgestreckten Quader handeln, der beispielsweise durch einen Streifen gebildet ist. Das Prisma kann aber auch eine vieleckige Grundfläche besitzen. Die vieleckige Grundfläche kann regelmäßig sein, sodass das Prisma dem Zylinder nahekommt. Der Konus kann auch stumpf sein.
Die mittlere Achse des Zylinders bzw. des Konus stellt auch die Achse des
Maschinenelementes dar.
Das erfindungsgemäße Maschinenelement ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Achse auch gleichzeitig eine Symmetrieachse bildet. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die äußere Grundform eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet.
Das Maschinenelement ist bevorzugt hohl, wofür es einen sich zumindest teilweise in der Achse erstreckenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist insbesondere im Bereich der Achse ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich der Hohlraum über mehr als die Hälfte der axialen Länge des Maschinenelementes. Der Hohlraum ist bevorzugt an einem axialen Ende des Maschinenelementes offen. Er weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf. Das Maschinenelement kann aber auch ohne Hohlraum ausgebildet sein.
Das hohle Maschinenelement stellt eine Wandung dar, die den Hohlraum und die Achse umschließt. Die mindestens eine Öffnung ist in der Wandung ausgebildet und verbindet den Hohlraum mit einem Bereich außerhalb des hohlen
Maschinenelementes.
Das hohle Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Hohlzyiinders, eines Hohlprismas oder eines Hohlkonus auf.
Das hohle Maschinenelement in der bevorzugten Form des Hohlzylinders ist bevorzugt durch eine Hülse gebildet. Die mindestens eine Öffnung ist im
Hülsenmantel bzw. im Hohlzylindermantel ausgebildet.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine partiell hohie Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine zumindest partiell hohle Schaltgabel oder durch einen
Hohlflansch gebildet. Die partiell hohie Welle, die Hohlwelle, die partiell hohle
Schaltgabel bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines
Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätziich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige
Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist bevorzugt einen
kreisförmigen, einen lang lochförm igen, einen ovalen oder einen ellipsenförmigen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt kreisförmig. Der Leiter weist bevorzugt einen Querschnitt auf, der an den Querschnitt der Öffnung angepasst ist, sodass sich der Querschnitt des Leiters und der Querschnitt der Öffnung in ihren geometrischen Formen gleichen und lediglich geringfügig unterschiedlich groß sind. Alternativ bevorzugt wird diese Anpassung dadurch erzielt, dass mehrere Abschnitte des einen Leiters bzw. der mehreren Leiter so durch die Öffnung hindurchgeführt werden, dass diese gleichmäßig im Querschnitt der Öffnung verteilt sind.
Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist in ihrem Querschnitt einen Durchmesser auf, der bevorzugt zwischen 10 % und 50 % der maximalen radialen Ausdehnung des Maschinenelementes beträgt.
Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen erstrecken sich bevorzugt jeweils gerade in der Richtung ihrer Erstreck ung. Somit ist die mindestens eine Öffnung bevorzugt nicht bogenförmig oder abgewinkelt ausgebildet.
Besonders bevorzugt erstreckt sich die mindestens eine Öffnung senkrecht zur Achse des Maschinenelementes. Somit erstreckt sich die eine Öffnung bzw. erstrecken sich die mehreren Öffnungen jeweils in radialer Richtung.
Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen weisen bevorzugt jeweils die Form eines geraden Zylinders auf. Es handelt sich dabei bevorzugt um Bohrungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Leiter in einem ersten Abschnitt in radialer Richtung durch die eine Öffnung bzw. durch eine der Öffnungen hindurchgeführt und wird in einem zweiten Abschnitt in axialer Richtung innerhalb des Hohlraumes geführt. Im zweiten Abschnitt wird der Leiter bevorzugt entlang der Achse geführt. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt wird der Leiter in einem rechten Winkel geführt. Im zweiten
Abschnitt wird der Leiter bevorzugt innerhalb einer Abschirmungshülse zum
Abschirmen des elektromagnetischen Feldes geführt. Die Abschirmungshülse befindet sich im Hohlraum des Maschinenelementes und wird bevorzugt koaxial zum
Maschinenelement angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Leiter in radialer Richtung durch zwei der Öffnungen hindurchgefühlt. Die beiden Öffnungen sind gegenüberstehend in Bezug auf die Achse angeordnet, sodass eine die beiden Öffnungen verbindende Gerade die Achse schneidet. Die die beiden Öffnungen verbindende Gerade schneidet die Achse bevorzugt in einem rechten Winkel. Der Leiter wird somit gerade durch die beiden Öffnungen und durch den Hohlraum und somit gerade und diametral durch das gesamte Maschinenelement geführt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Leiter in einem ersten Abschnitt in radialer Richtung durch eine erste der Öffnungen in den Hohlraum bis zur Achse geführt. In einem zweiten Abschnitt beginnend an der Achse wird der Leiter in radialer Richtung aus dem Hohlraum heraus durch eine zweite der Öffnungen nach außerhalb des Maschinenelementes geführt. Die erste Öffnung und die zweite Öffnung weisen bezogen auf die Achse einen Mittelpunktswinkel von 90° zueinander auf. Die erste Öffnung und die zweite Öffnung weisen bezogen auf die Achse bevorzugt eine gleiche Position, d. h. eine gleiche axiale Position auf. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt wird der Leiter in einem rechten Winkel geführt. Bei dieser bevorzugten
Ausführungsform wird der Leiter bevorzugt auch durch eine dritte und eine vierte der Öffnungen geführt. Hierfür wird der Leiter in einem dritten Abschnitt in radialer
Richtung durch die dritte Öffnung in den Hohlraum bis zur Achse geführt. In einem vierten Abschnitt beginnend an der Achse wird der Leiter aus dem Hohlraum heraus in radialer Richtung durch die vierte Öffnung geführt. Die dritte Öffnung und die vierte Öffnung weisen bezogen auf die Achse einen Mittelpunktswinkel von 90° zueinander auf. Die erste Öffnung und die dritte Öffnung liegen dabei auf einer Geraden, welche die Achse schneidet Die die erste Öffnung und die dritte Öffnung verbindende Gerade schneidet die Achse bevorzugt in einem rechten Winkel. Die erste Öffnung, die zweite Öffnung, die dritte Öffnung und die vierte Öffnung weisen bezogen auf die Achse bevorzugt eine gleiche Position, d. h. eine gleiche axiale Position auf. Der Leiter kann auch durch mehrere Leiter gebildet sind, sodass beispielsweise ein erster der mehreren Leiter durch die erste und zweite Öffnung wird und ein zweiter der mehreren Leiter durch die dritte und vierte Öffnung geführt wird.
Bei einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Leiter in einem ersten Abschnitt in radialer Richtung durch eine erste der Öffnungen in den Hohlraum geführt. Der Leiter wird in einem zweiten Abschnitt im Hohlraum in axialer Richtung geführt. Der Leiter wird in einem dritten Abschnitt in radialer Richtung durch eine zweite der Öffnungen aus dem Hohlraum heraus geführt. Die beiden Öffnungen sind bevorzugt axial beabstandet und weisen bevorzugt eine gleiche Position in radialer und tangentialer Richtung auf. im zweiten Abschnitt wird der Leiter bevorzugt innerhalb einer Abschirmungshülse zum Abschirmen des elektromagnetischen Feldes geführt. Die Abschirmungshülse befindet sich im
Hohlraum des Maschinenelementes und ist bevorzugt in axialer Richtung
ausgerichtet. Die oben angegebenen bevorzugten Ausführungsformen, bei denen der Leiter in einer besonderen Weise durch die mindestens eine Öffnung des hohlen
Maschinenelementes geführt wird, sind in gleicher weise auch realisierbar, wenn das Maschinenelement nicht hohl ist. Die angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die tangentiale Richtung und die radiale Richtung sind grundsätzlich auf die Achse des Maschinenelementes bezogen.
Der Leiter wird bevorzugt jeweils genau ein Mal durch die eine Öffnung bzw. durch die mehreren Öffnungen geführt.
Der mindestens eine Leiter wird bevorzugt gerade durch die eine Öffnung bzw. durch die mehreren Öffnungen geführt. Der mindestens eine Leiter erstreckt sich in denjenigen seiner Abschnitte, in denen er durch die eine Öffnung bzw. durch eine der mehreren Öffnungen geführt wird, bevorzugt jeweils in der Richtung der jeweiligen Öffnung. Bevorzugt wird der Leiter jeweils mittig durch die eine Öffnung bzw. durch die mehreren Öffnungen geführt. Bevorzugt wird der Leiter beabstandet zu einer inneren Wand der mindestens einen Öffnung geführt, sodass er das Maschinenelement nicht berührt.
Der mindestens eine Leiter besitzt bevorzugt einen kreisförmigen, elliptischen oder rechteckförmigen Querschnitt. Besonders bevorzugt besitzt der Leiter einen
kreisförmigen Querschnitt.
Der Leiter besteht bevorzugt aus Kupfer, Aluminium oder Stahl. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine Leiter mit einem Gleichstrom oder mit einem gepulsten Strom bestromt. Grundsätzlich ist auch Wechselstrom anwendbar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfind ungsgemäßen Verfahrens wird der Leiter nach dem Bestromen, d. h. nach dem Ausbilden der Permanentmagnetisierung, wieder aus der einen Öffnung bzw. aus den mehreren Öffnungen entfernt, sodass der Leiter vom Maschinenelement entfernt wird. Der Leiter bildet somit keine Komponente der Anordnung zum Messen der Kraft oder des Momentes. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die eine Öffnung bzw. werden die mehreren Öffnungen nach dem Entfernen des Leiters verschlossen, da die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen für die primäre und sekundäre Funktion des Maschinenelementes nicht benötigt werden. Das
Verschließen der mindestens einen Öffnung schützt zudem den Hohlraum vor äußeren Einflüssen.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet Ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Maschinenelement und einen Leiter zur Durchführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer dritten bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer vierten bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer fünften bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer sechsten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 7 das Maschinenelement und den Leiter in abgewandelter Form zur
Durchführung einer siebenten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein Maschinenelement 01 und einen elektrischen Leiter 02 in einer Ansicht von vorn und in einer Schnittansicht. Die gezeigte Anordnung des
Maschinenelementes 01 und des Leiters 02 dient der Durchführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß dieser ersten Ausführungsform wird das Maschinenelement 01 bereitgestellt, welches bei dieser Ausführungsform die Form eines sich in einer Achse 03 erstreckenden
Streifens aufweist. Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement eine
durchgehende Öffnung 04 auf, die bei dieser Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und senkreckt zur Achse 03 ausgerichtet ist. Der Leiter 02 ist gerade und koaxial durch die Öffnung 04 hindurchgeführt.
Es ist insbesondere ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, in weichem der Leiter 02 mit einem Strom i bestromt wird, sodass ein Elektromagnetfeld um den Leiter 02 herum entsteht, welches eine Permanentmagnetisierung 06 im Maschinenelement bewirkt, die sich geschlossen um die Öffnung 04 herum erstreckt.
Fig. 2 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelte zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei weicher die Öffnung 04 im Maschinenelement 01 einen
langlochförmigen Querschnitt besitzt.
Fig. 3 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelte dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Das Maschinenelement 01 weist bei dieser Ausführungsform die Form eines Hohlzylinders auf und ist in einer Ansicht von vorn und in einer Schnittansicht dargestellt. Die Öffnung 04 ist in der Mantelfläche des hohizylinderförmigen
Maschinenelementes 01 ausgebildet und erstreckt sich senkrecht zur Achse 03 bis in einen inneren Hohlraum 07 des hohizylinderförmigen Maschinenelementes 01. In einem ersten Abschnitt 08 wird der Leiter 02 gerade und koaxial durch die Öffnung 04 hindurchgeführt, sodass er senkrecht zur Achse 03 und bis in den Hohlraum 07 zur Achse 03 geführt wird. An der Achse 03 schließt sich ein zweiter Abschnitt 09 an, in weichem der Leiter 02 in der Achse 03 verläuft und schließlich den Hohlraum 07 des hohizylinderförmigen Maschineneiementes 01 in der Achse 03 verlässt. Am Übergang vom ersten Abschnitt 08 zum zweiten Abschnitt 08 ist der Leiter 02 um 90°
abgewinkelt.
Fig. 4 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform abgewandelte vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform befindet sich im Hohlraum 07 eine
Abschirmungshülse 11, die ebenfalls in der Achse 03 liegt und den Leiter 02 im zweiten Abschnitt 09 koaxial umschließt. Somit führt das im zweiten Abschnitt 09 des Leiters 02 auftretende elektromagnetische Feld nicht zu einer Magnetisierung des Maschinenelementes 01.
Fig. 5 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform abgewandelte fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform weist das hohlzylinderförmige
Maschinenelement 01 zwei der Öffnungen 04 auf, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) befinden und eine gleiche axiale Position aufweisen. Daher wird der Leiter 02 vollständig gerade durch das gesamte
Maschinenelement 01, d. h. durch die beiden Öffnungen 04 und den Hohlraum 07 hindurchgeführt, wobei er die Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) in einem rechten Winkel schneidet. Daher durchläuft der Leiter 02 das Maschinenelement 01 diametral in radialer Richtung. Es können auch weitere der sich gegenüberstehenden Öffnungen (nicht dargestellt) in einem axialen Abstand zu den ersten beiden sich
gegenüberstehenden Öffnungen 04 ausgebildet sein, die gegenüber den ersten beiden sich gegenüberstehenden Öffnungen 04 in Bezug auf die Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) jeweils verdreht sind.
Fig. 6 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform abgewandelte sechste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform weist das hohlzylinderförmige
Maschinenelement 01 vier der Öffnungen 04 auf, die gleichverteilt um die Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) herum angeordnet sind und eine gleiche axiale Position aufweisen. Der Leiter 02 wird zwei Mal durch das Maschinenelement 01 und dessen Hohlraum 07 hindurchgeführt. In einem ersten Abschnitt 08 wird der Leiter 02 gerade und koaxial durch die erste der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt, sodass er senkrecht zur Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) und bis in den Hohlraum 07 zur Achse 03 geführt wird. An der Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) beginnt ein zweiter Abschnitt 09, in welchem der Leiter 02 senkrecht zur Achse 03 aus dem Hohlraum 07 herausgeführt wird, indem er gerade und koaxial durch die zweite der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt wird. In einem dritten Abschnitt 12 wird der Leiter 02 gerade und koaxial durch die dritte der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt, sodass er senkrecht zur Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) und bis in den Hohlraum 07 zur Achse 03 geführt wird. An der Achse 03 (gezeigt in Fig. 3) beginnt ein vierter Abschnitt 13, in welchem der Leiter 02 senkrecht zur Achse 03 aus dem Hohlraum 07 herausgeführt wird, indem er gerade und koaxial durch die vierte der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt wird. Der Strom I zum Bestromen des Leiters 02 fließt jeweils in die erste Öffnung 04 und in die dritte Öffnung 04 hinein. Somit wechselt zwischen jeweils zwei benachbarten der Öffnungen 04 die Richtung des Stromes I. Alternativ zur Verwendung des einzigen Leiters 02 können auch zwei elektrische Leiter verwendet werden, wobei der erste der beiden Leiter durch die erste der vier Öffnungen 04 und durch die zweite der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt wird, während der zweite der beiden Leiter durch die dritte der vier Öffnungen 04 und durch die vierte der vier Öffnungen 04 hindurchgeführt wird. Diese beiden Leiter können in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Fig. 7 veranschaulicht eine gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelte siebente bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Das Maschinenelement 01 in Form eines Streifens weist bei dieser Ausführungsform zwei der Öffnungen 04 auf und ist in einer Ansicht von vorn und in einer Schnittansicht dargestellt. Die beiden Öffnungen 04 sind axial beabstandet. In einem ersten Abschnitt 08 wird der Leiter 02 gerade und koaxial durch die erste der beiden Öffnungen 04 hindurchgeführt, sodass er senkrecht zur Achse 03 verläuft und eine gegenüberliegende Seite des Maschinenelementes 01 erreicht. Es schließt sich ein zweiter Abschnitt 09 an, in weichem der Leiter 02 parallel zur Achse 03 verläuft. Am Übergang vom ersten Abschnitt 08 zum zweiten Abschnitt 08 ist der Leiter um 90° abgewinkelt. Es schließt sich ein dritter Abschnitt 12 an, in welchem der Leiter 02 gerade und koaxial durch die zweite der beiden Öffnungen 04 hindurchgeführt wird, sodass er senkrecht zur Achse 03 verläuft und wieder auf die ursprünglich vom Leiter 02 durchlaufene Seite des Masch inenelementes 01 wechselt. Im zweiten Abschnitt 09 kann der Leiter 02 durch eine Abschirmungshülse 11 (gezeigt in Fig. 4) hindurch geführt werden.
Bezuaszeichenllste
01 Maschinenelement
02 Leiter
03 Achse
04 Öffnung
05 -
06 Permanentmagnetisierung
07 Hohlraum
08 erster Abschnitt
09 zweiter Abschnitt
10 -
11 Abschirmungshülse
12 dritter Abschnitt
13 vierter Abschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bereitstellen einer Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes; folgende Schritte umfassend:
- Bereitstellen eines sich in einer Achse (03) erstreckenden
Maschinenelementes (01), welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist;
- Durchführen mindestens eines elektrischen Leiters (02) durch die
mindestens eine Öffnung (04);
- Bestromen des Leiters (02), wodurch ein elektromagnetisches Feld um den
Leiter (02) entsteht, welches das Maschinenelement (01) in einem Bereich um die Öffnung (04) magnetisiert, sodass eine Permanentmagnetisierung (06) im Maschinenelement (01) entsteht, die sich entlang eines
geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung (04) herum erstreckt; und
- Anordnen eines Magnetfeldsensors gegenüber der
Permanentmagnetisierung (06), mit welchem eine auf das
Maschinenelement (01) wirkende Kraft oder ein auf das Maschinenelement (01) wirkendes Moment messbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die eine
Öffnung (04) oder die mehreren Öffnungen (04) jeweils in radialer Richtung erstrecken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Maschinenelement (01) die Form eines Hohlzylinders besitzt, wobei die mindestens eine Öffnung (04) im Hohlzylindermantel ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (02) in einem ersten Abschnitt (08) in radialer Richtung durch die Öffnung (04) hindurchgeführt wird und in einem zweiten Abschnitt (09) in axialer Richtung geführt wird, wobei der Leiter (02) im zweiten Abschnitt (09) durch eine
Abschirmungshülse (11 ) hindurchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (02) in radialer Richtung durch zwei der Öffnungen (04) geführt wird, die sich gegenüberstehend in Bezug auf die Achse (03) angeordnet sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (02) in einem ersten Abschnitt (08) in radialer Richtung durch eine erste der Öffnungen (04) bis zur Achse (03) geführt wird und in einem zweiten
Abschnitt (09) beginnend an der Achse (03) in radialer Richtung durch eine zweite der Öffnungen (04) geführt wird, wobei die erste Öffnung (04) und die zweite Öffnung (04) bezogen auf die Achse (03) einen Mittelpunktswinkel von 90° zueinander aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der der Leiter (02) jeweils genau ein Mai durch die eine Öffnung (04) oder durch die mehreren Öffnungen (04) geführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (02) jeweils gerade durch die eine Öffnung (04) oder durch die mehreren
Öffnungen (04) geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt nach dem Bestromen des Leiters (02) umfasst, in welchem der Leiter (02) aus der mindestens einen Öffnung (04) entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt nach dem Entfernen des Leiters (02) aus der mindestens einen Öffnung (04) umfasst, in welchem die mindestens eine Öffnung (04) verschlossen wird.
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