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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen in einem Bauteil, insbesondere zur Messung von Drehmomenten an einer Welle, umfassend einen Sensor, welcher mittels einer stoffschlüssigen Verbindung derart auf dem Bauteil fixiert ist, dass eine Verformung des Bauteils im Bereich des Sensors eine Verformung des Sensors bewirkt, wobei die stoffschlüssige Verbindung mit einer im Wesentlichen konstante Schichtdicke zwischen dem Bauteil und dem Sensor ausgebildet ist, und der Sensor eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist.
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Es existieren im Stand der Technik eine Reihe von verschiedenen Sensoranordnungen zur Messung von mechanischen Dehnungen in einem Bauteil. Hierbei ist ein häufig in der Praxis vorkommende Anwendungsfall die Messung bzw. Bestimmung von Drehmomenten an drehmomentübertragenden Wellen. Eine Drehmomentmessvorrichtung, mit der ein in einer Welle wirkendes Drehmoment gemessen wird, erfasst dabei üblicherweise eine von dem zu messenden Drehmoment abhängige Torsion der Welle.
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Diese Torsion kann beispielsweise optisch detektiert werden. Eine Drehmomentmessung mit optischen Methoden ist prinzipiell beispielsweise aus der
DE 10 2005 055 949 A1 bekannt.
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Zur Detektion einer Winkellage einer Welle oder einer Verdrehung zwischen zwei relativ zueinander tordierbaren Bauteilen sind auch magnetische Maßverkörperungen geeignet. Als Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang beispielhaft die
DE 10 2010 023 355 A1 zu nennen.
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Ebenso ist es möglich, ein in einer Welle oder Hülse wirkendes Drehmoment über die drehmomentabhängige Veränderung magnetischer Eigenschaften zumindest eines magnetisierten Abschnitts der Welle beziehungsweise der Hülse zu messen. Eine hierauf basierende Messvorrichtung ist zum Beispiel aus der
WO 2010 / 037 368 A1 , die ein Tretlager betrifft, bekannt.
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Zur Drehmomentmessung sind prinzipiell auch Dehnungsmessstreifen geeignet, welche an geeigneter Stelle eines durch ein Drehmoment belasteten Bauteils appliziert werden. Die
DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Dehnmessstreifenanordnung, bei welchem an der Oberfläche einer Welle eine verformungssensitive Messschicht aufgebracht und anschließend mittels Laser bearbeitet wird.
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Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen bei Fahrrädern mit elektrischem Hilfsantrieb ist beispielsweise in der
CN 2 01 737 127 U beschrieben. Ein Dehnungsmessstreifen befindet sich in diesem Fall auf einer Torsionshülse.
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Die
US 2012 / 0 234 108 A1 offenbart einen Drehmomentsensor mit einem Dehnungsmessstreifen, der an der Oberfläche einer Welle angeklebt ist.
Bei einer tordierten Welle, wie sie aus der
US2012/0234108 bekannt ist, wird ein ursprünglich rechteckiges Oberflächenelement zu einem Rhombus verformt. Diese Verformung wird auch als Schubverzerrung bezeichnet. Zusammengefasst führen die wirkenden Schubdehnungen zu Normaldehnungen. Die Normaldehnungen sind in Richtung der Hauptrichtungen am größten (in einem Winkel von 45° zu den Schubdehnungen). Die durch diese sogenannten Hauptdehnungen erzeugten Dehnungen können in die Sensorelemente, wie einen Dehnungsmessstreifen, übertragen und beispielsweise durch eine Änderung des ohmschen Widerstands gemessen werden.
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Diese Dehnung wird auf den auf der Welle befestigten Dehnungsmessstreifen übertragen, um dort die Verformung zu messen. Der gewendelte Widerstandsdraht in einem derartigen Dehnungsmessstreifen ist sehr dünn, sodass der Kleber, mit dem der Dehnungsmessstreifen auf der Welle fixiert ist, die Verformung der Welle in den Dehnungsmessstreifen übertragen kann, ohne selbst zu großen Dehnungen ausgesetzt zu sein.
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Soll die Schubverzerrung jedoch in ein steiferes Sensorelement übertragen werden, steigt die Belastung des Klebers, der Schweißverbindung oder der Lotverbindung, was zu ungewollt großen Dehnungen im Randbereich des Klebers und nachfolgend zum Versagen der Klebeverbindung führen kann.
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Die
DE 10 2006 004 285 A1 beschreibt eine Sensoranordnung mit Dehnungsmessstreifen, bei der zur Bildung einer Messzelle die Dehnungsmessstreifen auf einem Messelement angebracht sind und die Messzelle in einem Biegebalken als Träger befestigt ist, wobei die Dehnung oder Stauchung des Biegebalkens zur Bildung des Ausgangssignals führt. Die Messzelle ist mit dem Biegebalken in einer Ausnehmung des Biegebalkens verschweisst.
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Die
US 2011 / 0 227 178 A1 beschreibt einen Halbleiter-Dehnungssensor mit einem Dehnungssensorchip aus einem Halbleitersubstrat mit einem piezoresistiven Element, das an dessen Oberseite ausgebildet ist, einer metallischen Grundplatte mit einem Bondbereich, an den eine Unterseite des Dehnungssensorchips mit einem metallischen Bindungsmaterial gebunden ist. Die metallische Grundplatte weist mindestens zwei Verlängerungselemente auf, die von einer Seite des Bondbereichs abstehen und einen Anschlussbereich auf einer dem Bondfläche gegenüberliegenden Unterseite der Metallgrundplatte zur Befestigung des Dehnungssensorchips an einer Oberfläche eines zu messenden Objekts aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen in einem Bauteil, insbesondere zur Messung von Drehmomenten an einer Welle, bereitzustellen, welche eine hohe Messgenauigkeit und große Langlebigkeit miteinander vereint.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung zur Messung von mechanischen Dehnungen in einem Bauteil, insbesondere zur Messung von Drehmomenten an einer Welle, umfassend einen Sensor mit einer Schichtdicke, welcher mittels einer stoffschlüssigen Verbindung derart auf dem Bauteil fixiert ist, dass eine Verformung des Bauteils im Bereich des Sensors eine Verformung des Sensors bewirkt, wobei die stoffschlüssige Verbindung mit einer Schichtdicke zumindest abschnittsweise zwischen dem Bauteil und dem Sensor ausgebildet ist, wobei die Schichtdicke des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs des Sensors so abfällt, dass eine Begrenzung der Schubdehnung in der stoffschlüssigen Verbindung im Bereich wenigstens eines Abschnitts des Randbereichs bewirkbar ist, und/oder die Schubsteifigkeit des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs durch eine Veränderung der stofflichen Ei-genschaft des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs abnimmt, so dass eine Begrenzung der Schubdehnung in der stofflichen Verbindung im Bereich wenigstens eines Abschnitts des Randbereichs bewirkbar ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass beispielsweise durch die Anpassung der Schichtdicke des Klebers und/oder des Sensors die Schubdehnungen am Randbereich des Sensors in der stoffschlüssigen Verbindung reduziert bzw. begrenzt werden können. Damit ergeben sich deutlich bessere Sensorsignale mit geringerer Hysterese, größerem Wertebereich und eine höhere Lebensdauer des Sensors.
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Es kann somit eine Region im Randbereich des Sensors definiert werden, über welche die benötigten Schubdehnungen verteilt werden. Je größer diese Region ist und umso gleichmäßiger die Schubdehnungen in dieser Region verteilt sind, umso geringer ist der Peakwert der Schubdehnungen und umso genauer sind die Sensorsignale der Messanordnung. Um die Schubdehnung gleichmäßig im Randbereich des Sensors zu verteilen, können beispielsweise sowohl die Materialstärke des Sensors im Randbereich als auch die Stärke der stoffschlüssigen Verbindung gezielt beeinflusst werden.
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Hierzu kann insbesondere über einen Randbereich verteilt von innen nach außen die stoffschlüssige Verbindung in y-Richtung (Txz) schubweicher ausgeführt werden. Die Schubsteifigkeiten ergeben sich allgemein aus dem Schubmodul und der Materialgeometrie der stoffschlüssigen Verbindung. Beispielsweise können die Schubsteifigkeiten dadurch eingestellt werden, dass die Materialstärke der stoffschlüssigen Verbindung nach außen hin ansteigt.
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Der Sensor kann bevorzugt folienartig ausgebildet sein, d.h. dass der Sensor eine große Fläche im Verhältnis zu seiner Stärke aufweist. Der folienartige Sensor kann formstabil oder formlabil ausgeführt sein. Der Sensor kann vollständig oder abschnittsweise aus einem metallischen Material geformt sein. Der Sensor kann ferner einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
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Die stoffschlüssige Verbindung ist insbesondere als eine Klebstoffschicht oder eine Lotschicht ausgeführt, auf welcher der Sensor zumindest abschnittsweise, insbesondere randseitig, aufliegt. Hierbei ist die Klebstoffschicht besonders bevorzugt an den Randbereichen aufgebracht, wodurch Klebstoff eingespart werden kann. Grundsätzlich wäre es auch möglich, den Sensor vollflächig mit einer Klebstoffschicht zu versehen. Bevorzugt weist die stoffschlüssige Verbindung außerhalb des oder der Randbereiche eine im Wesentlichen konstante Materialstärke beziehungsweise Schichtdicke auf. Es ist also grundsätzlich ausreichend, den Sensor nur am Rand mit dem Bauteil zu verbinden. Eine flächige, insbesondre auch vollflächige Verbindung bringt hier keine weiteren Vorteile. Trotzdem ist eine flächige Verbindung nicht nachteilhaft und kann, um den Herstellprozess einfach zu halten auch flächig realisiert sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, so dass beispielsweise auf eine zusätzliche Bearbeitung des Bauteils zur Fixierung des Sensors verzichtet werden kann
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung eine von einer ebenen Oberfläche abweichende in das Bauteil hineinragende Aussparung aufweist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass der Sensor beispielsweise auf einer Welle in radialer Richtung weitestgehend bauraumneutral angeordnet werden kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die stoffschlüssige Verbindung eine Klebstoffverbindung und/oder eine Lötverbindung und/oder eine Schweißverbindung ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Sensor ein Dehnungsmessstreifen ist. Der Sensor kann alternativ auch ausgewählt sein aus der Gruppe der magnetoresistiven Sensoren, piezoresistiven Sensoren oder piezoelektrischen Sensoren.
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Gemäß einer höchst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass die Schichtdicke der stoffschlüssigen Verbindung in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs des Sensors einer linearen Funktion folgend ansteigt, und/oder die Schichtdicke des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs des Sensors einer linearen Funktion folgend abfällt, und/oder die Schubsteifigkeit der stoffschlüssigen Verbindung in der xz-Ebene in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaft der stoffschlüssigen Verbindung in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs einer linearen Funktion folgend abnimmt, und/oder die Schubsteifigkeit des Sensors in der yz-Ebene in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaft des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs einer linearen Funktion folgend abnimmt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Schubdehnungsspitzen am Randbereich des Sensors besonders gut reduziert werden können und sich somit eine besonders gute Messgenauigkeit sowie Langlebigkeit des Sensors erzielen lässt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schichtdicke der stoffschlüssigen Verbindung in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs des Sensors einer Exponentialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, folgend ansteigt, und/oder die Schichtdicke des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs des Sensors einer Exponentialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, folgend abfällt, und/oder die Schubsteifigkeit der stoffschlüssigen Verbindung in der xz-Ebene in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaft der stoffschlüssigen Verbindung in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs einer Exponentialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, folgend abnimmt, und/oder die Schubsteifigkeit des Sensors in der yz Ebene in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaft des Sensors in Richtung wenigstens eines Abschnitts des umlaufenden Randbereichs einer Exponentialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, folgend abnimmt.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Sensor eine rechteckige Grundform aufweist, wobei eine der Kanten der rechteckigen Grundform den Randbereich des Sensors definiert, bevorzugt zwei gegenüberliegende Kanten der rechteckigen Grundform jeweils einen Randbereich des Sensors, höchst bevorzugt alle Kanten der rechteckigen Grundform, einen Randbereich des Sensors definieren. Hierdurch konnten besonders gute Messergebnisse wie auch eine besonders hohe Langlebigkeit des Sensors erzielt werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Sensor eine metallische Kontaktfläche zur stoffschlüssigen Verbindung aufweist, wodurch eine besonders gute Anbindung, beispielsweise mit einer Lötverbindung realisiert werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Sensoranordnung in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine Sensoranordnung in zwei unterschiedlichen Schnittebenen,
- 3 zwei Ausführungsformen einer Sensoranordnung in einer XY-Schnittebene,
- 4 zwei Ausführungsformen einer Sensoranordnung in einer XY-Schnittebene.
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Die 1 zeigt eine Sensoranordnung 1 zur Messung von mechanischen Dehnungen in einem Bauteil 2, umfassend einen folienartigen Sensor 3, welcher mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 4 derart auf dem Bauteil 2 so fixiert ist, dass eine Verformung des Bauteils im Bereich des Sensors 3 eine Verformung des Sensors 3 bewirkt. Die stoffschlüssige Verbindung 4 kann insbesondere als eine Klebstoffverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung ausgebildet sein, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel flächig mit einer Schichtdicke 5 außerhalb der Randbereiche 6 zwischen dem Bauteil 2 und dem Sensor 3 ausgebildet ist. Das heisst, dass der Sensor 3 vollflächig mittels der stoffschlüssigen Verbindung 4 auf dem Bauteil 2 fixiert ist. Natürlich ist es auch möglich, dass nur die Randbereiche 6 eine stoffschlüssige Verbindung 4 aufweisen. Der beispielsweise als ein Dehnungsmessstreifen ausgebildete Sensor 3 besitzt eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke 8. Die Schichtdicke 5 der stoffschlüssigen Verbindung 4 steigt in Richtung des umlaufenden Randbereichs 6 des Sensors 3 so an, dass eine Begrenzung der Schubdehnung in der stoffschlüssigen Verbindung 4 im Bereich des Randbereichs 6 bewirkt ist.
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Der Sensor 3 besitzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundform 9, wobei zwei gegenüberliegende Kanten der rechteckigen Grundform 9 jeweils einen Randbereich 6 des Sensors 3 definieren. Dieses Beispiel wurde nur aus Gründen der Einfachheit auf zwei sich gegenüberliegende Randbereiche 6 beschränkt, es versteht sich, dass es bevorzugt ist, dass bei einer rechteckigen Grundform 9 alle umlaufenden Kanten auf einer nach außen hin ansteigenden stoffschlüssigen Verbindung 4 aufliegen.
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Die Schichtdicke 5 der stoffschlüssigen Verbindung 4 steigt also im gezeigten Beispiel in Richtung eines orthogonal zur Ebene XZ eines Schubdehnungszustands Txz verlaufenden Randbereichs 6 des Sensors 3 so an, dass eine Schubdehnungsreduktion in der stoffschlüssigen Verbindung 4 im Randbereich 6 bewirkbar ist.
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Ein Randbereich 6 ist somit dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung 4 eine von der konstanten Schichtdicke abweichende, ansteigende Schichtdicke 5 besitzt, was sich gut anhand der 1 erkennen lässt. Natürlich ist es auch möglich, dass an allen vier Randbereichen 6 des rechteckförmigen Sensors 3 eine ansteigende Schichtdicke 5 der stoffschlüssigen Verbindung 4 ausgebildet ist, auch wenn dies in der 1 nicht gezeigt ist.
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2 zeigt eine Sensoranordnung 1 in einer XY-Schnittebene (obere Abbildung) und in einer XZ-Schnittebene (untere Abbildung). Man erkennt gut das entsprechende Koordinatensystem, auf welches bei der Erläuterung der Sensoranordnung 1 Bezug genommen wird. In der oberen Abbildung ist der Sensor 3 in einem spannungsfreien Ausgangszustand gezeigt. Die untere Abbildung zeigt die schubverzerrte stoffschlüssige Verbindung 4.
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3 zeigt eine Detailansicht eines Randbereichs 6, oben mit konstanter Schichtdicke 8 des Sensors 3(so, wie auch in 1), unten mit abfallender Schichtdicke 8 des Sensors 3. Es ergeben sich jeweils andere Schichtdicken 5 des der stoffschlüssigen Verbindung 4 (unterhalb der gestrichelten Linie).
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In der 4 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen das Bauteil 2 im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung 4 zum Bauteil 2 hin eine von einer ebenen Oberfläche abweichende Aussparung 7 aufweist, die so ausgeformt ist, dass sie in Richtung eines orthogonal zur Ebene XZ eines Schubdehnungszustands Txz verlaufenden Randbereichs 6 des Sensors 3 in das Bauteil 2 hinein weist. Dabei wird Materialstärke im Bauteil 2 reduziert, genau im gegensätzlichen Maße, wie die Materialstärke in der stoffschlüssigen Verbindung 4 erhöht werden sollte.
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In der unteren Abbildung der 3 und der unteren Abbildung der 4 sind Ausführungsformen der Sensoranordnung 1 gezeigt, bei denen die Schichtdicke 8 des Sensors 3 in Richtung des orthogonal zur Ebene XZ eines Schubdehnungszustands Txz verlaufenden Randbereichs 6 des Sensors 3 so abfällt, dass eine Schubdehnungsreduktion in der Verbindungsschicht zum Sensor 3 im Bereich des Randbereichs 6 bewirkbar ist. Dabei folgt der Abfall der Schichtdicke 8 des Sensors 3 einer Exponentialfunktion.
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Auch ist den 3-4, die eine XY-Schnittebene zeigen, gut entnehmbar, dass die Schichtdicke 5 der stoffschlüssigen Verbindung 4 in Richtung eines orthogonal zur Ebene XZ eines Schubdehnungszustands Txz verlaufenden Randbereichs 6 des Sensors 3 so ansteigt, dass sie einer Exponentialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, folgt.
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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
- Sensoranordnung
- 2
- Bauteil
- 3
- Sensor
- 4
- Verbindung
- 5
- Schichtdicke
- 6
- Randbereich
- 7
- Aussparung
- 8
- Schichtdicke
- 9
- Grundform
- 10
- Kontaktfläche
