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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei das Maschinenelement mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Magnetfeldsensoranordnung mindestens zwei Magnetfeldsensoren zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes umfasst, wobei sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse erstrecken, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen.
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Gattungsbildende Drehmomentmessanordnungen sind bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. In der
US 6,222,363 B1 ist beispielsweise ein Flux-Gate-Magnetometer beschrieben, mit welchem ein äußeres Magnetfeld einer sich drehenden magnetoelastischen Welle messbar ist. Die
US 2002/0162403 A1 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer Welle, bei welcher eine Spule auf einem magnetoelastischen Bereich sitzt. Aus der
US 2009/0230953 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein sich longitudinal erstreckendes Element mit mehreren magnetoelastisch aktiven Regionen umfasst. Der Drehmomentsensor umfasst primäre und sekundäre Magnetfeldsensoren, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind. Aus der
EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.
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Bei dem aus der
EP 0 803 053 B1 bekannten Drehmomentsensor ist die Anbindung der zylindrischen Hülse an die Welle ein für die bestimmungsgemäße Funktionsfähigkeit des Drehmomentsensors kritischer Aspekt.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung eine Drehmomentmesswellenanordnung bereitzustellen, die bei einer möglichst minimalen Verwendung von magnetoelastischen Materialen eine möglichst hohe Betriebssicherheit und Messgenauigkeit realisieren kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drehmomentsensoranordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei das Maschinenelement mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Drehmomentmesswellenanordnung mindestens zwei Magnetfeldsensoren zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes umfasst, wobei sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse erstrecken, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen, wobei das Maschinenelement zweistückig mit einem ersten Wellenabschnitt und einem zweiten Wellenabschnitt ausgebildet ist, wobei der erste Wellenabschnitt und der zweite Wellenabschnitt drehfest miteinander verbunden sind, und der erste Wellenabschnitt sowie der zweite Wellenabschnitt von einer aus einem magnetoelastischen Material geformten Sensorhülse umfasst und jeweils drehfest mit dieser verbunden sind, so dass mittels der Sensorhülse ein erster Magnetisierungsbereich dem ersten Wellabschnitt und ein zweiter Magnetisierungsbereich dem zweiten Wellenabschnitt zugeordnet ist.
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Durch diese Ausgestaltung wird es ermöglicht, dass der Hauptdrehmomentfluss nicht direkt über die Sensorhülse, sondern über eine drehfeste Verbindung zwischen den Wellenabschnitten gelenkt werden kann, wobei jedoch stets ein geringerer Teil des zu übertragenden Drehmoments über die Sensorhülse geleitet wird, welche, ausgestattet mit den entsprechenden Magnetfeldsensoren, das über die Sensorhülse geleitete Drehmoment, welches dem übertragenen Gesamtmoment proportional ist, erfassen kann. Das über die Sensorhülse geführte Drehmoment kann beispielsweise über die Geometrie der Wellenabschnitte als auch durch die Ausgestaltung der drehfesten Verbindung zwischen den Wellenabschnitten eingestellt werden.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt unter anderem darin, dass nur die Sensorhülse zur Einstellung einer gewünschten magnetoelastischen Eigenschaft einer aufwändigen Wärmebehandlung unterzogen werden muss. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung besteht darin, dass mit der gleichen Sensorhülse und gleichen Wellenaußendurchmesser mehrere Messbereiche realisiert werden können, indem über die Ausführung der drehfesten Verbindung zwischen den Wellenabschnitten der Anteil des Drehmoments, welcher über die Hülse geleitet wird eingestellt wird. Ferner ist die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung robuster gegen Biegebelastung.
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Ein ganz Wesentlicher Vorteil ist jedoch insbesondere auch die durch die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung realisierbaren Kostenvorteile durch die Verwendung von möglichst wenig kostenintensiven Sensormaterial für die Sensorhülse.
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Unter Verwendung von entsprechender Telemetrie ist das Verfahren auch auf Drehmomentsensoren mit geklebten DMS oder DMS auf Senotect-Basis anwendbar, sofern diese auf eine Hülse aufgebracht sind
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Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich entlang einer Bahn, welche geeignet ist, das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Diese Bahn ist bevorzugt kreis- oder ellipsenförmig. Diese Bahn ist bevorzugt geschlossen, jedoch kann sie eine kurze Unterbrechung aufweisen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils mit einem Mittelpunktswinkel umfänglich um das Maschinenelement herum, welcher bevorzugt mindestens 300° beträgt und weiter bevorzugt nahezu bzw. gleich 360° beträgt. Somit sind die Magnetfeldsensoren umfänglich um das Maschinenelement herum sensitiv, sodass eine Rotation zwischen der Magnetfeldsensoranordnung und dem Maschinenelement das Messergebnis nicht beeinflusst.
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Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich bevorzugt entlang einer Kreisbahn um das Maschinenelement, wobei die Kreisbahnen der Magnetfeldsensoren bevorzugt einen gleichen Radius besitzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet.
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Die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt permanent magnetisiert auf der Sensorhülse vorhanden, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Die mindestens zwei permanent magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einem Drehmoment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf. Die Sensorhülse weist in den Magnetisierungsbereichen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktion auf.
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Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche bevorzugt jeweils ein magnetisch neutraler Bereich angeordnet ist. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen diese bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.
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Die Sensorhülse besteht bevorzugt zumindest im Magnetisierungsbereich aus einem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht die Sensorhülse vollständig aus dem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material.
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Die Wellenabschnitte können bevorzugt durch eine zylinderförmige Welle oder durch eine Hohlwelle gebildet sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils durch einen magnetoresistiven Sensor oder durch einen Hall-Sensor oder durch einen Flux-Gate-Sensor gebildet. Die magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt jeweils durch einen AMR-Sensor oder durch einen GMR-Sensor gebildet. Die mit den AMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR). Die mit den GMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem riesenmagnetoresistiven Effekt (GMR). Die magnetoresistiven Sensoren können aber auch auf anderen magnetoresistiven Effekten beruhen, sodass sie allgemein als xMR-Sensoren zu bezeichnen sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung. Das Maschinenelement mit der Sensorhülse und die Magnetfeldsensoren sind zueinander rotierbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Wellenabschnitt und der zweite Wellenabschnitt formschlüssig miteinander verbunden sind. Es kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass der erste Wellenabschnitt und der zweite Wellenabschnitt jeweils stirnseitig eine Mehrzahl von Taschen aufweisen, in die zum Formschluss zwischen dem ersten Wellenabschnitt und dem zweiten Wellenabschnitt korrespondierende Bolzen eingesteckt sind. Es kann hierdurch erreicht werden, dass über die Anzahl und Ausbildung der Taschen und der Bolzen, dass über die Sensorhülse übertragene Drehmoment beeinflusst und eingestellt werden kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sensorhülse mittels einer Presspassung, einer Verzahnung und/oder Verschweißung mit dem ersten Wellenabschnitt und/oder dem zweiten Wellenabschnitt verbunden ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass beispielsweise der Montageaufwand, speziell bei einer Presspassungsumsetzung, sehr gering ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der erste Wellenabschnitt und/oder der zweite Wellenabschnitt aus einem Stahl, insbesondere aus einem Baustahl, gefertigt sind/ist, wodurch ein oder beide Wellenabschnitte besonders kostengünstig herstellbar sind und gleichzeitig geeignet sind hohe Drehmomentfestigkeiten bereitstellen zu können.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der erste Wellenabschnitt und/oder der zweite Wellenabschnitt an ihrem/seinem jeweils nicht einem Wellenabschnitt, gegenüberliegenden Ende eine Verzahnung oder einen Flansch aufweisen/aufweist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass mit dem zweigeteilten Maschinenelement eine Sensorhülse realisierbar wird, bei welcher beispielsweise der Radius der Kundenaußengeometrie wesentlich größer (z.B. als Flansch) als der Hülsendurchmesser ausgeführt werden kann.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste Wellenabschnitt und/oder der zweite Wellenabschnitt einen radial nach innen gerichteten Absatz aufweisen/aufweist, in den die Sensorhülse zumindest abschnittsweise eingreift.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Sensorhülse zylinderringförmig ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass der Außendurchmesser der zylinderförmigen Sensorhülse größer ist als der Außendurchmesser des ersten Wellenabschnitts und/oder des zweiten Wellenabschnitts.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Magnetfeldsensoranordnung eine erste Lageranordnung zur drehbaren Lagerung des ersten Wellenabschnitts und/oder eine zweite Lageranordnung zur drehbaren Lagerung des zweiten Wellenabschnitts aufweist, so dass die Magnetfeldsensoranordnung als eigenständiges und vorkonfektioniertes Modul montierbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung in einer explosionsartigen Darstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung in einem montierten Zustand in einer Axialschnittansicht, und
- 3 eine dritte Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung in einer Axialschnittansicht.
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Die 1 zeigt eine Drehmomentsensoranordnung 1 zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse 2 erstreckenden Maschinenelement 3, wobei das Maschinenelement 3 mindestens zwei sich umfänglich um die Achse 2 herum erstreckende Magnetisierungsbereiche 4 für eine Magnetisierung aufweist.
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Die Drehmomentsensoranordnung 1 besitzt mindestens zwei Magnetfeldsensoren 5 zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes, wobei die Magnetfeldsensoren 5 paarweise verarbeitet werden und sich die Magnetfeldsensorpaare jeweils umfänglich um die Achse erstrecken, um das Maschinenelement 3 umfänglich zu umschließen, was gut aus der 3 ersichtlich wird.
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Das Maschinenelement 3 ist zweistückig mit einem ersten Wellenabschnitt 6 und einem zweiten Wellenabschnitt 7 ausgebildet, wobei der erste Wellenabschnitt 6 und der zweite Wellenabschnitt 7 drehfest miteinander verbunden sind. Das Maschinenelement 3 weist über die symmetrischen Wellenabschnitte 6,7 an deren Fügestelle einen Absatz 11 im Sensorbereich auf. Im Wellenabsatz 11 sind je vier Bohrungen auf einer Kreisbahn für jeweils einen Bolzen 10 vorgesehen.
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Der erste Wellenabschnitt 6 sowie der zweite Wellenabschnitt 7 sind von einer aus einem magnetoelastischen Material geformten Sensorhülse 8 umfasst und jeweils drehfest mit dieser verbunden, so dass mittels der Sensorhülse 8 ein erster Magnetisierungsbereich 41 dem ersten Wellabschnitt 6 und ein zweiter Magnetisierungsbereich 42 dem zweiten Wellenabschnitt 7 zugeordnet ist. Der erste Wellenabschnitt 6 und der zweite Wellenabschnitt 7 sind formschlüssig miteinander verbunden. Der erste Wellenabschnitt 6 und der zweite Wellenabschnitt 7 weisen hierzu jeweils stirnseitig eine Mehrzahl von Taschen 9 auf, in die zum Formschluss zwischen dem ersten Wellenabschnitt 6 und dem zweiten Wellenabschnitt 7 korrespondierende Bolzen 10 eingesteckt/gepresst sind. Was der 1 auch entnommen werden kann ist, dass der erste Wellenabschnitt 6 und der zweite Wellenabschnitt 7 einen radial nach innen gerichteten Absatz 11 aufweisen, in den die Sensorhülse 8 zumindest abschnittsweise eingreift.
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Zur Montage wird die zylinderringförmige Sensorhülse 8 mit einem Innendurchmesser versehen, und auf dem Außendurchmesser der Wellenabschnitte 6,7 aus Standardstahl formschlüssig aufgepresst oder mit diesen verschweißt oder verlötet. Durch diese Ausgestaltung wird es ermöglicht, dass der Hauptdrehmomentfluss nicht direkt über die Sensorhülse 8, sondern über die Bolzen 10, welche beidseitig in die Bohrungen an der Stirnseite der Wellenabsätze eingepresst werden. Ersichtlich ist aus der 1 ferner, dass der Außendurchmesser der zylinderförmigen Sensorhülse 8 größer ist als der Außendurchmesser des ersten Wellenabschnitts 6 und/oder des zweiten Wellenabschnitts 7.
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In der Ausführungsform der 2 ist ferner gezeigt, dass der erste Wellenabschnitt 6 an seinem nicht einem Wellenabschnitt 6,7 gegenüberliegenden Ende einen Flansch 16 und der zweite Wellenabschnitt 7 an seinem nicht einem Wellenabschnitt 6,7 gegenüberliegenden Ende eine Verzahnung 17 aufweisen.
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Die in der 3 gezeigte Drehmomentsensoranordnung 1 besitzt ferner eine erste Lageranordnung 12 zur drehbaren Lagerung des ersten Wellenabschnitts 6 und eine zweite Lageranordnung 13 zur drehbaren Lagerung des zweiten Wellenabschnitts 7. Die Lageranordnungen 12,13 sind in einem zylinderringartigen Gehäuse 18 eingefasst, in dem auch die Magnetfeldsensoren 5 aufgenommen sind. Die Magnetfeldsensoren 5 umschließen den ersten Magnetisierungsbereich 41 des ersten Wellabschnitts 6 sowie den zweiten Magnetisierungsbereich 42 des zweiten Wellenabschnitts 7.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehmomentsensoranordnung
- 2
- Achse
- 3
- Maschinenelement
- 4
- Magnetisierungsbereiche
- 5
- Magnetfeldsensoren
- 6
- Wellenabschnitt
- 7
- Wellenabschnitt
- 8
- Sensorhülse
- 9
- Taschen
- 10
- Bolzen
- 11
- Absatz
- 12
- Lageranordnung
- 13
- Lageranordnung
- 16
- Flansch
- 17
- Verzahnung
- 18
- Gehäuse
- 41
- Magnetisierungsbereich
- 42
- Magnetisierungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6222363 B1 [0002]
- US 2002/0162403 A1 [0002]
- US 2009/0230953 A1 [0002]
- EP 0803053 B1 [0002, 0003]
