DE102021123392A1 - Belastungsmessanordnung und Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung an einem Testobjekt mit Nebenübertragungselement - Google Patents

Abstract

Zur Verbesserung der Signalgüte bei gleichzeitiger Funktionsverbesserung von Messobjekten (32) schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung (10) umfassend ein Testobjekt (12) und eine Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung einer Belastung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) anliegt, wobei das Testobjekt (12) einen Übertragungsbereich (38) aufweist, der einen Großteil der Belastung zwischen dem ersten und den zweiten Bereich (36, 40) aufnimmt, wobei ein Nebenübertragungselement (42) an dem ersten und zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) so befestigt ist, dass es parallel zu dem Übertragungsbereich (38) einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aufnimmt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Nebenübertragungselement (42) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (16) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) ändernden Magnetfeldparameters aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Testobjekts anliegt, mittels aktiver Aufmagnetisierung. Weiter betrifft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer zwischen einem ersten Bereich eines Testobjekts und einem zweiten Bereich eines Testobjekts anliegenden Belastung mittels aktiver Aufmagnetisierung.
• Belastungsmessanordnungen und Belastungsmessverfahren, bei denen eine Belastung wie z.B. ein Drehmoment, eine Kraft oder auch mechanische Spannungen in einem Testobjekt magnetostriktiv gemessen werden, sind bekannt. Während bei einigen dieser Messverfahren und Messanordnungen der Messbereich vorab permanent magnetisiert werden müssen, betrifft die Erfindung derartige Messverfahren und Messanordnungen, bei denen erst bei der Messung aktiv ein Magnetfeld angelegt wird und Magnetfeldparameter, die sich bei Belastung des sich im Magnetfeld befindlichen Messbereich des Testobjekts befinden, zur Bestimmung der Belastung erfasst werden.
• Derartige Belastungsmessanordnungen und Belastungsmessverfahren sind aus den folgenden Literaturstellen bekannt:
• [1] WO 2018/019859
• [2] DE 10 2016 117 529 A1
• [3] DE 10 2017 107 716 A1
• [4] DE 10 2017 109 114 B4
• [5] WO 2018/229016
• [6] WO 2019/197500
• [7] WO 2019/207166
• [9] WO 2019/243448 A1
• [10] DE 10 2018 120 400 A1
• [11] DE 10 2018 120 401 A1
• [12] DE 10 2018 124 644 B4
• [13] DE 10 2018 120 794 A1
• [14] WO 2020/038614 A1
• [15] DE 10 2019 102 454 B3
• [16] DE 10 2019 108 898 A1
• [17] WO 2020/002390 A1
• Die vorerwähnten Belastungsmessverfahren und Belastungsmessanordnungen haben sich zur Messung von Drehmomenten, Kräften, Spannungen bewährt. Allerdings gibt es bei einigen Testobjekten Zielkonflikte hinsichtlich der gewünschten Funktion des Testobjekts und dem Messen der Belastung an dem Testobjekt. So kann es erwünscht sein, das Testobjekt, wie z.B. Wellen, Fahrwerkskomponenten, Kraftübertragungselementen, Getriebeelementen, Fahrradteilen oder dergleichen aus Materialien und/oder in Geometrien zu fertigen, die hinsichtlich Gewicht, Kraftübertragung, Anpassung an Umgebungsbedingungen, Steifheit, Hauptfunktionserfüllung, usw. optimiert sind, die aber zu einer magnetostriktiven Belastungsmessung weniger gut geeignet sind.
• Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Belastungsmessanordnungen und Belastungsmessverfahren der in den Literaturstellten [1] bis [17] genannten Art hinsichtlich Funktion des Testobjekts und Messung der Belastung zu verbessern.
• Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung und ein Belastungsmessverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung schafft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Testobjekts anliegt, wobei das Testobjekt einen Hauptübertragungsbereich aufweist, der einen Großteil der Belastung zwischen dem ersten und den zweiten Bereich aufnimmt, wobei ein Nebenübertragungselement an dem ersten und zweiten Bereich des Testobjekts so befestigt ist, dass es parallel zu dem Hauptübertragungsbereich einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aufnimmt, wobei die Belastungsmessvorrichtung eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Nebenübertragungselement und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement ändernden Magnetfeldparameters aufweist.
• Das Material und/oder die Konstruktion des Nebenübertragungselements kann somit zur optimalen Belastungsmessung ausgebildet werden, während der Übertragungsbereich zur optimalen Funktionserfüllung des Testobjekts ausgebildet werden kann.
• Die Belastungsmessvorrichtung kann so ausgebildet sein, wie dies in den vorerwähnten Literaturstellen [1] bis [17] beschrieben ist und somit z.B. einen Messaufnehmer, wie z.B. Sensorkopf mit Spulen, insbesondere Planarspulen, mehr insbesondere in V- oder X-Anordnung aufweisen, um ein Magnetfeld mittels einer Generatorspule zu erzeugen und von Belastungen abhängige Magnetfeldparameteränderungen mittels Messspulen zu erfassen.
• Demnach ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement ändernden Magnetfeldparameters aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung eine Generatorspule und wenigstens zwei Messspulen aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung Planarspulen aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung wenigstens drei in V-Form angeordnete Spule oder fünf in X-Form angeordnete Spulen aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung und eine mit dem Messaufnehmer verbundene Versorgungs- und Auswerteeinheit aufweist. Bevorzugte weitere Einzelheiten der Versorgungs- und Auswerteeinheit sind insbesondere in der [5], [7] und [17] beschrieben.
• Das Nebenübertragungselement kann insbesondere hinsichtlich Materialauswahl optimal zur Belastungsmessung durch aktive Aufmagnetisierung ausgebildet werden. Bevorzugte Materialen für das Nebenübertragungselement oder zumindest eines Messbereichs desselben sind:
• • Ferromagnetische Materialien
• • Stahl mit einer relativen Permeabilität >2
• • Nichtferromagnetischer Stahl, der durch plastische Verformung mindestens lokal eine relative Permeabilität >2 erhält
• • Eisen mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Nickel mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Cobalt mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Cobalt-Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Cobalt-Nickel-Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Cobalt Nickel Legierungen
• • Ferromagnetische Nickellegierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Ferromagnetische Cobaltlegierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Legierungen, die zu mindestens 70% aus den Elementen Eisen, Cobalt, Nickel, Mangan und Chrom bestehen, wobei nicht alle 5 Elemente enthalten sein müssen und eine magnetische Ordnung (Ferromagnetisch, Ferrimagnetisch, Antiferromagnetisch) aufweisen
• • Metallisches Glas mit einer relativen Pemeabilität >2
• • Röntgenamorphe Metalle mit einer relativen Pemeabilität >2
• • Ferrite mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Mangan-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Nickel-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Strontiumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Bariumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Cobaltferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Magnetit mit < 30% sonstigen Legierungselementen
• • Kaltverfestigte metallische Werkstoffe mit Eigenspannungen, die betragsmäßig > 400 MPa sind und eine Permeabilität >2 aufweisen
  • ◯ Stahl
  • ◯ Eisen < 30% Legierungselementen
  • ◯ Nickel < 30% Legierungselementen
  • ◯ Cobalt < 30% Legierungselementen
  • ◯ Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • ◯ Eisen-Cobalt Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • ◯ Cobalt Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • ◯ Eisen-Cobalt Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • • Metallisches Glas
  • • Mit einer Beschichtung die eine Permeabilität >2 aufweist wobei die Dicke >1 pm ist
    • ◯ Metallisches Glas
    • ◯ Röntgenamorphes Metall
    • ◯ Chemisch Nickel
    • ◯ Galvanisch abgeschiedenes Nickel
    • ◯ Eisen, Cobalt, Nickel Legierungen mit <30% Legierungsanteilen aus anderen Elementen
    • ◯ Eisen, Cobalt, Nickel Legierungen mit 0.5<X<30% Legierungsanteilen aus der Gruppe der Glasbildner/Netzwerkbildner (Phosphor, Bor, Silizium, Arsen, Germanium, Antimon) und <10% sonstigen Legierungsbestandteilen
• Vorzugsweise lässt sich das Nebenübertragungselement getrennt von einem sonstigen Grundkörper des Testobjekts einfacher herstellen. Beispielsweise lässt sich ein kleineres Nebenübertragungselement für eine Materialbearbeitung oder Beschichtung einfacher handhaben als z.B. größere Wellen oder Fahrwerksteile oder dergleichen. Das Nebenübertragungselement kann dann an den Grundkörper des Testobjekts befestigt werden, so dass ein Teil der Belastung über das Nebenübertragungselement aufgenommen wird und dort gemessen werden kann. Daraus kann man dann, beispielsweise nach einer Kalibration, die Belastung des Testobjekts ermitteln.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Kraft, einer Dehnung, eines Drehmoments oder einer axialen Spannung mithilfe einer aktiven Magnetsensorik ausgebildet ist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Testobjekt verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen fest mit dem Nebenübertragungselement verbundenen Messaufnehmer mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist;
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement magnetostriktiv ist und an dem ersten und zweiten Bereich des Testobjekts so angebracht ist, dass eine Verformung des Testobjekts zu einer Verformung des Nebenübertragungselement führt, wobei die Belastungsmessvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Belastung an dem Nebenübertragungselement zu ermitteln.
• Bei einer Ausgestaltung ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich gebildet ist. Dadurch lassen sich Messfehler z.B. aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungen verringern. Durch die Verwendung des Nebenübertragungselements kann die Geometrie des Nebenübertragungselements unabhängig von der Geometrie des Übertragungsbereichs zur Belastungsmessung optimiert werden.
• Bei einer Ausgestaltung ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich gebildet ist, wobei sich jedoch Materialeigenschaften aufgrund unterschiedlicher Wärmebehandlung oder unterschiedlicher mechanischer Bearbeitung unterscheiden. Beispielsweise kann das Nebenübertragungselement einer Kaltverfestigung unterworfen werden. Versuche haben gezeigt, dass sich dadurch Belastungsmessungen mit aktiver Magnetisierung verbessern lassen.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit einer Schicht aus einem Material mit einer relativen Permeabilität >2 beschichtet ist.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit einer Schicht aus einem Material aus der Gruppe beschichtet ist, die chemisch Nickel, Nickel, metallisches Glas, µ-Metall, Ferrit, Permalloy umfasst.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit einem ersten Verbindungsbereich fest mit dem ersten Bereich des Testobjekts verbunden ist und mit einem zweiten Verbindungsbereich fest mit dem zweiten Bereich des Testobjekt befestigt ist, wobei ein zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich angeordneter Messbereich des Nebenübertragungselements nicht mit dem Übertragungsbereich verbunden ist und bei Belastung des Übertragungsbereich parallel belastet wird, wobei die Belastungsmessvorrichtung zur Messung der Belastung an dem Messbereich durch aktive Magnetisierung und Ermitteln eines sich durch die Belastung ändernden Magnetparameters ausgebildet ist.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement mit dem Grundkörper des Testobjekts mittels einer Verbindungstechnik aus der Gruppe verbunden ist, die Nieten, Schrauben, eine stoffschlüssige Verbindung, Schweißen, Löten, Kleben, Bonden, Aufschrumpfen, Krimpen umfasst.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement zumindest an einem Messbereich aus einem kaltverfestigten Metall mit einer Versetzungsdichte >5e8/cm2 oder einer Druckeigenspannung von betragsmäßig > 400 MPa gebildet ist.
• Es ist bevorzugt, dass der Messbereich den ersten und zweiten Verbindungsbereich brückenartig verbindet.
• Es ist bevorzugt, dass der Messbereich eine geringere Dicke und/oder Breite wie die Verbindungsbereiche aufweist.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche und des Messbereichs so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des Testobjekts zu einer stärkeren Dehnung an dem Messbereich führt.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche und des Messbereichs so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des Testobjekts zu einer derartig veränderten Dehnung an dem Messbereich führt, dass eine mittlere Dehnung oder mittlere Spannung an einer Messposition des Messbereichs, welche Messposition von einer einem Messaufnehmer der Belastungsmessvorrichtung zugewandten Oberfläche bis zu einer der Eindringtiefe des Magnetfeldes entsprechenden Tiefe reicht, um mindestens 20% von der mittleren Dehnung bzw. mittleren Spannung des Nebenübertragungselements abweicht.
• Es ist bevorzugt, dass die Verbindungsbereiche wesentlich steifer ausgebildet sind als der Messbereich.
• Es ist bevorzugt, dass der erste Verbindungsbereich, der Messbereich und der zweite Verbindungsbereich als axial aufeinanderfolgend aneinander befestigte Hülsen ausgebildet sind, in denen der Übertragungsbereich aufgenommen ist, wobei die Verbindungsbereiche eine größere Wandstärke als der Messbereich aufweisen, wobei die voneinander weg angeordneten Enden der Verbindungsbereiche mit dem ersten bzw. zweiten Bereich des Testobjekts fest verbunden, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aber Relativbewegungen zwischen den Hülsen und dem Übertragungsbereich möglich sind.
• Es ist bevorzugt, dass der Messbereich elastischer als der Übertragungsbereich ist.
• Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt eine zumindest stückweise zylinderförmige Oberfläche aufweist, die um mindestens 5° um die Zylinderachse der zylinderförmigen Oberfläche drehbar ist, wobei das Nebenübertragungselement ebenfalls zumindest stückweise zylinderförmig ausgebildet ist und an der zylinderförmigen Oberfläche des Testobjekts so angebracht ist, dass es bei Belastungen des Testobjekts verformt wird, wobei ein Messaufnehmer der Belastungsmessvorrichtung, der die Magnetfelderzeugungseinrichtung und die wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist, derart angeordnet ist, dass er sich bei Drehen der zylindrischen Oberfläche nicht mit dreht.
• Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments ist.
• Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt ein Getriebeelement zur Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments ist.
• Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt ein im Betrieb belastetes Teil eines Fahrzeugs oder Hebewerkzeugs ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer an einem Testobjekt zwischen einem ersten und einen zweiten Bereich anliegenden Belastung, wobei das Testobjekt einen Übertragungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich aufweist, umfassend:
1. a) Befestigen eines Nebenübertragungselements an dem ersten und dem zweiten Bereich derart, dass ein größerer Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich durch den Übertragungsbereich und parallel ein kleinerer Teil der Belastung über das Nebenübertragungselement aufgenommen wird,
2. b) Magnetisieren eines in dem Kraftfluss des Nebenübertragungselements liegenden Messbereichs des Nebenübertragungselement und
3. c) Ermitteln eines von der mechanischen Belastung abhängigen Magnetfeldparameter an dem Messbereich,
4. d) Bestimmen der Belastung aus dem ermittelten von der Belastung abhängigen Magnetfeldparameter.
• Vorzugsweise ist die Belastungsmessanordnung zur Durchführung des Belastungsmessverfahrens ausgebildet. Vorzugsweise wird das Belastungsmessverfahren mit der Belastungsmessanordnung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellverfahren einer Belastungsmessanordnung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen, umfassend Bereitstellen eines Grundkörpers des Testobjekts, Bereitstellen eines Nebenübertragungselements, wobei das Nebenübertragungselement separat von dem Grundkörper hergestellt und bearbeitet, insbesondere beschichtet, kaltverfestigt oder einer Wärmebehandlung unterzogen wird, Befestigen eines ersten Verbindungsbereichs des Nebenübertragungselements an dem ersten Bereich des Testkörpers und eines zweiten Verbindungsbereich an dem zweiten Bereich des Testkörpers, so dass sich der zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich befindliche Messbereich des Nebenübertragungselement und der Übertragungsbereich zum Durchführen unterschiedlicher Verformungen relativ zueinander bewegen können, und Anordnen der Belastungsmessvorrichtung zum Messen der Belastung an dem Messbereich.
• Einige Eigenschaften und Vorteile bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
• Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Belastungsmessung mithilfe eines in einem sekundären Kraft- oder Drehmoment- oder Belastungsfluss eingefügten Nebenübertragungselement.
• Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Kraft-/ Dehnungs- / axiale Belastungsmessung mithilfe einer aktiven Magnetfeldsensorik.
• Vorzugsweise wird ein magnetostriktives Nebenübertragungselement (zuweilen auch Nebenschlusselement genannt) an das Messobjekt derart angebracht, dass eine Verformung des Messobjektes zu einer Verformung des Nebenübertragungselementes führt, wobei die Ermittlung der Kraft/Dehnung/Belastung über das Nebenübertragungselement erfolgt.
• Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Belastungsmessanordnung an Objekten mit mindestens stückweise zylinderförmiger Oberfläche, die sich um mindestens 5° um die Zylinderachse rotieren können, wobei ein ebenfalls mindestens stückweise zylinderförmiges Nebenübertragungselement an der Oberfläche angebracht ist, welches durch Belastungen des Grundkörpers ebenfalls verformt wird, und der Messaufnehmer Rotationen des Grundkörpers nicht mitmacht.
• Es ist bevorzugt, dass das Nebenübertragungselement derart geformt ist, dass es als Signal-Verstärker dient, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass es konstruktiv so gestaltet ist, eine Dehnung des Grundkörpers zu einer ungleichmäßigen Dehnung im Nebenübertragungselement führt, wobei die Dehnung oder die mittlere Spannung an der Messposition um mindestens 20% von der mittleren Dehnung oder mittleren Spannung des Nebenübertragungselementes abweicht, wobei die Messposition der dem Messaufnehmer zugewandten Oberfläche bis zu einer Tiefe entspricht, die der Eindringtiefe des Magnetfeldes entspricht.
• Es ist bei einigen Ausführungsformen bevorzugt, dass ein Nebenübertragungselement aus derselben Legierung / Stahlsorte gefertigt wird, wobei die mechanische und Wärmebehandlung abweichen dürfen.
• Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Nebenübertragungselement mit einer magnetischen (relative Permeabilität > 2) Schicht beschichtet ist, insbesondere chemisch Nickel, Nickel, Metallischem Glas, µ-Metall, Ferrit, Permalloy.
• Vorzugsweise ist das Nebenübertragungselement zumindest bereichsweise, insbesondere in einem Messbereich, gebildet aus kaltferfestigtem Metall (z.B. kaltgewalztem Blech, tiefgezogenem Zylinder) mit einer Versetzungsdichte > 5e8/cm², und/oder einer Druckeigenspannung von betragsmäßig größer 400 MPa.
• Vorzugsweise ist das Nebenübertragungselement aus µMetall oder Metglass.
• Vorzugsweise ist das Nebenübertragungselement über eine der folgenden Anbringungsmethoden mit dem Grundkörper verbunden:
1. 1. Nieten
2. 2. Schrauben
3. 3. Stoffschlüssig
   1. a. Schweißen
   2. b. Löten
   3. c. Kleben
   4. d. Bonden
4. 4. Aufschrumpfen
5. 5. Krimpen
• Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer fest mit dem Grundkörper verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer fest mit dem Nebenübertragungselement verbunden ist.
• Einige Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund von Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist, wobei mindestens ein Messbereich (hier an einem Nebenübertragungselement des Testobjekts) mindestens in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm, bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, plastisch verformt wurde, um eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² zu erhalten.
• Entsprechend umfasst eine bevorzugte Ausgestaltung des Herstellverfahrens plastisches Verformen zumindest eines Messbereichs des Nebenübertragungselements mindestens in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20µm, bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um eine Versetzungsdichte von mindestens 5e8/cm² zu erhalten.
• Vorzugsweise ist/wird ein oberflächennaher Bereich (hier des Nebenübertragungselements) mithilfe einer der folgenden Methoden plastisch verformt:
1. 1. Walzen z.B.:
   1. a. Kugelwalzen
   2. b. Glattwalzen
   3. c. Festwalzen
2. 2. Strahlen z.B.:
   1. a. Kugelstrahlen
   2. b. Glasperlenstrahlen
   3. c. Ultraschallstrahlen
   4. d. Edelstahlstrahlen
   5. e. Drahtkornstrahlen
   6. f. Sandstrahlen
   7. g. Eisstrahlen
   8. h. Hochdruckwasserstrahlen
   9. i. Feuchtstrahlen
3. 3. Laser-Shockpeening
4. 4. Dengeln
• Bei einer Ausgestaltung ist/wird das Nebenübertragungselement aus einem zuvor bereits kaltverfestigten Material gefertigt.
• Vorzugsweise ist/wird das Nebenübertragungselement aus einem kaltverfestigten Material gefertigt.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
• 1 eine schematische Blockdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Belastungsmessanordnung;
• 2 eine schematische Blockdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Belastungsmessanordnung;
• 3 eine schematische Unteransicht auf ein Nebenübertragungselement für eine Belastungsmessanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Belastungsmessanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 5 eine weitere schematische Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Belastungsmessanordnung;
• 6 eine teils geschnittene, teils perspektivische Darstellung eines Testobjekts der Belastungsmessanordnung von 5;
• 7 einen Graph, der die Versetzungsdichte über die Tiefe bezüglich der Oberfläche für einen Messbereich des Testobjekts aus einem kaltverfestigten Material zeigt;
• 8 einen Graph vergleichbar von 7, wobei anstelle der Versetzungsdichte die Druckeigenspannung des kaltverfestigten Messbereichs über die Tiefe bezüglich der Oberfläche dargestellt ist;
• 9 einen Graph, der Sensor-Signale an einem Messbereich aus Stahl 1.4.104 mit und ohne Kaltverfestigung, hier durch Kugelstrahlen dargestellt;
• 10 einen Graph, der die Messabweichung für eine Messung an einem Messbereich aus Stahl 1.4104 mit und ohne Kugelstrahlung darstellt, wobei ein Messfehler gegenüber einem idealen Sensor für Messbereiche ohne Kugelstrahlen und mit Kugelstrahlen unterschiedlicher Intensität dargestellt sind;
• 11 einen Graph wie in 9, wobei der Messbereich aus Stahl 1.4112 gebildet ist;
• 12 einen Graph wie in 10, wobei der Messbereich aus Stahl 1.4112 gebildet ist;
• 13 einen Graph wie in 9, wobei der Messbereich aus Stahl 1.7227 gebildet ist;
• 14 einen Graph wie in 10, wobei der Messbereich aus Stahl 1.7227 gebildet ist;
• In den 1, 2, 4 und 5 sind unterschiedliche Ausführungsformen einer Belastungsmessanordnung 10 dargestellt, die ein Testobjekt 12 und eine Belastungsmessvorrichtung 14 zum Messen einer Belastung an dem Testobjekt 12 aufweist.
• Die Belastungsmessvorrichtung 14 weist wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung 16, 16a, 16b auf, mit der ein sich aufgrund von Spannungen in einem Messbereich 18 des Testobjekts 12 ändernden Magnetfeldparameter gemessen wird.
• Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 14 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 auf, mit der aktiv ein Magnetfeld in dem Messbereich 18 generiert wird. Hierdurch muss der Messbereich 18 nicht selbst permanent magnetisiert werden.
• Die Belastungsmessvorrichtung 14 weist, wie dies in 1 angedeutet ist, einen beispielsweise als Sensorkopf 22 ausgebildeten Messaufnehmer 24 sowie eine Versorgungs- und Auswerteeinheit 26 auf. Der Messaufnehmer 24 weist als Planarspulen ausgebildete Spulen in Form einer Generatorspule 28 zum Bilden der Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 und in Form einer ersten Messspule 30a zum Bilden einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 16a und einer zweiten Messspule 30b zum Bilden einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung 16b auf. Konkrete mögliche Ausgestaltungen der Belastungsmessvorrichtung 14 inklusive Sensorkopf 22 und Versorgungs- und Auswerteeinheit 26 können den eingangs erwähnten Literaturstellen [1] bis [17] entnommen werden.
• Das Testobjekt 12 weist ein Messobjekt 32 wie beispielsweise eine Welle, eine Fahrwerkskomponente, ein Kraftübertragungselement, ein Getriebeelement, eine Fahrradkurbel oder irgendein sonstiges Element, an dem eine Belastung, wie beispielsweise eine Kraft, eine mechanische Spannung, ein Drehmoment, gemessen werden soll, auf.
• Das Messobjekt 32 weist einen Grundkörper 34 mit einem ersten Bereich 36, einem Übertragungsbereich 38 und einem zweiten Bereich 40 auf. Zwischen dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 liegt die zu messende Belastung an. Der erste Bereich 36 ist beispielsweise ein Eingangsbereich, wie beispielsweise ein Eingangsende einer Welle oder ein Eingangsbereich eines hinsichtlich der zu erfassenden Belastung interessierenden Bereichs des Messobjekts 32. Der zweite Bereich 40 ist beispielsweise ein Ausgangsende einer Welle oder ein Ausgangsbereich eines hinsichtlich der Belastung interessierenden Bereichs des Messobjekts 32. Der Übertragungsbereich 38 verbindet den ersten Bereich 36 mit dem zweiten Bereich 40, sodass der Großteil der Belastung durch den Übertragungsbereich 38 aufgenommen wird. Der Grundkörper 34 und insbesondere der Übertragungsbereich 38 sind hinsichtlich der Funktion, die das Messobjekt 32 erfüllen soll, optimiert ausgebildet. Insbesondere muss der Grundkörper 34 und der Übertragungsbereich 38 nicht aus einem Material gebildet sein, welches für eine magnetostriktive Belastungsmessung optimiert oder auch nur ausgebildet ist. Der Grundkörper 34 könnte zum Beispiel aus faserverstärkten Materialien, aus Nichtmetallen oder aus Metallen ohne magnetische Eigenschaften oder mit nur schlechten magnetischen Eigenschaften gebildet sein. Falls ein Grundkörper 34 aus Stahl ausgewählt wird, braucht die Stahlsorte nicht hinsichtlich magnetostriktiver Eigenschaften ausgewählt oder bearbeitet oder beschichtet werden.
• Das Testobjekt 12 weist weiter ein Nebenübertragungselement 42 auf, welches parallel zu dem Übertragungsbereich 38 belastet wird und einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 aufnimmt. Das Nebenübertragungselement 42 und der Übertragungsbereich 38 sind nicht miteinander verbunden, sodass lokale Relativverschiebungen zwischen dem Nebenübertragungselement 42 und dem Übertragungsbereich 38 möglich sind und insbesondere lokal unterschiedliches Verformen von Übertragungsbereich 38 und Nebenübertragungselement 42 ermöglicht sind.
• Der Messbereich 18 ist an dem Nebenübertragungselement 42 ausgebildet. Das Nebenübertragungselement 42 ist hinsichtlich Konstruktion und Materialauswahl und/oder Materialbearbeitung hinsichtlich magnetostriktiver Belastungsmessung im Wesentlichen unabhängig von dem Grundkörper 34 optimiert.
• Das Nebenübertragungselement 42 kann insbesondere hinsichtlich Materialauswahl optimal zur Belastungsmessung durch aktive Aufmagnetisierung ausgebildet werden. Bevorzugte Materialen für das Nebenübertragungselement 42 oder zumindest des Messbereichs 18 desselben sind:
• • Ferromagnetische Materialien
• • Stahl mit einer relativen Permeabilität >2
• • Nichtferromagnetischer Stahl, der durch plastische Verformung mindestens lokal eine relative Permeabilität >2 erhält
• • Eisen mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Nickel mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Cobalt mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Cobalt-Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Cobalt-Nickel-Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Cobalt Nickel Legierungen
• • Ferromagnetische Nickellegierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Ferromagnetische Cobaltlegierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
• • Legierungen, die zu mindestens 70% aus den Elementen Eisen, Cobalt, Nickel, Mangan und Chrom bestehen, wobei nicht alle 5 Elemente enthalten sein müssen und eine magnetische Ordnung (Ferromagnetisch, Ferrimagnetisch, Antiferromagnetisch) aufweisen
• • Metallisches Glas mit einer relativen Pemeabilität >2
• • Röntgenamorphe Metalle mit einer relativen Pemeabilität >2
• • Ferrite mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Mangan-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Nickel-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Strontiumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Bariumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Cobaltferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen, mit einer relativen Permeabilität >2
  • ◯ Magnetit mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • • Kaltverfestigte metallische Werkstoffe mit Eigenspannungen, die betragsmäßig > 400 MPa sind und eine Permeabilität >2 aufweisen
    • ◯ Stahl
    • ◯ Eisen < 30% Legierungselementen
    • ◯ Nickel < 30% Legierungselementen
    • ◯ Cobalt < 30% Legierungselementen
    • ◯ Eisen-Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
    • ◯ Eisen-Cobalt Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
    • ◯ Cobalt Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
    • ◯ Eisen-Cobalt Nickel Legierungen mit < 30% sonstigen Legierungselementen
  • • Metallisches Glas
  • • Mit einer Beschichtung die eine Permeabilität >2 aufweist wobei die Dicke >1 pm ist
    • ◯ Metallisches Glas
    • ◯ Röntgenamorphes Metall
    • ◯ Chemisch Nickel
    • ◯ Galvanisch abgeschiedenes Nickel
    • ◯ Eisen, Cobalt, Nickel Legierungen mit <30% Legierungsanteilen aus anderen Elementen
    • ◯ Eisen, Cobalt, Nickel Legierungen mit 0.5<X<30% Legierungsanteilen aus der Gruppe der Glasbildner/Netzwerkbildner (Phosphor, Bor, Silizium, Arsen, Germanium, Antimon) und <10% sonstigen Legierungsbestandteilen
• Das Nebenübertragungselement 42 weist einen ersten Verbindungsbereich 44, den Messbereich 18 und einen zweiten Verbindungsbereich 46 auf. Mit dem ersten Verbindungsbereich 44 ist das Nebenübertragungselement 42 an dem ersten Bereich 36 des Grundkörpers 34 befestigt. Mit dem zweiten Verbindungsbereich 46 ist das Nebenübertragungselement 42 an dem zweiten Bereich 40 des Grundkörpers 34 befestigt. Mögliche Befestigungsverfahren zum Befestigen der Verbindungsbereiche 44, 46 mit den Bereichen 36, 40 des Grundkörpers 34 sind:
1. 1. Nieten
2. 2. Schrauben
3. 3. Stoffschlüssig
   1. a. Schweißen
   2. b. Löten
   3. c. Kleben
   4. d. Bonden
4. 4. Aufschrumpfen
5. 5. Krimpen
• In 1 ist eine erste Ausführungsform der Belastungsmessanordnung 10 gezeigt. Der Grundkörper 34 weist an dem ersten Bereich 36 und dem zweiten Bereich 40 Vorsprünge oder Ausleger 48 auf, deren freien Enden mit den Verbindungsbereichen 44, 46 des Nebenübertragungselements 42 verbunden sind. Das Nebenübertragungselement 42 ist brückenartig über diese Ausleger 48 gelegt und mit diesen verbunden. Der Messaufnehmer 24 ist bei diesem Ausführungsbeispiel fest mit dem Nebenübertragungselement 42 verbunden. Bei einer nicht dargestellten Variante ist der Messaufnehmer 24 fest mit dem Grundkörper 34, beispielsweise unterhalb des Nebenübertragungselements 42, verbunden. Wird eine Belastung, wie beispielsweise ein Drehmoment oder eine Kraft zwischen dem linken Ende und dem rechten Ende des Grundkörpers 34 angelegt, wird ein Großteil dieser Kraft über den Übertragungsbereich 38 geleitet, während ein kleinerer Teil über die Ausleger 48 und die Verbindungsbereiche 44, 46 in das Nebenübertragungselement 42 eingeleitet wird. Wird somit der Grundkörper 34 durch die Belastung beispielsweise verformt, dann verformt sich auch das Nebenübertragungselement 42. Die dadurch in dem Nebenübertragungselement 42 auftretenden Spannungen lassen sich magnetostriktiv erfassen und sind ein Maß für die auf dem Grundkörper 34 aufliegende Belastung.
• Wie die Ausführungsform von 2 zeigt, kann der Grundkörper 34 auch zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet sein, wobei auch das Nebenübertragungselement 42 zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet ist. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 32 eine Welle mit zylinderförmiger Gestalt. Das Nebenübertragungselement 42 ist als Hülse ausgebildet, die über die Welle gestülpt ist. Die beiden Enden der Hülse, die das Nebenübertragungselement 42 bilden, sind mit dem Grundkörper 34 verbunden und bilden somit die Verbindungsbereiche 44, 46. Die Innenseite der Hülse, die das Nebenübertragungselement 42 bildet, ist entweder mit Abstand zu der Außenseite des von der Hülse hier überdeckten Übertragungsbereich 38 ausgebildet oder liegt gleitend darauf auf.
• 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Nebenübertragungselement 42, das so ausgebildet ist, dass es als Signalverstärkung dient. Das Nebenübertragungselement 42 ist derart ausgebildet, dass Spannungen, die durch eine Relativbewegung der Verbindungsbereiche 44, 46 entstehen, in dem Messbereich 18 konzentriert werden. Beispielsweise sind die Verbindungsbereiche 44, 46, hier dargestellt mit Kontaktpunkten 50, zum Beispiel Schweißpunkten, aus einem dickeren Material oder in der Breite wesentlich größer als der Messbereich 18 ausgebildet. Die Konstruktion ist derart, dass Spannung an derjenigen Oberfläche des Messbereichs 18 konzentriert werden, die dem Messaufnehmer 24 zugewandt ist. Dies lässt sich durch entsprechende Dicken und Übergängen zwischen den Verbindungsbereichen 44, 46 und dem Messbereich 18 erreichen. Die Konstruktion wird derart gewählt, dass die Spannung in dem oberflächennahen Bereich des Messbereichs 18 um mindestens 20 Prozent größer ist als die mittlere Spannung zwischen den Kontaktpunkten 50 des ersten und zweiten Verbindungsbereich 44, 46.
• 4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Belastungsmessanordnung 10, bei dem das Nebenübertragungselement 42 zur Signalverstärkung ausgebildet ist. Der erste Verbindungsbereich 44 ist an einem ersten Ende einer ersten Hülse 52 ausgebildet, und der zweite Verbindungsbereich 46 ist an dem entgegengesetzten Ende einer zweiten Hülse 54 ausgebildet. Die beiden zueinander gewandten Enden der Hülsen 52, 54 sind mit einer Messbereich-Hülse 56 verbunden, deren Wandstärke deutlich geringer als die Wandstärke der ersten und zweiten Hülse 52, 54 ist. Der Grundkörper 34 ist als Vollwelle ausgebildet.
• Bei der Ausgestaltung von 4 sind die Hülsen 52, 54, 56 außen um den als Vollwelle ausgebildeten Übertragungsbereich 38 herum angeordnet, wobei sich zwischen der Innenseite der Hülsen 52, 54, 56 und der Außenseite des Übertragungsbereichs 38 Gleitflächen 64 befinden, sodass Relativverdrehungen zwischen der als Messröhre ausgebildeten Messbereichs-Hülse 56 und dem Übertragungsbereich 38 möglich sind. Der Übertragungsbereich 38 kann so gleichmäßig belastet werden, während sich in dem Nebenübertragungselement 42 eine Verformung an der Messbereichs-Hülse 56 konzentriert.
• Weiter ist der Kraftfluss 58 der Belastung des Nebenübertragungselement 42 bei Übertragung eines Drehmoments über die Vollwelle - Messobjekt 32 - dargestellt. Die Anordnung von 4 zeigt eine Hauptübertragung des Drehmoments über den Übertragungsbereich 38 und eine Kraftnebenübertragung über das Nebenübertragungselement 42 mit einer Verdrehungs-Verstärkung, um rotierende Drehmomentmessung zu ermöglichen. Der als Sensorkopf 22 ausgebildete Messaufnehmer 24 ist im Bereich radial außerhalb der Messbereichs-Hülse 56 stationär angeordnet. Bei Drehung des Messobjekts 32 dreht sich die Messbereichs-Hülse 56 relativ zu dem Sensorkopf 22. Die Verbindung der Verbindungsbereiche 44, 46 mit den Bereichen 36, 40 des Messobjekts 32 sind durch eine Schweißung 60 oder eine Lötverbindung 62 fest verbunden. Die erste und zweite Hülse 52, 54 sind als steife Röhren für eine Verdrehungsrückführung ausgebildet und gleiten mit Gleitflächen 64 auf der Außenseite des Übertragungsbereichs 38. D. h. die erste und zweite Hülse 52, 54 sind wesentlich steifer als die Messbereichs-Hülse 56.
• Mit dieser Konstruktion lässt sich der volle Verdrehwinkel, welcher sich über die Hauptkraft führende Vollwelle aufbaut, mittels zweier aufgeschweißter oder angelöteter steifer Röhren zur Messröhre transportieren. Die Messröhre kann so ausgelegt sein, dass sie die volle Safety-Faktor-Marge ausnutzt.
• Die Messröhre - Messbereichs-Hülse 56 - ist elastischer ausgebildet als die Vollwelle, damit nur ein Bruchteil des Gesamtdrehmoments in die Messröhre eingeleitet wird.
• 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Belastungsmessanordnung 10, die nach ähnlichem Prinzip wie die Ausführung gemäß 4 arbeitet. Hier sind aber die erste und die zweite Hülse 52, 54, sowie die Messbereichs-Hülse 56 nicht außen an dem Grundkörper 34 ausgebildet; vielmehr ist der Grundkörper 34 als Torsionsröhre ausgebildet, wobei die Hülsen 52, 54, 56 an einer Innenseite derselben und somit im Inneren der Torsionsröhre angeordnet sind. Auch der Messaufnehmer 24/ Sensorkopf 22 befindet sich innen. Diese Konstruktion ist beispielsweise für Fahrwerkskomponenten, wie zum Beispiel Wankstabilisatoren, oder dergleichen geeignet, bei denen Drehmomente oder sonstige Belastungen über ein Rohrelement übertragen werden können, wobei raue Umweltbedingungen herrschen können. Wie man der Darstellung an 5 entnehmen kann, kann die Messbereichs-Hülse 56 anstelle einer Anordnung axial zwischen der ersten und zweiten Hülse 52, 54 auch radial versetzt, aufliegend auf Umfangsflächen der Hülsen 52, 54 angeordnet sein. Ansonsten entsprechen die Ausbildung und Funktion der in 5 dargestellten Ausführung derjenigen von 4.
• Wie man der Darstellung von 6 entnehmen kann, kann das Nebenübertragungselement 42 auch Aussparungen 66 hier zum Beispiel gebildet durch Bohrungen oder runde Öffnungen 68 und dreiecksförmige Durchgangsöffnungen 70 oder auch Sackvertiefungen aufweisen, um bei einer Relativdrehung der Verbindungsbereiche 44, 46 auftretende Spannungen im Messbereich 18 lokal zu konzentrieren.
• Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist zumindest der Messbereich 18, hier insbesondere der oberflächennahe Bereich von der zu dem Messaufnehmer 24 hin gerichteten Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 20 µm, kaltverfestigt.
• Dies kann zum Beispiel durch eine lokale mechanische Kaltverfestigungsbearbeitung erfolgen. Gemäß Ausführungsbeispielen wird der oberflächennahe Bereich zumindest des Messbereichs 18 des Nebenübertragungselements 42 mit Hilfe einer der folgenden Methoden plastisch kaltverformt:
1. 1. Walzen z.B.:
   1. a. Kugelwalzen
   2. b. Glattwalzen
   3. c. Festwalzen
2. 2. Strahlen z.B.:
   1. a. Kugelstrahlen
   2. b. Glasperlenstrahlen
   3. c. Ultraschallstrahlen
   4. d. Edelstahlstrahlen
   5. e. Drahtkornstrahlen
   6. f. Sandstrahlen
   7. g. Eisstrahlen
   8. h. Hochdruckwasserstrahlen
   9. i. Feuchtstrahlen
3. 3. Laser-Shockpeening
4. 4. Dengeln
• Bei einer anderen möglichen Ausgestaltung wird zunächst ein Material, wie beispielsweise ein Blech, aus einem der obengenannten möglichen Materialien bereitgestellt und entsprechend plastisch kaltverformt und aus diesem Blech dann das Nebenübertragungselement 42, zum Beispiel durch Ausstanzen, hergestellt.
• 7 zeigt die durch eine der obengenannten Bearbeitungsverfahren in dem Material hervorgehobene Versetzungsdichte über die Tiefe dargestellt, wobei 0 die Position der Oberfläche darstellt. Die Bearbeitung wird so durchgeführt, dass die Versetzungsdichte in dem oberflächennahen Bereich bis 20 µm mindestens 5e8/cm² beträgt. 8 zeigt die Druckeigenspannung eines derart bearbeiteten Materials. Diese ist derart, dass die Druckeigenspannung betragsmäßig mindestens 400 MPa in dem Bereich zwischen der Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 20 µm beträgt.
• 9 zeigt am Beispiel des Materials Stahl 1.4104 den Einfluss der Kaltverfestigung am Beispiel von Kugelstrahlen mit unterschiedlicher Intensität. Während ein Testobjekt 12, dessen Messbereich 18 nicht kugelgestrahlt worden ist, deutliche Abweichungen von einer idealen Kennlinie, welche linear durch den Nullpunkt führt, hat, nähern sich Messwerte an Testobjekten 12 mit Kugelstrahlung der idealen Linie an. 10 zeigt die Messabweichung vom idealen Sensor für ein Testobjekt 12 mit einem Messbereich 18 aus Stahl 1.4104 mit und ohne Kugelstrahlen. Auch hier ist ersichtlich, dass sich die Messwerte bei einem Messbereich 18 mit Kaltverformung gegenüber dem unbearbeiteten Material deutlich verbessern. Die 11 und 12 zeigen vergleichbare Graphen wie 9 und 10 für Stahl 1.4 112 zum Bilden des Messbereichs 18; und die 13 und 14 zeigen die entsprechenden Graphen für Stahl 1.7227 als Material für den Messbereich 18.
• Wie aus diesen Bespielen ersichtlich, ist der Effekt der Kaltverformung bei unterschiedlichen Materialien vorhanden.
• Bezugszeichenliste

10

Belastungsmessanordnung

12

Testobjekt

14

Belastungsmessvorrichtung

16

Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)

16a

erste Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)

16b

zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b)

18

Messbereich

20

Magnetfelderzeugungseinrichtung

22

Sensorkopf

24

Messaufnehmer

26

Versorgungs- und Auswerteinheit

28

Generatorspule

30a

erste Messspule

30b

zweite Messspule

32

Messobjekt

34

Grundkörper

36

ersten Bereich

38

Übertragungsbereich

40

zweiter Bereich

42

Nebenübertragungselement

44

ersten Verbindungsbereich

46

zweiter Verbindungsbereich

48

Ausleger

50

Kontaktpunkten

52

erste Hülse

54

zweite Hülse

56

Messbereichs-Hülse

58

Kraftfluss

60

Schweißung

62

Lötverbindung

64

Gleitfläche

66

Aussparung

68

runde Öffnung

70

dreiecksförmige Durchgangsöffnung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2018019859 [0003]
• DE 102016117529 A1 [0003]
• DE 102017107716 A1 [0003]
• DE 102017109114 B4 [0003]
• WO 2018229016 [0003]
• WO 2019197500 [0003]
• WO 2019207166 [0003]
• WO 2019243448 A1 [0003]
• DE 102018120400 A1 [0003]
• DE 102018120401 A1 [0003]
• DE 102018124644 B4 [0003]
• DE 102018120794 A1 [0003]
• WO 2020038614 A1 [0003]
• DE 102019102454 B3 [0003]
• DE 102019108898 A1 [0003]
• WO 2020002390 A1 [0003]

Claims (10)

1. Belastungsmessanordnung (10) umfassend ein Testobjekt (12) und eine Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung einer Belastung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) anliegt, wobei das Testobjekt (12) einen Übertragungsbereich (38) aufweist, der einen Großteil der Belastung zwischen dem ersten und den zweiten Bereich (36, 40) aufnimmt, wobei ein Nebenübertragungselement (42) an dem ersten und zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) so befestigt ist, dass es parallel zu dem Übertragungsbereich (38) einen kleineren Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aufnimmt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Nebenübertragungselement (42) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (16) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) ändernden Magnetfeldparameters aufweist.
2. Belastungsmessanordnung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass die Belastungsmessvorrichtung (14) 2.1 eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (16a, 16b) zum Erfassen des sich aufgrund der Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) ändernden Magnetfeldparameters aufweist, 2.2 eine Generatorspule (28) und wenigstens zwei Messspulen (30a, 30b) aufweist; 2.3 Planarspulen aufweist, 2.4 in wenigstens drei in V-Form angeordnete Spule oder fünf in X-Form angeordnete Spulen aufweist; 2.5 einen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16) und eine mit dem Messaufnehmer (24) verbundene Versorgungs- und Auswerteeinheit (26) aufweist.
3. Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenübertragungselement (42) zumindest teilweise aus einem Material aus der Gruppe gebildet ist, welche ferromagnetisches Material, Stahl mit einer relativen Permeabilität >2, nichtferromagnetischer Stahl, der durch plastische Verformung mindestens lokal eine relative Permeabilität >2 erhält, Eisen mit < 30% Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Nickel mit < 30% Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Cobalt mit < 30% Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Eisen-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Eisen-Cobalt-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Cobalt-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung, eine ferromagnetische Nickellegierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine ferromagnetische Cobaltlegierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Eisen-Nickel Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, eine Legierung, die zu mindestens 70% aus den Elementen Eisen, Cobalt, Nickel, Mangan und Chrom besteht, wobei nicht alle fünf Elemente enthalten sein müssen und eine magnetische Ordnung, eine ferromagnetische Ordnung, eine ferrimagnetische Ordnung oder eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen, ein metallisches Glas mit einer relativen Pemeabilität >2, ein röntgenamorphes Metall mit einer relativen Pemeabilität >2, Ferrite mit einer relativen Permeabilität >2, Mangan-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Nickel-Zink-Ferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Strontiumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Bariumferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Cobaltferrite mit < 30% sonstigen Legierungselementen und mit einer relativen Permeabilität >2, Magnetit mit < 30% sonstigen Legierungselementen, einen kaltverfestigten metallischen Werkstoffe mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, und mit einer Permeabilität >2, kaltverfestigter Stahl, mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, kaltverfestigtes Eisen mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigtes Nickel mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigtes Cobalt mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Nickel Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Cobalt-Nickel-Legierung mit einer Eigenspannung, die betragsmäßig > 400 MPa ist, mit < 30% sonstigen Legierungselementen, kaltverfestigte Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung mit < 30% sonstigen Legierungselementen, metallisches Glas, ein Material mit einer Beschichtung, die eine relative Permeabilität >2 und eine Dicke >1µm aufweist ein Material mit einer Beschichtung aus röntgenamorphes Metall und einer relativen Permeabilität >2, ein Material mit einer Beschichtung aus metallischen Glas, ein Material mit einer Beschichtung aus chemisch Nickel, ein Material mit einer Beschichtung aus galvanisch abgeschiedenen Nickel, ein Material mit einer Beschichtung aus Eisen-Cobalt-Nickel-Legierungen mit <30% Legierungsanteilen aus anderen Elementen und eine Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung mit 0.5<X<30% Legierungsanteilen aus der Gruppe der Glasbildner/Netzwerkbildner, insbesondere Phosphor, Bor, Silizium, Arsen, Germanium, Antimon, und <10% sonstigen Legierungsbestandteilen umfasst.
4. Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass die Belastungsmessvorrichtung (14) 4.1 zum Messen einer Kraft, einer Dehnung, eines Drehmoments oder einer axialen Spannung mithilfe einer aktiven Magnetsensorik ausgebildet ist; 4.2 einen fest mit einem Grundkörper (34) des Testobjekts (12) verbundenen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16) aufweist; 4.3 einen fest mit dem Nebenübertragungselement (42) verbundenen Messaufnehmer (24) mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und der wenigstens einen Magnetfelderfassungseinrichtung (16) aufweist;
5. Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass das Nebenübertragungselement (42) 5.1 magnetostriktiv ist und an dem ersten und zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) so angebracht ist, dass eine Verformung eines Grundkörpers (34) des Testobjekts (12) zu einer Verformung des Nebenübertragungselement (42) führt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, die Belastung an dem Nebenübertragungselement (42) zu ermitteln; 5.2 aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich (38) gebildet ist; 5.3 aus dem gleichen Material wie der Übertragungsbereich (38) gebildet ist, wobei sich jedoch Materialeigenschaften aufgrund unterschiedlicher Wärmebehandlung oder unterschiedlicher mechanischer Bearbeitung unterscheiden; 5.4 mit einer Schicht aus einem Material mit einer relativen Permeabilität >2 beschichtet ist; 5.5 mit einer Schicht aus einem Material aus der Gruppe beschichtet ist, die chemisch Nickel, Nickel, metallisches Glas, µ-Metall, Ferrit, Permalloy umfasst; 5.6 mit einem ersten Verbindungsbereich fest mit dem ersten Bereich (36) des Testobjekts (12) verbunden ist und mit einem zweiten Verbindungsbereich (46) fest mit dem zweiten Bereich (40) des Testobjekt (12) befestigt ist, wobei ein zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich (44, 46) angeordneter Messbereich (18) des Nebenübertragungselements (42) nicht mit dem Übertragungsbereich (38) verbunden ist und bei Belastung des Übertragungsbereich (38) parallel belastet wird, wobei die Belastungsmessvorrichtung (14) zur Messung der Belastung an dem Messbereich (18) durch aktive Magnetisierung und Ermitteln eines sich durch die Belastung ändernden Magnetparameters ausgebildet ist; 5.7 mit dem ersten und zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) mittels einer Verbindungstechnik aus der Gruppe verbunden ist, die Nieten, Schrauben, eine stoffschlüssige Verbindung, Schweißen, Löten, Kleben, Bonden, Aufschrumpfen, Krimpen umfasst; 5.8 zumindest an einem Messbereich aus einem kaltverfestigten Metall mit einer Versetzungsdichte >5e8/cm² oder einer Druckeigenspannung von betragsmäßig > 400 MPa gebildet ist.
6. Belastungsmessvorrichtung (14) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, 6.1 dass der Messbereich (18) den ersten und zweiten Verbindungsbereich (44, 46) brückenartig verbindet, 6.2 dass der Messbereich (18) eine geringere Dicke und/oder Breite wie die Verbindungsbereiche (44, 46) aufweist; 6.3 dass das Nebenübertragungselement (42) hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche (44, 46) und des Messbereichs (18) so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich (36) und dem zweiten Bereich (40) des Testobjekts (12) zu einer stärkeren Dehnung an dem Messbereich (18) führt; 6.4 dass das Nebenübertragungselement (42) hinsichtlich Konstruktion und relativer Geometrie der Verbindungsbereiche (44, 46) und des Messbereichs (18) so ausgebildet ist, dass eine Dehnung zwischen dem ersten Bereich (36) und dem zweiten Bereich (40) des Testobjekts (12) zu einer derartig veränderten Dehnung an dem Messbereich (18) führt, dass eine mittlere Dehnung oder mittlere Spannung an einer Messposition des Messbereichs (18), welche Messposition von einer einem Messaufnehmer (24) der Belastungsmessvorrichtung (14) zugewandten Oberfläche bis zu einer der Eindringtiefe des Magnetfeldes entsprechenden Tiefe reicht, um mindestens 20% von der mittleren Dehnung bzw. mittleren Spannung des Nebenübertragungselements (42) abweicht; 6.5 dass die Verbindungsbereiche (44, 46) wesentlich steifer ausgebildet sind als der Messbereich (18); 6.6 dass der erste Verbindungsbereich (44) , der Messbereich (18) und der zweite Verbindungsbereich (46) als axial aufeinanderfolgend aneinander befestigte Hülsen (52, 54, 56) ausgebildet sind, in denen der Übertragungsbereich (38) aufgenommen ist, wobei die Verbindungsbereiche (44, 46) eine größere Wandstärke als der Messbereich (18) aufweisen, wobei die voneinander weg angeordneten Enden der Verbindungsbereiche (44, 46) mit dem ersten bzw. zweiten Bereich (36, 40) des Testobjekts (12) fest verbunden, zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aber Relativbewegungen zwischen den Hülsen (52, 54, 56) und dem Übertragungsbereich (38) möglich sind; 6.7 dass der Messbereich (18) elastischer als der Übertragungsbereich (38) ist.
7. Belastungsmessanordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale, dass das Testobjekt (12) 7.1 eine zumindest stückweise zylinderförmige Oberfläche aufweist, die um mindestens 5° um die Zylinderachse der zylinderförmigen Oberfläche drehbar ist, wobei das Nebenübertragungselement (42) ebenfalls zumindest stückweise zylinderförmig ausgebildet ist und an der zylinderförmigen Oberfläche des Testobjekts (12) so angebracht ist, dass es bei Belastungen des Testobjekts (12) verformt wird, wobei ein Messaufnehmer (24) der Belastungsmessvorrichtung (14), der die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) und die wenigstens eine Magnetfelderfassungseinrichtung (16) aufweist, derart angeordnet ist, dass er sich bei Drehen der zylindrischen Oberfläche nicht mit dreht; 7.2 eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments ist; 7.3 ein Getriebeelement zur Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments ist; 7.4 ein im Betrieb belastetes Teil eines Fahrzeugs oder Hebewerkzeugs ist.
8. Belastungsmessverfahren zum Messen einer an einem Testobjekt (12) zwischen einem ersten und einen zweiten Bereich (36, 40) anliegenden Belastung, wobei das Testobjekt (12) einen Übertragungsbereich (38) zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) aufweist, umfassend: a) Befestigen eines Nebenübertragungselements (42) an dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) derart, dass ein größerer Teil der Belastung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (36, 40) durch den Übertragungsbereich (38) und parallel ein kleinerer Teil der Belastung über das Nebenübertragungselement (42) aufgenommen wird, b) Magnetisieren eines in dem Kraftfluss (58) des Nebenübertragungselements (42) liegenden Messbereichs (18) des Nebenübertragungselement (42) und c) Ermitteln eines von der mechanischen Belastung abhängigen Magnetfeldparameter an dem Messbereich, d) Bestimmen der Belastung aus dem ermittelten von der Belastung abhängigen Magnetfeldparameter.
9. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 8, durchgeführt mit einer Belastungsmessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Herstellverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend Bereitstellen eines Grundkörpers (34) des Testobjekts (12), Bereitstellen eines Nebenübertragungselements (42), wobei das Nebenübertragungselement (42) separat von dem Grundkörper (34) hergestellt und bearbeitet, insbesondere beschichtet, kaltverfestigt oder einer Wärmebehandlung unterzogen, wird, Befestigen eines ersten Verbindungsbereich (44) des Nebenübertragungselements (42) an dem ersten Bereich (36) des Testkörpers (12) und eines zweiten Verbindungsbereich (46) an dem zweiten Bereich (40) des Testkörpers (12) , so dass sich der zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsbereich (44, 46) befindliche Messbereich (18) des Nebenübertragungselement (42) und der Übertragungsbereich (38) zum Durchführen unterschiedlicher Verformungen relativ zueinander bewegen können, und Anordnen der Belastungsmessvorrichtung (14) zum Messen der Belastung an dem Messbereich (18).

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