DE3635207C2

DE3635207C2 -

Info

Publication number: DE3635207C2
Application number: DE3635207A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl.-Phys. 7060 Schorndorf De Schiessle; Khaldoun Dipl.-Min. Dr. 7070 Schwaebisch Gmuend De Alasafi
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1986-10-16
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1988-07-21
Also published as: DE3635207A1; SE8703836D0; US4805466A; JPH0565094B2; JPS63109338A; FR2605406B1; CH675481A5; GB2196432B; GB2196432A; SE8703836L; GB8722484D0; FR2605406A1; SE462873B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1, also eine Einrichtung, mit welcher dem zu übertragenden Drehmoment proportionale mechanische Spannungen an einer rotierenden, insb. weichmagnetischen Welle sensiert werden könne.

Jeder weichmagnetische Werkstoff, beispielsweise der einer Welle, besitzt abhängig von seiner mechanischen Vorgeschichte eine mehr oder weniger große Grund magnetisierung. Diese ändert sich u. a. unter mechanischer Belastung und mit der Alterung des Werkstoffes. Würde man nun unter Ausnutzung des "Matteucci-Effektes", wonach ein in einem induzierten magnetischen Längsfeld befindlicher ferromagnetischer Stab bei Torsion seine Magnetisierung ändert, diese Magnetisierungsänderungen mit Hilfe eines entsprechenden Magnetfeldsensorsystems erfassen, um so zu Aussagen bezüglich der in der Welle auftretenden mechanischen Spannungen zu gelangen, so müßten diese Aussagen entsprechend relativiert bewertet werden, da diese von den Grundmagnetisierung selbst und der un bestimmten Änderung der Grundmagnetisierung des Werk stoffes der Welle beeinflußt und verfälscht sein können bzw. sind.

Es ist eine gattungsgemäße Einrichtung bekannt (DE-OS 23 16 344), bei welcher auf einer weichmagnetischen Welle eine Schicht aus nichtmagnetischem Material und auf dieser wiederum eine Schicht mit guten Magnetostriktionseigenschaften aufgebracht ist. Die nichtmagnetische Schicht hat hierbei den Zweck zu erfüllen, die Welle magnetisch von der äußeren Schicht zu isolieren, durch welche der gesamte Magnetfluß geleitet werden soll, welcher von einer wechselstromgespeisten Magnetisierungs spule erzeugt wird und wobei eine Magnetflußänderung durch eine Detektorspule nach dem Transformatorprinzip erfaßt wird. Obwohl hier eine Isolation zwischen der aufgebrachten Meßschicht und der Welle vorgesehen ist, führt die instabile Grundmagnetisierung der Welle bei dynamischer Belastung immer noch zu einer Verfälschung des Meßergebnisses, da das Magnet feld der magnetisierten Welle auch in die Meßschicht einstreut.

Gleiches gilt auch für einen des weiteren bekannten Meßwert aufnehmer (DE-OS 34 07 917), welcher eine mit der Welle kraft schlüssig verbundene Trägerhülse aus unmagnetischem Material aufweist, mit welcher wiederum ein band- oder folienförmiges hochpermeables, magnetostriktives Magnetmaterial verbunden ist. Das Magnetmaterial kann hierbei aus einer amorphen Metallegie rung mit einem Anteil des glasbildenden Elementes Phosphor be stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Einrichtung so auszubilden, daß auch bei Dauerbetrieb unter hoher mechanischer Wechselbelastung und unter physikalisch und chemisch rauhen Um weltbedingungen zuverlässig und langzeitstabil unverfälschte Meß signale erhalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau der Einrichtung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine erweiterte Ausbildung der Einrichtung und

Fig. 3 eine Seitenansicht gemäß der Linie III-III in Fig. 2.

Dem Wirkungsprinzip der Einrichtung liegt der bekannte Matteucci-Effekt zugrunde: Tordiert man einen in einem magnetischen Längsfeld befindlichen weichmagnetischen Stab, so ändert sich seine Magnetisierung. Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt die Einrichtung einerseits ein Sensor system 1 und andererseits auf der weichmagnetischen Welle 2 - dem Meßobjekt - angeordnete Beschichtungen 2.1, 2.2 und 2.3.

Das Sensorsystem 1 besteht insbesondere aus einem U-förmigen, sich in Längsrichtung der Welle 2 er streckenden Magnetfelderzeuger 1.1 - gebildet durch ein U-förmiges weichmagnetisches Joch 1.1.1 mit an dessen der Welle zugewandten Schenkelenden angeordneten Permanent magneten 1.1.2 und 1.1.3 - und einem Sensor 1.2, welcher einen innerhalb des Jochs 1.1.1 liegenden U-förmigen Kern 1.2.1 aus einem nichtmagnetostriktiven amorphen Metall aufweist, dessen Schenkelenden ebenfalls der Welle zugewandt liegen und dessen Steg eine Spule 1.2.2 mit elektrischen Anschlüssen 1.2.3 trägt, welche mit einer Auswerteschaltung 3 verbunden sind. Sowohl die Perma nentmagnete als auch die Schenkelenden des Kerns sind gegenüber der Welle mit geringem Abstand angeordnet. Die Welle 2 trägt im Wirkungsbereich des Sensorsystems 1 - also sich in Längsrichtung der Welle über die Permanent magnete etwas hinauserstreckend - Beschichtungen, wobei unmittelbar auf der Welle 2 eine hochpermeable, nicht magnetostriktive, amorphe dritte Schicht 2.3 fest ange ordnet ist, auf welcher wiederum eine hoch nicht magnetische zweite Schicht 2.2 und auf dieser wiederum eine hochweichmagnetische, magnetostriktive, amorphe erste Schicht 2.1 fest angeordnet ist; selbstverständlich umgeben die Schichten die Welle auf ihrem gesamten Umfang.

Die dritte Schicht 2.3 erfüllt den Zweck, den Grund magnetismus der Welle 2 im Wirkungsbereich des Sensor systems kurzzuschließen, so daß der aus dem Grund magnetismus resultierende Magnetfluß Φ _K nur innerhalb der Welle und der dritten Schicht 2.3 verlaufen kann.

Die zweite Schicht 2.2 dient zur magnetischen Ent kopplung der dritten Schicht 2.3 und der ersten Schicht 2.1, während die erste Schicht 2.1 die eigentliche Meß schicht darstellt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird von dem Magnetfeld erzeuger 1.1 ein magnetisches Gleichfeld erzeugt und in die erste Schicht 2.1 eingeleitet (Fluß Φ ), so daß sich der magnetische Kreis in Längsrichtung der Welle schließt. Wird nun die Welle 2 - und mit ihr die Schichten - tordiert, wird in der Schicht 2.1 deren Magnetisierungszustand verändert, was eine Änderung des Magnetflusses Φ zur Folge hat. Da der Kern 1.2.1 des Sensors 1.2 ebenfalls in dem magnetischen Kreis liegt, hat eine Änderung des Magnetflusses Φ auch eine Änderung des Magnetflusses Φ s im Kern des Sensors zur Folge und zwar in folgender Hinsicht: Die Spule 1.2.2 des Sensors wird von einer Spannungsquelle 3.1 der Aus werteschaltung 3 mit einer konstanten Frequenz - bei spielsweise einem Oszillator mit 100 kHz - gespeist, wodurch in dem Sensor ein bestimmtes Wechselfeld erzeugt und der Kern des Sensors in die Sättigung gesteuert wird. Diesem Wechselfeld ist ein Gleichfeldanteil des Magnet felderzeugers überlagert, so daß eine Änderung des aus dem Gleichfeld resultierenden Magnetflusses Φ auch eine Änderung des Magnetflusses Φ s - und zwar auf den Gleich feldanteil bezogen - im Kern hervorruft. Diese Änderung des Magnetflusses Φ s bewirkt im Kern 1.2.1 über die nicht lineare Funktion B = f(H) der Magnetisierungskurve eine Änderung dessen dynamischesr Permeabilität µ(H) = dB/dH und in Folge eine Änderung der Induktivität L der Spule 1.2.2, welche in einer Signalaufbereitungsstufe 3.2 der Auswerteschaltung 3 - beispielsweise einer einfachen Ostillator - Elektronik - so ausgewertet werden kann, daß eine Darstellung einer elektrischen Spannung oder Frequenz als Funktion der Torsion erreicht wird.

Als Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und Fig. 3 zusätzlich zum Sensor 1.2 noch ein weiterer, diametral liegender Sensor 1.2′ an der Welle 2 angeordnet, wobei beide Sensoren über ihre Anschlüsse mit der Auswerte schaltung 3 verbunden sind. In der Auswerteschaltung 3 werden nunmehr die von den Sensoren generierten Signale elektronisch addiert. Durch diese Maßnahmen lassen sich Schwankungen der Welle in vertikaler Richtung und hieraus resultierende Magnetflußänderungen eliminieren, während sich das Nutzsignal verdoppelt.

Da - wie insb. aus Fig. 3 ersichtlich ist - die Sensoren einander diametral gegenüberliegend und in vertikaler Richtung angeordnet sind, wirken sich kleine Schwankungen der Welle in horizontaler Richtung nicht auf die von den Sensoren generierten Signale aus, da der Luftspalt zwischen den Sensoren und der Welle nahezu konstant bleibt.

Werden die Sensoren noch von einem in vertikaler Richtung verschiebbaren Träger 4 gehalten, so ist hinsichtlich der von den Sensoren generierten Signale ein Nullabgleich möglich.

Bezüglich der Ausbildung des Sensors 1.2 und 1.2′ ist anzumerken, daß dessen kaum temperaturabhängiger induktive Widerstand um ein Vielfaches größer gewählt wird als dessen temperaturabhängiger ohmsche Widerstand, wobei für die Sensorspule vorzugsweise ein Kupferdraht mit einem kleinen thermischen Widerstandskoeffizienten verwendet wird - beispielsweise Thermosyn -, wodurch sich eventuelle Temperaturdriften sehr klein halten lassen.

Die Schichten 2.1 bis 2.3 können im einfachsten Fall mit drei dünnen Folien - Stärke ungefähr 20 bis 50 µm - durch eine Klebetechnik oder durch Explosionsschweißen mit der Welle und miteinander verbunden werden. Es ist aber auch möglich durch verschiedene chemische oder physikalische Verfahren - wie Aufdampfen, Aufsputtern etc. oder elektro lytische Abscheidungen bzw. chemische Abscheidereaktionen - oder einer Kombination aus chemischem Beschichtungsverfahren und physikalischem Verfahren die genannte Schichtenfolge mit ihren spezifischen physikalischen Eigenschaften zu erhalten.

Besonders vorteilhaft erscheint ein chemisches Abscheide verfahren von Nickel mit einem gewissen Anteil Phosphor, wobei über die Steuerung des Phosphoranteils sich Schichten herstellen lassen, die in ihren magnetischen Eigenschaften von hoch weichmagnetisch bis hoch nichtmagnetisch reichen. Mit diesem Verfahren ist es dann möglich, durch Änderung weniger Parameter bei der chemischen Abscheidung nach einander alle drei Schichten auf die Welle aufzubringen. Durch die molekulare Verzahnung der einzelnen Schichten wird bei hoher dynamischer Belastung über sehr lange Zeit keine Änderung der mechanischen und magnetischen Eigenschaften erwartet und eine hohe Haftung der Schichten auf der Welle und untereinander erreicht. Außerdem be sitzen diese Schichten aufgrund ihrer Oberflächenstruktur keine Korrosionsneigung, so daß auch aus diesem Grunde die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser Schichten sehr langzeitstabil sind.

Mit der Erfindung ist also eine Einrichtung geschaffen,

- welche einen einfachen, robusten mechanischen Aufbau aufweist,
- welche auch bei Dauerbetrieb unter hoher mechanischer Wechselbelastung und unter physikalisch und chemisch rauhen Umweltbedingungen zuverlässig und langzeitstabil funktioniert und
- welche es ermöglicht, das durch die Sensoren generierte Signal in einer einfachen, kostengünstigen elektronischen Signalaufbereitung weiterzuverarbeiten.

Claims

1. Einrichtung zur berührungslosen indirekten elektrischen Messung des Drehmomentes an einer Welle,
umfassend einerseits ein von der Welle mit geringem Ab stand beabstandetes Sensorsystem
- bestehend aus einem U-förmigen Magnetfeld erzeuger
und mindestens einem einen Kern und eine Spule mit elektrischen Anschlüssen auf weisenden Sensor -
und eine Auswerteschaltung, in welcher der Sensor über die Anschlüsse integriert ist,
und andererseits im Bereich des Sensorsystems auf der Welle fest angeordnete Beschichtungen,
wobei durch eine hochweichmagnetische, magnetostriktive, amorphe erste Schicht das vom Magnetfelderzeuger erzeugte magnetische Längsfeld zur Schließung eines magnetischen Kreises in Längsrichtung der Welle geleitet wird,
welche erste Schicht auf einer darunter liegenden, hoch nichtmagnetischen zweiten Schicht aufgebracht ist,
und wobei der Sensor im Bereich des durch die erste Schicht geleiteten Längsfeldes angeordnet ist und bei Torsion der Welle eine Magnetisierungsänderung in der ersten Schicht in Form einer Änderung des Magnetflusses in seinem Kern erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schicht (2.2) auf einer unmittelbar auf der Welle (2) aufgebrachten hochpermeablen, nichtmagnetostriktiven amorphen dritten Schicht (2.3) angeordnet ist,
daß der ebenfalls in dem magnetischen Kreis liegende Kern (1.2.1) des Sensors (1.2) aus nichtmagnetostriktivem amorphem Metall besteht und
daß das vom Magnetfelderzeuger (1.1) erzeugte Magnet feld ein Gleichfeld ist,
welches sich dem von der erregten Spule (1.2.2) erzeugten Wechselfeld überlagert,
wobei eine Änderung des Magnetflusses ( Φ s) eine Änderung der dynamischen Permeabilität µ(H) = dB/dH des Kerns (1.2.1) über die nichtlineare Funktion B = f(H) der Magnetisierungs kurve und in Folge der Induktivität (L) der Spule (1.2.2) bewirkt,
welche in der Auswerteschaltung (3.3.2) in ein torsions analoges elektrisches Signal umgewandelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Welle (2) ein weiterer Sensor (1.2′) angeordnet ist, welcher dem Sensor (1.2) diametral gegenüber liegt und welcher über seine Anschlüsse ebenfalls in die Auswert schaltung (3) integriert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (1.2, 1.2′) von einem verschieb baren Träger (4) gehalten sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Schichten (2.1 bis 2.3) durch ein chemisches Abscheideverfahren von Nickel mit einem Anteil eines Metalloids - wie Phosphor - oder mehreren Anteilen ver schiedener Metalloide auf die Welle aufgebracht sind, wobei während des Abscheideverfahrens der Phosphoranteil oder der Anteil der anderen Metalloide von Schicht zu Schicht variiert wird.