DE3750041T2

DE3750041T2 - Magneto-elastischer Drehmomentwandler.

Info

Publication number: DE3750041T2
Application number: DE3750041T
Authority: DE
Inventors: Ivan J Garshelis
Original assignee: Mag Dev Inc
Current assignee: Chicago Pneumatic Tool Co LLC
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2007-12-04
Also published as: CN87108230A; EP0270122A2; US5052232A; EP0270122A3; JPS63252487A; JPH0831636B2; EP0422702B1; ATE107023T1; IN170371B; NZ222745A; CN1014829B; US4896544A; DE3750041D1; AU600537B2; EP0422702A3; EP0270122B1; CA1304601C; JPH08293634A; KR880008012A; ATE67307T1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehmomentsensoren und insbesondere auf berührungslose magnetoelastische Drehmoment-Meßwandler zur Lieferung eines Maßes für das an eine Drehwelle angelegte Drehmoment.

Technischer Hintergrund

Bei der Steuerung von Systemen mit Antriebswellen ist allgemein anerkannt, daß Drehmoment ein fundamentaler Parameter von Interesse ist. Daher ist das Abfühlen und Messen von Drehmoment in einer genauen, zuverlässigen und billigen Weise seit mehreren Dekaden ein Hauptziel von Arbeitenden. Obwohl große Fortschritte gemacht wurden, bleibt ein zwingender Bedarf nach billigen Drehmomentabfühlvorrichtungen, die zu kontinuierlichen Drehmomentmessungen über längere Zeiträume trotz schwieriger Umgebung in der Lage sind.
Alle magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler haben zwei Merkmale gemeinsam - (1) ein mit dem Drehmoment beaufschlagtes Teil, das ferromagnetisch und magnetostriktiv ist, wobei ersteres das Vorliegen magnetischer Bezirke gewährleistet und letzteres eine Änderung der Magnetisierung innerhalb jedes Bezirks durch die mit dem aufgebrachten Drehmoment einhergehende Verspannung ermöglicht; und (2) Mittel, am häufigsten, aber nicht notwendigerweise elektromagnetische Mittel, zum Abfühlen von Änderungen gegenüber der drehmomentfreien Verteilung von Bezirksorientierungen. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen existierenden und vorgeschlagenen magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern liegen in den Abwandlungen dieser gemeinsamen Merkmale im Detail.
Es ist bekannt, daß sich die Permeabilität von magnetischen Materialien infolge einer aufgebrachten mechanischen Spannung ändert. Wenn eine Torsionsspannung auf einen zylindrischen Stab aus magnetostriktivem Material aufgebracht wird, wird jedes Element des Stabes einer Scherspannung unterworfen. Diese Scherspannung läßt sich als Zugspannung und eine gleiche und senkrechte Kompressionsspannung ausdrücken, wobei die Größe einer jeden Spannung zum Abstand zwischen der Stabachse und dem Element direkt proportional ist. Die Richtungen maximalen Zugs und maximalen Zusammendrückens treten längs Tangenten zu 45º linkshändigen und 45º rechtshändigen Wendeln um die Achse des Stabes auf. Der Effekt des Drehmoments besteht darin, daß die magnetische Permeabilität in Richtungen parallel zu einer der Wendeln erhöht und dementsprechend die magnetische Permeabilität in Richtungen parallel zur anderen der Wendeln vermindert wird. In ihrem Artikel "Magnetic Measurements of Torque in a Rotating Shaft", The Review of Scientific Instruments, Vol. 25, No. 6, June 1954, schlagen Beth und Meeks vor, daß zur Verwendung einer Permeabilitätsänderung als Maß für das aufgebrachte Drehmoment man die Permeabilität längs der Hauptspannungsrichtungen beobachten und den magnetischen Fluß durch den Stab nahe seiner Oberfläche führen soll. Dies deshalb, weil die Spannung um so größer ist, je weiter weg sich das Elemente von der Stabachse befindet, wobei es die Hauptspannungsrichtungen sind, in denen die maximale Permeabilitätsänderung erwartet wird. Um dies zu erreichen, verwendeten Beth und Meeks ein Joch, welches eine Ansteuerspule zur Erzeugung eines wechselnden Flusses in dem Stab und Abnehmerspulen auf jedem mehrerer Schenkel zur Feststellung der Permeabilitätsänderungen trug, die durch das aufgebrachte Drehmoment in Flußwegen bewirkt wurden, die in oder nahe den Hauptspannungsrichtungen in dem Stab lagen. Wenn der Stab einem Drehmoment unterworfen wird, zerlegen sich die dem Drehmoment zuschreibbaren mechanischen Spannungen in wechselseitig senkrechte Druck- und Zugspannungen, welche bewirken, daß die Permeabilität in dem Stab in Richtung der einen Spannung zu und in Richtung der anderen Spannung abnimmt. Infolgedessen nimmt die in den Abnehmer- bzw. Meßspulen induzierte Spannung zu oder ab. Die Größendifferenz der induzierten Spannungen ist proportional zu der auf den Stab aufgebrachten Torsionsspannung. Ein ähnlicher Ansatz lag in US 3 011 340 - Dahle - vor. Der Hauptmangel dieser Art von Vorrichtungen liegt in der Notwendigkeit, Permeabilitätsmessungen längs der Hauptspannungsrichtungen vorzunehmen, was etwa mit Nachteilen, wie ihre Empfindlichkeit auf Schwankungen des Radialabstandes vom Stab, magnetische Inhomogenität längs des Stabumfangs und nicht kompensierbare Abhängigkeit von der Stabgeschwindigkeit, einhergeht. Infolgedessen fanden derartige Vorrichtungen Anwendungen nur bei großdurchmesserigen Stäben bzw. Wellen, d. h. 6 inch (15 cm) und größer, ohne daß sie sich als auf kleinere Wellen adaptierbar erwiesen, wo der weitaus größte Teil der Anwendungen vorliegt.
Bei einigen ergab sich das Gefühl, daß Vorrichtungen, wie sie in Beth und Meeks und in US 3 011 340 - Dahle gelehrt wurden, bei welchen die Drehwelle selbst als magnetisches Element im Meßwandler wirkte, signifikante Mängel in der praktischen Anwendung hatten. Dies liegt daran, daß die Materialien und die metallurgische Verarbeitung, die möglicherweise verwendet wurden, um der Welle für ihr gewünschtes Anwendungsgebiet die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu verleihen, in den meisten Fällen für die in einem magnetoelastischen Drehmomentsensor erforderlichen magnetischen Eigenschaften nicht optimal oder auch nur wünschenswert sind. Die regellose Anisotropie in einer Welle, die infolge innerer Spannungen und/oder resultierend aus Bereichen unterschiedlicher Kristallorientierung bei ihrer Herstellung erzeugt wird, bewirkt lokale Schwankungen der magnetischen Permeabilität der Welle, welche die gewünschte Korrelation zwischen abgefühlter Spannung und aufgebrachten Drehmoment verzerren. Die Lösung gemäß US 3 340 729 - Scoppe besteht darin, etwa durch Schweißen eine magnetische Muffe auf der die Last aufnehmenden Welle starr anzubringen, so daß der Muffe eine der Torsionsbelastung proportionale Torsionsspannung zuteil wird. Die verwendete Meßvorrichtung fühlt nun Permeabilitätsänderungen mehr in der rotierenden Muffe als in der rotierenden Welle ab. Dies ermöglicht es nach Scoppe, für die Welle ein Material auszuwählen, welches die mechanischen und Festigkeitseigenschaften, die für die Welle erforderlich sind, optimiert, während ein anderes Material für die Muffe ausgewählt werden kann, welches deren magnetische Eigenschaften optimiert. Wie bei bekannten Vorrichtungen verwendete der Scoppe-Drehmomentmesser eine Primärwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses und zwei Sekundärwicklungen, eine orientiert in der Zugrichtung und die andere orientiert in der Druckrichtung. Obwohl zumindest einige der Materialprobleme, die Dahle bot, umgangen wurden, schafft die Verwendung einer starr angebrachten Muffe andere, gleichermaßen verkomplizierende Probleme. Beispielsweise ist die Aufgabe der Herstellung und Abringung der Muffe eine furchtbare, und selbst, wenn das Anbringungsmittel Schweißen ist, das das Bindungsfestigkeitsproblem löst, bleibt das sehr bedeutende Problem, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Stahlwelle anders ist (in einigen Fällen bis zu 50% größer) als der entsprechende Koeffizient irgendeines für die Muffe ausgewählten magnetischen Materials. Ein Hochtemperatur-Befestigungsprozeß, wie etwa Schweißen, gefolgt von einem Abkühlen etabliert Spannungen im magnetischen Material, welche die sich ergebende magnetische Anisotropie in einer unkontrollierten Weise ändern. Darüber hinaus tempert das Tempern der Welle und der Muffe zur Beseitigung dieser Spannungen auch gewünschte mechanische Eigenschaften der Welle weg und ändert es die magnetischen Eigenschaften der Muffe. Ferner sind, wie bei der Dahle-Vorrichtung, die Mängel des Scoppe-Meßwandlers, infolge der Notwendigkeit, Permeabilitätsänderungen zu überwachen, die längs der Hauptspannungsrichtungen liegen, seine Empfindlichkeit gegen Änderungen seines Radialabstandes von der Welle, magnetische Inhomogenität um den Wellenumfang herum und die Abhängigkeit von der Wellengeschwindigkeit.
Ein anderer Ansatz für eine magnetoelastische Drehmomentmessung nutzt die differentielle magnetische Antwort zweier Sätze amorpher magnetoelastischer Elemente aus, die an der mit dem Drehmoment beaufschlagten Welle haftend angebracht sind. Dieser Ansatz hat gegenüber früheren Ansätzen den Vorteil, daß er unempfindlich gegen die Drehlage und Wellengeschwindigkeit ist. Er erfordert jedoch übermäßige Sorgfalt bei der Herstellung und der Anbringung der Elemente. Ferner wird die Leistung des Meßwandlers durch die Methoden, die verwendet werden, um die Bandelemente der Form des mit dem Drehmoment beaufschlagten Element anzupassen; durch die Eigenschaften des Klebers, beispielsweise Schrumpfen während des Aushärtens, Ausdehnungskoeffizient, Kriechen in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur unter andauernder Last; und durch die Funktionseigenschaften des amorphen Materials selbst, beispielsweise Konsistenz, Stabilität, beeinträchtigt. Eine weitere Sorge ist die Verträglichkeit des Klebers mit der Umgebung, in welcher der Meßwandler arbeitet, beispielsweise die Auswirkung von Öl, Wasser oder anderen Lösungs- und Schmiermitteln auf die Eigenschaften des Klebers.
In dem Artikel "A New Torque Transducer Using Stress Sensitive Amorphous Ribbons", IEEE Trans. on Mag., MAG-18, No. 6, 1767-9, 1982, beschreiben Harada et al. einen Drehmoment-Meßwandler, der durch Aufkleben zweier umfänglicher spannungsempfindlicher amorpher Bänder auf eine Welle an axial im Abstand liegenden Stellen ausgebildet ist. Unidirektionale magnetoelastische magnetische Anisotropie wird in jedem Band durch Verwinden der Welle in einer ersten Richtung, Aufkleben eines ersten Bandes, Beseitigen des Drehmoments zur Erzeugung elastischer Drehmomentspannungen innerhalb des ersten Bandes, Verwinden der Welle in entgegengesetzter Richtung, Aufkleben des zweiten Bandes und nachfolgendes Wegnehmen des Drehmoments zur Erzeugung elastischer Drehmomentspannungen im zweiten Band erzeugt. Das Ergebnis ist, daß die Anisotropie in dem einen Band längs einer rechtshändigen Wendel bei +45º zur Wellenachse liegt, während die Anisotropie im anderen Band längs einer axialsymmetrischen linkshändigen Wendel bei -45º zur Wellenachse liegt. Wechselspannungsbetriebene Erregerspulen und Abfühlspulen umgeben die Welle und machen den Meßwandler kreissymmetrisch und inhärent frei von Schwankungen des Ausgangssignals als Folge einer Drehung der Welle. Bei Fehlen eines Drehmoments reagiert die Magnetisierung innerhalb der beiden Bänder symmetrisch auf gleiche axiale magnetisierende Kräfte, und die Abfühlspulen stellen keine Differenz in der Reaktion der Bänder fest. Wenn jedoch ein Drehmoment aufgebracht wird, kombiniert sich die vom Drehmoment herrührende resultierende Spannungsanisotropie längs der Hauptachsen asymmetrisch mit den Ruheanisotropien, die vorher in den Bändern erzeugt worden sind, und es liegt dann eine unterschiedliche Antwort der beiden Bänder auf gleiche axiale magnetisierende Kräfte vor. Diese Differenzantwort ist eine Funktion des Drehmoments, und die Abfühlspulen und die Zugehörige Schaltung liefern ein Ausgangssignal, welches proportional dem angelegten Drehmoment ist. Mit im wesentlichen dem gleichen Ansatz werden in der japanischen Patentveröffentlichung 58-9034 zwei amorphe Bänder auf eine Welle geklebt, wobei den Bändern eine symmetrische magnetische Anisotropie durch eine Wärmebehandlung in einem Magnetfeld bei bestimmten gleichen und entgegengesetzten Winkeln verliehen wird. Amorphe Bänder wurden auf eine Welle auch in einem ± 45º Zickzack-Muster geklebt, siehe Sasada et al., IEEE Trans. on Mag., MAG-20, No. 5, 951-53, 1984, und amorphe Bänder, welche parallel Schlitze enthielten, die auf die ± 45º Richtungen ausgerichtet waren, wurden auf eine Welle geklebt, siehe Mohri, IEEE Trans. on Mag., MAG-20, No. 5, 942-47, 1984, um eine magnetische Formanisotropie in den Bändern statt einer restspannungsbedingten Anisotropie zu erzeugen. Andere jüngere Entwicklungen, die für die Verwendung von klebend angebrachten amorphen Bändern bei einem magnetoelastischem Drehmoment-Meßwandler relevant sind, sind in US 4 414 855 - Iwasaki und US 4 598 595 - Vranish et al. beschrieben.
In jüngerer Zeit wurden in deutlicher Erkenntnis der schwerwiegenden Mängel, die klebend angebrachten Bändern innewohnen, Plasmasprühen und galvanische Abscheidung von Metallen über eine geeignete Maskierung angewandt. Siehe Ymasaki et al, "Torque Sensors Using Wire Explosion Magnetostrictive Alloy Layers", IEEE Trans. on Mag., MAG-22, No. 5, 403-405 (1986); Sasada et al, "Noncontact Torque Sensors Using Magnetic Heads and Magnetostrictive Layer on the Shaft Surface - Application of Plasma Jet Spraying Process", IEEE Trans. on Mag., MAG-22, No. 5, 406-408 (1986).
Das oben beschriebene Arbeiten mit amorphen Bändern war nicht die erste Einsicht, daß axial im Abstand liegende umfängliche Bänder, die mit einer symmetrischen, wendelförmig gerichteten magnetischen Anisotropie ausgestattet sind, zu einem verbesserten Drehmoment-Meßwandler beitragen. UdSSR-Erfinderzertifikat Nr. 274 420 beschreibt eine magnetoelastische Drehmomentmeßvorrichtung, nicht unähnlich dem Meßwandler mit amorphem Band nach Harada et al, die ein Paar von Muffen aufweist, die durch aufgebrachte Drehmomente unterschiedlicher Richtungen anfänglich verformt werden, um die Muffen mit einer entgegengesetzt gerichteten magnetischen Anisotropie auszustatten, und dann auf einer Welle in darin ausgebildeten Ringnuten angebracht werden. Die Nuten haben eine radiale Tiefe, die so gewählt ist, daß sie die Muffen so aufnehmen, daß der Außendurchmesser der Muffen koplanar mit der Außenfläche der Welle ist. Eine geeignete elektronische Schaltung wird verwendet, um die Permeabilitätsänderung in den Muffen abzufühlen, wenn ein Drehmoment auf die Welle aufgebracht wird, und ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Eine Angabe der für die Muffen bzw. die Welle verwendeten Materialien erfolgt nicht. Es ist auch nichts hinsichtlich der Art und Weise beschrieben, in der die verformten Muffen auf der Welle befestigt werden. Was auch immer die Technik, Ankleben oder Verschweißen, sein mag, die sich ergebende Drehmomentmeßvorrichtung wird unter den gleichen Mängeln wie mit den geschweißten Muffen nach Scoppe (US 3 340 729) oder den klebend befestigten Bändern nach Harada leiden. UdSSR-Erfinderzertifikat Nr. 667 836 beschreibt einen magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler mit zwei axial im Abstand liegenden umfänglichen Bändern auf einer Welle, wobei die Bänder durch eine Anzahl von Schlitzen definiert sind, die in der Welle in einem ± 45º Zickzack-Muster ausgebildet sind, und mit einem Paar von umfänglichen Spulenkörpern, die die Erregungs- und Meßwicklung tragen und axial längs der Welle so angeordnet sind, daß unter jedem Spulenkörper ein Band liegt. Die durch die Schlitze erzeugte Formanisotropie ist die gleiche Art von magnetischer Vorkonditionierung der Welle, wie sie beispielsweise durch die zickzackgemusterten amorphen Bänder nach Sasada et al. und die geschlitzten amorphen Bänder nach Mohri erzeugt wurde, und leidet unter den gleichen Mängeln. Die japanische Patentschrift Nr. 169 326 (eingereicht am 31. 8. 1943, erteilt am 16. 1. 1945) beschreibt Mittel zum Messen des Drehmoments in einer aus einem ferromagnetischen Material ausgebildeten Drehwelle. Die Mittel enthalten ein Paar von axial im Abstand liegenden Bändern auf der Wellenoberfläche, wobei die Bänder Rändelungen aufweisen, die darauf unter entgegengesetzten Winkeln von ± 45º ausgebildet sind, sowie Spulen, die die jeweiligen Bänder umgeben, zum Abfühlen einer magnetischen Flußänderung, wenn ein Drehmoment an die Welle angelegt wird, und zum Erzeugen einer EMK, die dem angelegten Drehmoment proportional ist. In dem Patent gibt es keine Lehre zu den Verfahren, das zum Aufbringen der Rändelung verwendet wird, zu dem für die Bandabschnitte der Welle verwendeten ferromagnetischen Material und zu irgendwelchen Wärmebehandlungen der Welle, um Spannungen wegzuglühen oder mechanische Festigkeit zu verleihen. Ferner findet sich in dem Patent keine Offenbarung der speziellen Rändelungskonfiguration oder Tälerdichte, wenngleich die Zeichnungen nahelegen, daß die Täler in weitem Abstand liegen. Mit Sicherheit gibt es keine Lehre, daß die Bänder wenigstens einen Umfangsbereich enthalten, der frei von restspannungsfreien Bereichen über wenigstens 50% seiner Umfangslänge ist. Ferner legt der Bezug darauf, daß die Rändelungs-"Berge" in einem Band einer Druckspannung unterworfen werden, während die Rändelungs-"Berge" im anderen Band einer Zugspannung unterworfen werden, nahe, daß die magnetische Anisotropie von der makroskopischen topographischen Änderung der Wellenoberfläche, d. h. der Rändelung, herrührt und nicht von irgendeiner Restspannung, die durch einen mechanischen Bearbeitungsprozeß, der zu der Rändelung führt, erzeugt wird. Das Patent scheint also zu lehren, daß magnetische Anisotropie, die von einer topographischen Änderung herrührt, und nicht eine restspannungserzeugte magnetische Anisotropie für die abgefühlte Permeabilitätsänderung verantwortlich ist. Diese Lehre ist vollständig konsistent mit der Bildung einer Rändelung mit verhältnismäßig weit im Abstand voneinander liegenden Tälern nach einer Technik, wie etwa einer spanenden Bearbeitung oder einer Photoätzung, welche den Bändern keine restspannungserzeugte Anisotropie verleiht. Eine Drehmomentmeßvorrichtung, die ausschließlich oder im wesentlichen von einer tophographischen Änderung abhängt, besitzt eine zu geringe anisotrope Vorkonditionierung in den Bändern, als daß eine praktisch brauchbare Empfindlichkeit geschaffen würde. UdSSR-Erfinderzertifikat Nr. 838 448 beschreibt ebenfalls einen magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler mit zwei im Abstand voneinander liegenden umfänglichen Bändern auf einer Welle, umfänglichen Erregungsspulen und umfänglichen Meßspülen, die die Bänder umgeben und über ihnen liegen. Bei diesem Meßwandler werden die Bänder durch Erzeugen einer Rändelung in der Wellenoberfläche ausgebildet, wobei die Täler der Rändelung unter ± 45º zur Wellenachse liegen, so daß die Täler des einen Bandes orthogonal zu den Tälern des anderen Bandes sind. Die Rändelungen werden nach einem nicht beschriebenen Verfahren sorgfältig ausgebildet, das das Vorhandensein von wesentlichen spannungsfreien Oberflächenabschnitten zwischen benachbarten Tälern gewährleistet, so daß die magnetische Permeabilität der Täler von der magnetischen Permeabilität der dazwischenliegenden spannungsfreien Bereiche verschieden ist. Insoweit als das Verhältnis Tälerbreite zu Abstand dem Verhältnis Spannungsbereich zu spannungsfreiem Bereich entspricht und das gewünschte Verhältnis 0,3 zu sein scheint, gibt es in keinem der beiden Bänder einen Umfangsbereich, der absichtlich über mehr als 30% seiner Umfangslänge mit Spannung versehen ist. Diese äußerst minimale spannungsanisotrope Vorkonditionierung wird als zu gering angesehen, als daß eine konsistente Meßwandlerempfindlichkeit, gemessen durch das elektronische Ausgangssignal der Meßspulen und der ihnen zugeordneten Schaltung, für eine ökonomische, kommerzielle Ausnutzung geschaffen würde.
Unbeschadet ihrer vielen Mängel hinsichtlich der Ausbildung empfindlicher und praktischer Bänder magnetischer Anisotropie auf einer einem Drehmoment unterworfenen Welle stellen die in den Artikeln von Harada et al., Sasada et al., Mohri und Yamasaki et al. und in den UdSSR-Erfinderzertifikaten unter Beweis gestellten Anstrengungen nennenswerte Fortschritte gegenüber den früheren Arbeiten von Beth und Meeks, Dahle und Scoppe dar, indem erkannt wird, daß ein Paar von axial im Abstand liegenden, umfänglichen Bändern mit symmetrischer, wendelförmig gerichteter Anisotropie eine Mittelung axialer Permeabilitätsdifferenzen über die gesamte Umfangsfläche gestattet. Dies ist merklich einfacher als zu versuchen, die wendelförmigen Permeabilitätsdifferenzen, die längs der Hauptspannungsachsen abgefühlt werden, zu mitteln, wie dies früher vorgeschlagen worden ist. Ferner beeinflussen weder Drehgeschwindigkeit noch radiale Exzentrizität die auf diese Weise abgefühlte Permeabilität nennenswert. Nichtsdestoweniger bringen diese Anstrengungen nach perfekten Mitteln einer Anbringung von magnetoelastisch optimiertem Material an der Oberfläche des mit dem Drehmoment beaufschlagten Teils nicht annehmbare Beschränkungen in den sich ergebenden Drehmomentsensor ein. Die Anbringung von klebend befestigten amorphen Bändern an der Welle leidet unter deutlichen Mängeln, wie der Methode, die verwendet wird, um die Bänder der Welle anzupassen, den Eigenschaften des Klebers und den funktionalen Eigenschaften des amorphen Materials, was solche Bänder für eine kommerzielle Umsetzung unpraktisch machen. Die Verwendung von starr angebrachten Muffen, wie es Scoppe und, später, US 4 506 554 - Blomkvist et al, lehrt, ist für praktische Anwendungen wegen der dabei eine Rolle spielenden höheren Kosten sowie der Spannungen, die durch Hochtemperaturschweißen erzeugt werden, und/oder der durch ein nachfolgendes Anlassen in den magnetischen und mechanischen Eigenschaften erzeugten Unsicherheiten ungeeignet. Ebenso bietet das Verlassen auf eine Formanisotropie oder vorwiegend spannungsfreie Bereiche für die Erzeugung von Spannungsanisotropie bedeutsame Probleme, welche solche Techniken für eine kommerzielle Umsetzung unpraktisch machen.
Es liegt daher auf der Hand, daß trotz vieler Fortschritte in der Drehmomentmeßwandler-Technologie weiterhin ein Bedarf nach einem magnetoelastischem Drehmoment-Meßwandler besteht, der deutlich wirtschaftlicher als frühere Drehmoment-Meßwandler ist, eine Verwendung in vielen Anwendungsbereichen, welche solchen Meßwandlern bislang entweder wirtschaftlich oder umgebungsmäßig nicht zugänglich waren, erlaubt und auf klein- sowie großdurchmesserige Wellen, sei es stationäre oder mit irgendeiner praktischen Geschwindigkeit drehende, anwendbar ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung ist wie in Patentanspruch 1 beansprucht.
So wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck "wärmegehärtet" wärmebehandelt bei angehobenen Temperaturen oberhalb ungefähr 800ºC, beispielsweise durch Anlassen, gefolgt von einem Abschrecken, oder durch Einsatzhärtung bei einer hohen Temperatur in einer karbonisierenden Atmosphäre, gefolgt von einem Abschrecken, um dem Material, aus welchem das Teil, der Bereich oder die Mittel geformt sind, gewünschte mechanische Eigenschaften, beispielsweise Härte und Festigkeit, zu verleihen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden. Auf diesen ist bzw. sind
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlers,
Fig. 2 eine Schnittansicht des magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlers, welche eine Form von magnetischem Diskriminator zeigt, die damit brauchbar ist,
Fig. 3 ein Schaltbild, welches die dem magnetischen Diskriminator der Fig. 2 zugeordnete Schaltung zeigt,
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine weitere Form von damit brauchbarem magnetischem Diskriminator, und die zugehörige Schaltung, zeigt,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen aufgebrachtem Drehmoment und Ausgangssignal für verschiedene magnetoelastische Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen aufgebrachtem Drehmoment und Ausgangssignal für die magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler gemäß der Fig. 5, nachdem deren Wellen unter identischen Bedingungen behandelt worden sind,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der allgemeinen Beziehung zwischen Empfindlichkeit des Drehmoment-Meßwandlers und Restspannungsbelastung längs der Umfangslänge eines Umfangsbereichs der Bänder des Meßwandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Teststücks, das beim Testen der Empfindlichkeit des Drehmoment-Meßwandlers verwendet wird,
Fig. 9 eine graphische Darstellung, wie in Fig. 7, der Beziehung Empfindlichkeit über Restspannungsbelastung für einen Meßwandler gemäß der Erfindung, wobei dessen Bänder mit einer restspannungsherbeigeführten magnetischen Anisotropie durch eine kontrollierte Rändelungstechnik ausgestattet waren,
Fig. 10, 11 und 12 graphische Darstellungen der Beziehung zwischen aufgebrachtem Drehmoment und Ausgangssignal für magnetoelastisch Drehmoment-Meßwandler, die gemäß der Erfindung hergestellt sind.

Beste Ausführungsweise der Erfindung

Es ist ein magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler vorgesehen, der (1) ein das Drehmoment übertragendes Teil, bei welchem wenigstens die Oberfläche in wenigstens einem vollständigen Umfangsbereich geeigneter axialer Ausdehnung geeignet ferromagnetisch und magnetostriktiv ist, (2) zwei axial unterschiedene Umfangsbänder innerhalb dieses Bereichs oder ein solches Band in jedem von zwei solchen Bereichen, die mit zueinander symmetrischer, wendelförmig gerichteter restspannungsherbeigeführter magnetischer Anisotropie ausgestattet sind, so daß bei Fehlen von Drehmoment die Magnetisierung längs einer linkshändigen (LH) Wendel in dem einen Band und längs einer axialsymmetrischen rechtshändigen (RH) Wendel im anderen Band orientiert zu sein trachtet, und (3) eine magnetische Diskriminatorvorrichtung zum Nachweisen, ohne Berührung des Drehmomentelements, von Differenzen in der Antwort der beiden Bänder auf gleiche, axiale magnetisierende Kräfte aufweist.
Diese Merkmale des magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlers gemäß der Erfindung werden durch Bezugnahme auf Fig. 1 deutlicher, auf welcher eine zylindrische Welle 2, die aus ferromagnetischem und magnetostriktivem Material ausgebildet ist oder wenigstens einen ferromagnetischen und magnetostriktiven Bereich 4 aufweist, veranschaulicht ist, die ein Paar von axial im Abstand liegenden umfänglichen bzw. ringförmigen Bändern 6, 8 aufweist, die mit zueinander symmetrischer, wendelförmig gerichteter magnetischer Spannungsanisotropie in den Winkelrichtungen ± R der jeweiligen magnetischen leichten Achsen 10, 12 ausgestattet sind. Ein magnetischer Diskriminator ist von der Welle 2 durch einen kleinen radialen Zwischenraum getrennt. Bei Fehlen von aufgebrachtem Drehmoment reagiert die Magnetisierung in den Bändern 6, 8 symmetrisch auf das Aufbringen gleicher axialer Magnetisierungskräfte. Longitudinale bzw. axiale Komponenten der Magnetisierung innerhalb dieser beiden Bänder bleiben identisch, da cosR = cos(-R) für alle Wert von R, weshalb der magnetische Diskriminator keine Differenz bzw. Null feststellen wird. Mit Aufbringen von Drehmoment auf die Welle 2 kombiniert sich die daraus entstehende Spannungsanisotropie asymmetrisch mit den Ruheanisotropien, die beabsichtigt den Bändern eingeflößt wurden, so daß dann eine unterschiedliche Antwort der beiden Bänder auf gleiche axiale Magnetisierungskräfte erfolgt. Da die Spannungsanisotropie eine Funktion der Richtung und Größe des Drehmoments ist, ist die Differenzantwort der beiden Bänder eine monotone Funktion des Drehmoments. Die sich ergebenden Unterschiede der magnetischen Anisotropie in jedem der Bänder zeigen sich dadurch, daß die axiale Permeabilität des einen Bandes zu- und diejenige des anderen Bandes abnimmt. Die Differenz der axialen Permeabilitäten der beiden Bänder wird zur Abfühlung des Drehmoments verwendet. Ein geeignet ausgelegter magnetischer Diskriminator wird detaillierte Merkmale der Differenzantwort feststellen und ein Ausgangssignal liefern, das ein Analogon des Drehmoments ist.
Gemäß der Erfindung ist das das Drehmoment übertragende Teil mit zwei axial im Abstand liegenden unterschiedenen umfänglichen bzw. Ringbändern im ferromagnetischen Bereich des Teils versehen. Für diese Bänder gibt es keine speziellen geometrischen, räumlichen, Anordnungs- oder Umfangsbeschränkungen, ausgenommen lediglich, daß sie auf dem gleichen Durchmesserteil und ausreichend eng zueinander angeordnet sein sollten, daß sie die gleiche Verdrehungskraft erfahren. Die Bänder sind vorsätzlich mit zueinander symmetrischer, wendelförmig gerichteter magnetischer Anisotropie ausgestattet, die durch Restspannung bewirkt ist. Restspannung kann in ein Teil auf viele verschiedene Arten eingeführt werden, wie im einzelnen weiter unten diskutiert wird.
Allen Techniken ist jedoch gemeinsam, daß sie mechanische Spannung auf das Teil jenseits der Elastizitätsgrenze wenigstens seines Oberflächenbereichs aufbringen, so daß, wenn die aufgebrachte Spannung weggenommen wird, bei Abwesenheit externer Kräfte das Teil nicht in der Lage ist, elastisch in einen unverspannten Zustand zurückzukehren. Vielmehr verbleibt eine Restspannung, welche, wie dies bekannt ist, magnetische Anisotropie hervorruft. Abhängig von der zur Aufbringung von Spannung verwendeten Technik variiert die Winkelrichtung der tangentialen Hauptrestspannung zur Achse des Teils zwischen Werten größer als null und weniger als 90º. Vorzugsweise liegt die Winkelrichtung der Restspannung und diejenige der sich ergebenden magnetischen leichten Achsen von 10º-80º und, wünschenswerter, von 20º-60º.
Wie hier verwendet, sind "Restspannungen" diejenigen Spannungen, die in einem Körper bei Fehlen äußerer Kräfte vorhanden sind. Ihre Verteilung ist derart, daß die Nettokräfte und -momente, die auf verschiedene Bereiche innerhalb des Körpers wirken, sich auf dem gesamten Körper zu null summieren. Wenn also irgendein Bereich Nettokräfte und/oder -drehmomente auf den Rest des Körpers ausübt, müssen andere Bereiche kompensierende Kräfte und/oder Drehmomente ausüben. Die Folge dieses Erfordernisses, das Restspannungen selbstkompensierende Verteilungen errichten, besteht darin, daß die Existenz irgendeines eine Zugspannung erfahrenden Bereichs die Existenz eines kommunizierenden Bereiches, der eine Druckspannung erfährt, impliziert. Restspannung wird oftmals nach der Größe der Bereiche und den Abständen, die kompensierende Bereiche trennen, als kurzreichweitig (SR) und langreichweitig (LR) klassifiziert. SR-Spannungen existieren in Bereichen von einigen wenigen Atomen bis zu einer Größe, die mit mikrostrukturellen Merkmalen, wie etwa einem Einzelkorn, vergleichbar sind. LR-Spannungen existieren über Dimensionen von mehr als einem Korn bis zu makroskopischen Merkmalen des gesamten Körpers.
Das Erfordernis der vorliegenden Erfindung nach einer verhältnismäßig kohärenten magnetischen Anisotropie über einen größeren Anteil eines Umfangsbandes makroskopischer axialer Erstreckung läßt sich mit absichtlich beigebrachten geeignet verteilten LR-Spannungen erfüllen. In jedem Band sind die Hauptkomponenten der Restspannung an und nahe der Oberfläche über das Band hinweg verhältnismäßig gleichförmig und durch eine wendelförmige Direktionalität charakterisierbar. Die Spannungen, die zur Kompensation dieser Oberflächenspannung erforderlich sind, sollten wünschenswerterweise von der Oberfläche radial nach innen liegen, so daß sie durch magnetische Oberflächenabfühlung unnachweisbar sind. Diese gleiche Verteilung, aber mit einer entgegengesetzthändigen gleichwinkligen Wendelform wird auch in dem zusammenwirkenden Band eingeflößt.
Es wird richtig eingeschätzt werden, daß insoweit, als das Abfühlen von Drehmoment in erster Linie durch Abfühlen der Permeabilitätsänderung an der Oberfläche des mit dem Drehmoment beaufschlagten Teils durchgeführt wird, wenigstens an der Oberfläche eines jeden Bands eine durch Restspannung hervorgerufene magnetische Anisotropie vorhanden sein muß. Daher kommt die Einschränkung, daß die aufgebrachte Spannung wenigstens dafür ausreichend sein muß, daß die Elastizitätsgrenze des Teils an seiner Oberfläche überschritten wird. Es wird natürlich auch richtig eingeschätzt werden, daß die Anwendung einer aufgebrachten Spannung, die das Minimum überschreitet, abhängig von der Größe der aufgebrachten Spannung zu einer Restspannung auch im Körper des Teils führen wird. Für die Verwendung hier bedeutet der Ausdruck "Oberfläche" des Teils an der Oberfläche und innerhalb von 0,010 inch (0,25 mm) derselben.
Jedes Verfahren zum Aufbringen von Spannung auf ein Teil zur Überschreitung von dessen Elastizitätsgrenze an der Oberfläche der Bänder kann verwendet werden, welches eine ungleiche plastische Verformung über den relevanten Querschnitt des Teils erzeugt. Das Verfahren zur Einführung von Restspannung kann mechanisch, thermisch oder irgendein anderes geeignetes sein. Es ist besonders wünschenswert, daß die Restspannung herbei führende aufgebrachte Spannung die maximale erwartete aufgebrachte Spannung bei Beaufschlagung des Teils mit Drehmoment im Gebrauch überschreitet. Damit soll sichergestellt werden, daß eine Beaufschlagung mit Drehmoment im Einsatz das Restspannungsmuster und damit die magnetische Anisotropie innerhalb der Bänder nicht ändert. Die in die jeweiligen Bänder eingeführte Restspannung sollte im wesentlichen gleich und symmetrisch sein, damit ein Abfühlen der axialen Permeabilität, wenn gleiche axiale Magnetisierungskräfte auf das Teil aufgebracht werden, ein "Kein Unterschied"-Ausgangssignal im drehmomentfreien Zustand und gleiche, aber entgegengesetzte Ausgangssignale als Ergebnis des Aufbringens von gleichen Drehmomenten im Uhrzeigersinn (CW) und gegen Uhrzeigersinn (CCW) erzeugt.
Das ausgewählte Verfahren zum Aufbringen von Spannung auf ein Teil jenseits von dessen Elastizitätsgrenze zur Erzeugung von Restspannung ist weitgehend eine Funktion von Größe, Form, Material und beabsichtigter Anwendung des Teils. Das Verfahren kann kontinuierliche und im wesentliche gleiche Restspannungen über die gesamte Oberfläche des Bandes, d. h. um den gesamten Bandumfang herum und längs seiner gesamten axialen Länge, herbeiführen. Alternativ kann das Verfahren ein Restspannungsmuster innerhalb jedes Bandes herbeiführen, welches sowohl verspannte als auch unverspannte Bereiche enthält. Ein solches Muster unterliegt jedoch der wichtigen Einschränkung, daß jedes Band wenigstens einen kontinuierlichen Umfangsbereich haben muß, der frei von spannungsfreien Bereichen über wenigstens 50% seiner Umfangslänge, vorzugsweise über wenigstens 80% seiner Umfangslänge, ist. In einer besonders bevorzugten Konfiguration würde jedes Band wenigstens einen kontinuierlichen Umfangsbereich haben, der frei von spannungsfreien Bereichen über seine gesamte Umfangslänge ist. Allgemein ist es besonders wünschenswert, das Ausmaß von Wellenoberfläche, welche vorsätzlich verspannt ist, zu maximieren, um so viel wie möglich der Oberfläche mit einer verhältnismäßig großen kontrollierten magnetischen Anisotropie auszustatten. Dies beläßt so wenig wie möglich der Wellenoberfläche lediglich der regellosen Anisotropie unterworfen, die bei der Herstellung der Welle infolge innerer Spannungen erzeugt wird und von der Kristallorientierung herrührt. Es sollte gewürdigt werden, daß die Probleme, die mit regelloser Anisotropie einhergehen, die der Verwendung der Welle selbst als ein wirksames Element, d. h. als Fühlbereich, des magnetischen Kreises des Drehmomentsensors inhärent ist, gemäß der Erfindung überwunden werden, indem die regellose Anisotropie durch relativ große, durch absichtlich erzeugte Restspannung herbeigeführte Anisotropie ersetzt und/oder von dieser verschüttet wird. Aus naheliegenden Gründen ist jede statistische Restanisotropie umso bedeutungsloser, je größer die absichtlich eingeführte Anisotropie ist.
So wie vorstehend und nachfolgend verwendet, bedeutet der Ausdruck "Umfangsbereich" den geometrischen Ort der Punkte, die den Schnitt (1) einer Ebene, die senkrecht zur Achse des Teils verläuft, und (2) der Oberfläche des Teils, wie oben definiert, definieren. Wenn das Teil eine zylindrische Welle ist, ist der Umfangsbereich ein Kreis, der den Schnitt der zylindrischen Oberfläche mit einer Ebene senkrecht zur Wellenachse definiert, und ein solcher Kreis hat einen Umfang bzw. eine Umfangslänge. Anders ausgedrückt, wenn jedes Element der Oberfläche des Teils, die den Umfangsbereich umfaßt, untersucht würde, würde man sehen, daß ein jedes solches Element entweder verspannt oder unverspannt ist. Zur Ausbildung eines kommerziell funktionierenden Drehmomentsensors mit breiter Anwendungsmöglichkeit, insbesondere in Anwendungen mit kleinen Wellendurchmessern, der eine annehmbare und kommerziell reproduzierbare Empfindlichkeit, Linearität und Ausgangssignalgröße zeigt, hat sich erwiesen, daß wenigstens 50% dieser Elemente über ihre Elastizitätsgrenze hinaus verspannt worden sein und daher nach Wegnahme der angelegten Spannung restverspannt bleiben mußten.
Der Bereich von Verfahren, mit welchen drehmomentübertragende Teile mit den gewünschten Bändern ausgestattet werden können, die restspannungseingeflößte wendelförmig gerichtete magnetische leichte Achsen, d. h. Richtungen, in welchen die Magnetisierung am leichtesten ist, enthalten, ist nahezu endlos. Vom Gesichtspunkt der Meßwandlerleistung her ist die wichtigste Überlegung die Angemessenheit der resultierenden Anisotropie, d. h. die erzeugte Bandanisotropie muß wenigstens vergleichbare Größe zur Spannungsanisotropie haben, die durch das aufgebrachte Drehmoment beigesteuert wird. Unter dem Gesichtspunkt der Verträglichkeit mit der Vorrichtung, in welcher der Meßwandler installiert ist, sind Folgeeffekte auf die Hauptfunktion des Teils die zwingende Überlegung. Andere wichtige Überlegungen bei der Auswahl des Verfahrens sind Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit. Beispiele geeigneter Verfahren zum Aufprägen restspannungsherbeigeführter magnetisch gerichteter Eigenschaften auf ein drehmomentübertragendes Teil, d. h., an der Oberfläche desselben, enthalten torsionale Überdehnung, Rändelung, Schleifen, mechanisches Ritzen, gerichtetes oder maskiertes Kugelstrahlen oder Sandstrahlen, Walzenbrechen, geeignete chemische Mittel, ausgewählte Wärmebehandlungen, beispielsweise Induktion, Schweißbrennen, Thermodruckkopf, Laserritzung, sind aber darauf nicht beschränkt.
Von den vorgenannten hat sich die Schaffung von Restspannungsbereichen durch torsionale Überdehnung als ein einfaches, wirtschaftliches und wirkungsvolles Verfahren bei kleindurchmesserigen Wellen erwiesen. Es ist besonders wünschenswert, weil es die Oberfläche der Welle weder verzerrt noch unterbricht und daher nahezu mit jeder Anwendung verträglich ist. Die Art und Weise des Aufbringens von torsionaler Überdehnung, d. h. durch Verwinden beider Seiten eines zentral eingespannten Bereichs, macht es unpraktisch für und unanwendbar auf großdurchmesserige Wellen, die aus Materialien mit hoher Elastizitätsgrenze ausgebildet sind. Rändelung ist eine wünschenswerte Art, Restspannung in einer Welle praktisch jeden Durchmessers einzuführen. Mit Rändeln lassen sich der exakte Ort der Bänder, ihre axiale Ausdehnung, Trennung und Anordnung eng steuern. Ferner erlaubt Rändeln eine verhältnismäßig einfache Steuerung der Wendelwinkel der leichten Achsen. Sehr wichtig, gestattet das Rändeln eine Vorbestimmung der Hauptmerkmale der Rändelung selbst, wie etwa Ganghöhe, Tiefe und Querschnittsform, und damit der Steuerung der eingeführten Restspannung. Es sollte richtig erkannt werden, daß gemäß der Erfindung ausreichend Oberfläche eines jeden Bandes so sehr verspannt sein muß, daß dort innerhalb jedes Bandes wenigstens ein kontinuierlicher Umfangsbereich, der frei von unverspannten Bereichen ist, über wenigstens 50% seiner Umfangslänge vorliegen muß. Nicht jedes Rändeln ist so ausgedehnt, und es muß dafür gesorgt werden, daß ein Rändeln und ein Verfahren zum Aufbringen der Rändelung ausgewählt wird, welches diese Vorgabe erreicht. Insoweit Rändeln die Oberfläche der Welle zerreißt, um die Rändelung darauf auszubilden, wird ein gerändeltes Band mit einer Formanisotropie sowie einer Restspannungsanisotropie ausgestattet. Wenn beispielsweise für die Verträglichkeit der gerändelten Welle mit einer beabsichtigten Anwendung dies gewünscht wird, können die groben Formmerkmale der Rändelung von der Welle abgeschliffen und nur die von der Restspannung verursachte magnetische Anisotropie übriggelassen werden. Natürlich hat auch Rändeln seine wesentlichen Mängel und ist, wie im folgenden zu sehen sein wird, hinsichtlich seiner Anwendung auf Legierungen mit bestimmten Eigenschaften beschränkt. Andere Formen der Kaltbearbeitung mit oder ohne Oberflächenverformung, wie Schleifen, erzeugen ebenfalls Restspannung und zugeordnete magnetische Anisotropie und sind vorteilhafte Formverfahren bei der Herstellung von Drehmomentsensoren gemäß der Erfindung. Ferner können ausgeklügeltere Verfahren, wie etwa Elektronenstrahl- und Laserritzen sowie ausgewählte Wärmebehandlungen die gewünschte Anisotropie mit weniger Verstümmelung der Wellenoberfläche als mit den meisten mechanischen Kaltbearbeitungsverfahren schaffen. Ferner bieten diese Methoden die Möglichkeit einer sehr engen Steuerung der eingeführten Restspannungen durch Einstellung der Leistungsdichte und Intensität des Strahls und/oder der Wärmegradienten.
Welches Verfahren auch immer man nun zur Schaffung von Restspannung innerhalb der Bänder auswählt, es sollte richtig eingeschätzt werden, daß die Beziehung zwischen Prozent verspannter Bereiche längs der Umfangslänge eines Umfangsbereichs innerhalb eines jeden Bandes ("% verspannte Bereiche") und Empfindlichkeit (in Millivolt/Nm) eine solche ist, bei der die Empfindlichkeit mit zunehmenden "% verspannten Bereichen" zunimmt. Eine Auftragung dieser Parameter ergibt eine Kurve, die ihre größte Steigung bei den niedrigeren Werten für "% verspannte Bereiche" und eine abnehmende Steigung bei den höheren Werten der "% verspannte Bereiche", bis hinauf zu 100%, hat, an welchem Punkt die Empfindlichkeit am größten ist und die Steigung nahe bei null liegt. Die genaue Form der Kurve, ihre Steigung für jeden bestimmten Wert von "% verspannte Bereiche", ihr Anfangsanstieg und der Punkt, an welchem der Anstieg abnimmt und die Kurve abflacht, sind alles Funktionen des Materials der Bänder und der Art und Weise, in welcher die Spannung aufgebracht wird. Eine typische Kurve ist in Fig. 7 gezeigt. Bei "A" liegt keine Restspannung längs der Umfangslänge des Umfangsbereichs vor. Bei "C" sind 100% der Umfangslänge des Umfangsbereichs einer Restspannung unterworfen. "B" stellt den ungefähren Punkt auf der Kurve dar, an dem die Empfindlichkeit abzuflachen beginnt, d. h. weniger auf "% verspannte Bereiche" reagiert, wobei dieser Punkt sowohl material- als auch verfahrensabhängig ist.
Idealerweise ist der Drehmomentsensorbetrieb bei 100% Restspannung, d. h. bei "C" der Kurve, am besten, weil die Änderungsgeschwindigkeit der Empfindlichkeit minimiert ist und sich ein Zustand mit 100% Verspannung im allgemeinen mit den meisten Methoden am einfachsten erreichen läßt. Praktisch ist es schwierig, das Restspannungseinbringungsverfahren so zu steuern, daß sich ein Wert für einen gewünschten "% verspannte Bereiche" erzielen läßt, der weniger als 100% ist. Aber praktische Produktionsprobleme einmal weggelassen, lassen sich annehmbare Drehmomentsensoren bauen, die bei Empfindlichkeitswerten arbeiten, die weniger als 100% Restspannung längs der Länge eines Umfangsbereichs des Bands entsprechen.
Drehmomentsensoren lassen sich nicht wirtschaftlich und reproduzierbar so bauen, daß sie im ansteigenden Abschnitt AB längs der Kurve der Fig. 7 arbeiten, da in diesem Abschnitt die Empfindlichkeit extrem auf "% verspannte Bereiche" reagiert. Dies bedeutet, daß selbst kleine Änderungen von "% verspannte Bereiche" verhältnismäßig große Änderungen der Empfindlichkeit bewirken. Von einem praktischen kommerziellen Standpunkt aus müssen massengefertigte Drehmomentsensoren eine bekannte und reproduzierbare Empfindlichkeit haben. Es wäre unrealistisch, wenn man jeden individuell kalibrieren müßte. Auch normale Produktionsinkonsistenzen bewirken jedoch kleine Änderungen von "% verspannte Bereiche", was im AB-Bereich der Kurve zu großen Empfindlichkeitsunterschieden zwischen Sensoren führt. Daher müssen kommerziell brauchbare Drehmomentsensoren längs eines flacheren Abschnitts der Kurve arbeiten, wo die Steigung näher bei null liegt. Arbeiten im BC-Bereich der Kurve erscheint als ein akzeptabler Kompromiß. Für die meisten Materialien und Restspannungseinführungsverfahren wird bevorzugt, daß der durch "B" dargestellte Punkt wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%, verspannte Bereiche längs der Umfangslänge eines Umfangsbereichs überschreitet. Dies geschieht in Erkenntnis der Tatsache, daß die minimale annehmbare Restspannungsbelastung eines Umfangsbereichs sowohl material- als auch verfahrensabhängig ist, und daß es im allgemeinen höchst wünschenswert ist, so nahe bei 100% Spannungsbelastung zu liegen, wie dies praktisch ist.
Um die Anwendbarkeit des Vorstehenden bei der Herstellung eines funktionsfähigen Drehmomentsensors unter Bezugnahme auf Fig. 8 zu demonstrieren, wurde eine zylindrische Welle 100 mit 0,25 inch (6 mm) Außendurchmesser mit zwei Schultern 102 gleicher axialer Länge, die durch einen Wellenabschnitt 104 mit vermindertem Außendurchmesser von 0,215 inch (5 mm) im Abstand liegen, ausgebildet. Die Welle wurde aus einem Nickel-Maraging-Stahl ausgebildet, der als Unimar 300K bei Universal-Cyclops Speciality Steel Division, Cyclops Corporation, Pittsburgh, Pennsylvania, kommerziell verfügbar ist und bei 813ºC in Wasserstoff zur Beseitigung innerer Spannungen vorgeglüht war. Jede Schulter 102 wurde unter Verwendung eines Paares von identischen Rändelungswalzen mit einem Außendurchmesser von 3/4 inch (19 mm), einer Länge von 3/8 inch (10 mm) und 48 Zähnen auf ihrem Umfang sorgfältig gerändelt. Die Schultern wurden mit den Rändelungswalzen in kontrollierter Weise in Berührung gebracht, um symmetrische Rändelungen auf jeder Schulter unter Winkeln von ± 30º zur Wellenachse auszubilden. Eine sorgfältige Steuerung der Zustellung des Werkzeugs in Bezug auf die Schultern erlaubte eine Steuerung der axialen Breite und Tiefe eines jeden Rändelungsstals. "% verspannte Bereiche" längs der Umfangslänge eines Umfangsbereichs einer jeden Rändelungsschulter wurde bestimmt, indem angenommen wurde, daß das Rändelungstal der einzige verspannte Bereich der Schulter war und daß die Schulteroberfläche zwischen Tälern durch den Rändelungsvorgang nicht verspannt wurde; durch Messen der Talbreite und des Sehnen-Rändelungsabstandes und Umwandeln des Sehnen-Abstands in Umfangsabstand; und durch Berechnen des Verhältnisses von Talbreite zu Umfangsabstand, welches Verhältnis, wenn mit 100 multipliziert, den gewünschten "% verspannte Bereiche"-Wert darstellte. Die auf diese Weise hergestellte Welle wurde an einem Hebelarm angebracht, welcher das Aufhängen von 10 1-Pfund-Gewichten an jedem Ende des Armes gestattete (5 kg). Der Hebelarm war so bemessen, daß das Hinzufügen oder Entfernen eines einzelnen 1-Pfund-Gewichts von irgendeiner Seite eine Drehmomentänderung auf der Welle von 0,5 Nm darstellte. Durch geeignetes Verschieben der Gewichte konnte das auf die Welle wirkende Drehmoment sowohl nach Größe als auch Richtung geändert werden.
Fig. 9 veranschaulicht graphisch die Beziehung zwischen "% verspannte Bereiche" und Empfindlichkeit für eine Welle, die wie oben beschrieben hergestellt ist. Es ist ersichtlich, daß die Kurve bis auf 60% Spannungsbelastung rasch ansteigt und dann als danach verhältnismäßig rasch abflachend erscheint. Dies deshalb, weil man annimmt, daß eine größere Korrelation bei niedrigeren "% verspannte Bereiche"-Werten zwischen dem Verhältnis Talbreite zu Umfangsabstand und dem tatsächlichen Prozentsatz von verspannten Bereichen längs der Umfangslänge eines Umfangsbereichs der Welle besteht. Wenn die Breite und Tiefe des Wendelungstals zunimmt, tritt zutage, daß die Schulteroberfläche zwischen Tälern, zumindest in der Nachbarschaft der Tälerränder, leicht deformiert und höchstwahrscheinlich restverspannt wird. Der Punkt der Kurve, bei welchem 100% Spannungsbelastung in einem Umfangsbereich tatsächlich erzielt wird, ist daher etwas weniger als der berechnete 100%-Wert, was sich aus dem raschen Abflachen der Kurve an den Höheren "% verspannte Bereiche"-Abschnitten derselben erklärt. Dies legt nahe, daß bei vielen Verfahren, wie etwa dem Rändeln, der 100% -Spannungsbelastungspunkt mit weniger als 100% topographischer Zerreißung erzielt werden kann. In diesem Zusammenhang wird richtig verstanden werden, daß jedes Verfahren des Einbringens von Restspannung in eine Welle seine eigene Kurve für "% verspannte Bereiche" über Empfindlichkeit erzeugt, wenngleich davon ausgegangen wird, daß jede Kurve die gleiche allgemeine Charakteristik aufweist, wie sie in den Fig. 7 und 9 erscheint.
In Übereinstimmung mit Vorstehendem kann man sehen, daß bei Fehlen eines aufgebrachten Drehmoments das Aufbringen gleicher axialer Magnetisierungskräfte auf die Bänder bewirkt, daß die Bänder symmetrisch ansprechen und die den Bändern zugeordneten Abfühlmittel keine Ansprechdifferenz feststellen. Wenn Drehmoment aufgebracht wird, kombinieren sich die dem aufgebrachten Drehmoment zugeordneten Hauptspannungen mit den Restspannungen in den Bändern in einer solchen Weise, daß die resultierenden Spannungen in den beiden Bändern voneinander verschieden sind. Infolge dessen sind die magnetischen Anisotropien verschieden und die in dem jedem Band zugeordneten Abfühlmittel induzierte EMK reflektiert diese Differenz. Die Größe der Differenz ist der Größe des angelegten Drehmoments proportional. Das vorliegende System fühlt also eine magnetoelastische Differenzantwort auf die dem aufgebrachten Drehmoment zugeordneten Hauptspannungen zwischen zwei Umfangsbändern ab. Die Bedeutung hiervon ist, daß das Abfühlen auf diese Weise auf das Abfühlen der über den gesamten Umfang des Bandes gemittelten Antwort hinausläuft. Auf diese Weise sind Empfindlichkeit auf Oberflächeninhomogenität, Lage und Drehgeschwindigkeit vermieden.
Dieses Abfühlen magnetischer Permeabilitätsänderungen infolge aufgebrachten Drehmoments kann auf viele Weisen erfolgen, wie dies im Stand der Technik beschrieben ist. Siehe beispielsweise den vorgenannten Artikel von Harada et al und U.S. 4 506 554. Funktionell ist der magnetische Diskriminator bloß eine Sonde zum Einschätzen jeder magnetoelastischen Differenzialantwort auf aufgebrachtes Drehmoment zwischen den beiden Bändern. Allgemein funktioniert er, indem auf beide Bänder gleiche zyklisch mit der Zeit variierende Magnetisierungskräfte gelegt werden und Differenzen in ihrer resultierenden Magnetisierung abgefühlt werden. Die Magnetisierungskräfte können von elektrischen Strömen, Permanentmagneten oder beidem herrühren. Die sich ergebende Magnetisierung kann über ihre Divergenz, entweder durch den resultierenden Fluß oder durch ihre zeitliche Änderungsrate abgefühlt werden. Die Meßwandlerfunktion wird durch die elektrische Schaltung vervollständigt, welche ein elektrisches Signal liefert, das ein Analogon des Drehmoments ist.
Ein Verfahren zur Lieferung der Magnetisierungskräfte und zum Messen des resultierenden Differenzsignals der Abfühlspule ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Unter Bezug auf Fig. 2 kann man sehen, daß die Bänder 6, 8 von Spulenkörpern 16, 18 umgeben sind, welche zu der Welle 2 konzentrisch sind. Auf den Spulenkörpern 16, 18 sind ein Paar von Wicklungen 20, 22 und 24, 26 angebracht, von welchen 22 und 26 in Reihe geschaltete und mit Wechselspannung betriebene Erregungs- oder Magnetisierungsspulen und 20 sowie 24 entgegengesetzt angeschlossene Abfühlspulen zum Abfühlen der Differenz zwischen den Flüssen der beiden Bänder sind. Wahlweise ist ein Ferritkern 28 als allgemein E-förmiger Rotationsfestkörper vorgesehen. Umfangszwischenräume 30 zwischen der Welle und dem E-förmigen Kern werden wünschenswerterweise so klein und gleichförmig wie praktisch möglich gehalten, um die Welle zentriert innerhalb des Kerns zu halten. Fig. 3 zeigt, daß Erreger- oder Ansteuerspulen 22, 26 in Reihe an einer Wechselspannungsquelle 32 liegen, und die in den entgegengesetzt angeschlossenen Abfühlspulen 20, 24 induzierte EMK wird im Gleichrichter 34 phasenempfindlich gleichgerichtet und an einem Spannungsanzeigeinstrument 36 angezeigt. Schwarze Punkte 38 geben die Polarität der Spulen an.
Insoweit als die Spannungen in den Bändern symmetrisch und gleich sind, wenn kein Drehmoment an die Welle 2 angelegt wird, wird unter diesen Bedingungen das Ausgangssignal der in Fig. 3 gezeigten Schaltung null, unabhängig von der angelegten Wechselspannungsansteuereingabe. Dies liegt daran, daß die Bänder gleiche magnetische Permeabilität haben. Die in den Abfühlspulen induzierten Spannungen sind also in der Größe gleich und in der Polarität entgegengesetzt und heben einander weg. Wenn jedoch ein Drehmoment auf die Welle 2 aufgebracht wird, werden die betreffenden Bänder Zug- und Druckspannungen unterworfen mit einer sich daraus ergebenden Zunahme der Permeabilität und des Flusses in einem der Bänder, und einer sich daraus ergebenden Abnahme der Permeabilität und des Flusses im anderen der Bänder. Die in der einen der Abfühlspulen induzierte Spannung wird also die Spannung übersteigen, die in der anderen Abfühlspule induziert wird, und man erhält ein Ausgangssignal, das die Differenz zwischen den induzierten Spannungen darstellt und dem aufgebrachten Drehmoment proportional ist. Das Signal wird im Gleichrichter 34 in eine Gleichspannung umgewandelt, und die Polarität des Gleichrichterausgangssignals hängt von der Richtung, d. h., CW oder CCW, des aufgebrachten Drehmoments ab. Allgemein hat sich gezeigt, daß zur Gewinnung linearer, starker Ausgangssignale der Ansteuerwechselstrom vorteilhalfterweise im Bereich zwischen 10 und 400 Milliampere bei Erregungsfrequenzen von 1 bis 100 Hz gehalten werden sollte.
Fig. 4 veranschaulicht eine andere Art von magnetischem Diskriminator zum Abfühlen der Permeabilitätsänderung der Bänder mit Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle. Magnetköpfe 42, 44, die einen ferromagnetischen Kern und eine darauf gewickelte Spule aufweisen, sind an axialen Stellen längs der Welle 40 vorgesehen, die mit Bändern 46, 48 zusammenfallen, und sind magnetisch mit den Bändern gekoppelt. Die Magnetköpfe 42, 44 werden mit einer Hochfrequenzspannungsquelle 50 über Dioden 52, 54 erregt. Ohne auf die Welle 40 aufgebrachtes Drehmoment sind die magnetischen Permeabilitäten der Bänder gleich. Die Induktionsniveaus der beiden Magnetköpfe sind daher gleich und in der Polarität entgegengesetzt, und das Nettogleichspannungsausgangssignal, Vout, ist 0. Wenn auf die Welle 40 ein Drehmoment aufgebracht wird, wie dies durch die Pfeile 60 angedeutet ist, nimmt die magnetische Permeabilität des einen Bandes zu, während die Permeabilität des anderen Bandes abnimmt. Dementsprechend nimmt die Induktivität des einen Magnetkopfes zu, während die Induktivität des anderen abnimmt, mit einer resultierenden Differenz des Erregungsstromes zwischen den Köpfen. Diese Differenz des Erregungsstromes erzeugt, geführt über Ausgangswiderstände 56 und einen Glättungskondensator 58, ein Gleichspannungsausgangssignal, welches eine Polarität und Größe hat, welche die Größe und Richtung des aufgebrachten Drehmoments angeben.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wie weiter oben beschrieben, eine Welle aus geeignetem Material in jedem von zwei benachbarten Bändern mit symmetrischen, links- und rechtshändigen wendelförmigen magnetischen leichten Achsen ausgestattet. Wenigstens im Bereich der Bänder und gebräuchlicher über seine gesamte Länge, ist die Welle zumindest an ihrer Oberfläche aus einem Material gebildet, welches ferromagnetisch und magnetostriktiv ist. Das Material muß ferromagnetisch sein, um die Existenz magnetischer Bezirke zu gewährleisten, und muß magnetostriktiv sein, damit die Orientierung durch die einem aufgebrachten Drehmoment zugeordneten Spannungen geändert werden kann. Viele Materialien sind sowohl ferromagnetisch als auch megnetostriktiv. Es sind jedoch nur diejenigen wünschenswert, die auch andere wünschenswerte magnetische Eigenschaften, wie etwa eine hohe Permeabilität, niedrige Koerzitivkraft und niedrige magnetische Eigenanisotropie haben. Ferner haben wünschenswerte Materialien einen hohen spezifischen Widerstand, um das Vorhandensein induzierter Wirbelströme als Folge des Anlegens hochfrequenter magnetischer Felder zu minimieren. Ganz wichtig, müssen begünstigte Materialien diese günstigen magnetischen Eigenschaften nach einer Kaltbearbeitung und Wärmebehandlung, die erforderlich sind, um sie in geeignete Wellen mit für ihren beabsichtigten Einsatz geeigneter Festigkeit und Härte zu bringen, beibehalten.
Es stimmt, daß viele hochfeste Stahllegierungen ferromagnetisch und magnetostriktiv sind. In unterschiedlichem Ausmaß erfährt die weitaus größte Mehrheit dieser Legierungen eine Verschlechterung ihrer magnetischen Eigenschaften als Ergebnis der Wärmebehandlung, die erforderlich ist, um eine für den gewünschten Einsatz geeignete Härte und Festigkeit zu erzielen. Die ausgeprägteste Verschlechterung stellt man bei denjenigen kohlenstoff- oder karbidgehärteten Legierungen fest, für welche die herkömmliche Umkehrbeziehung zwischen mechanischer Härte und magnetischer Weichheit eine solide Basis zu haben scheint. Es zeigt sich jedoch, daß sich auch die Leistung von Legierungen mit wenig Kohlenstoff, wie AISI 1018, mit einer Wärmebehandlung deutlich verschlechtert. Das gleiche gilt für martensitische rostfreie Stähle, beispielsweise AISI 410, und hochlegierte Stähle, beispielsweise eine 49Fe-49Co-2V-Legierung. Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde bestimmt, daß die Nickel-Maraging-Stähle die ungewöhnliche Kombination von überlegenen mechanischen Eigenschaften und herausragenden thermisch stabilen magnetischen Eigenschaften besitzen, die ihnen eine spezielle Geeignetheit verleihen und sie besonders vorteilhaft zur Verwendung in allen magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern machen, in welchen ein magnetisches Feld an ferromagnetische, magnetostriktive Mittel angelegt und die Permeabilitätsänderung, die durch darauf aufgebrachtes Drehmoment bewirkt wird, abgefühlt wird, um eine Angabe für die Größe des aufgebrachten Drehmoments zu gewinnen. Dies gilt unabhängig davon, ob die ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel an der Oberfläche des mit dem Drehmoment beaufschlagten Teils befestigt, diesem zugeordnet sind oder einen Teil der Oberfläche desselben bilden, und unabhängig davon, ob die ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel mit Bändern absichtlich eingeflößter magnetischer Anisotropie ausgestattet sind und unabhängig von der Anzahl der Bänder, die verwendet werden können.
Die Nickel-Maraging-Stähle sind typischerweise Eisenbasislegierungen mit extra niedrigem Kohlenstoff- und hohem Nickelgehalt, die eine außergewöhnliche Kombination von Festigkeit und Bruchzähigkeit in einem Material zeigen, das sich bereitwillig schweißen läßt und einfach wärmebehandelbar ist. Gehörend zu einer lose verknüpften Familie von Eisenbasislegierungen, die ihre außergewöhnlichen Festigkeitseigenschaften mit Anlassen und beim Abkühlen durch Umformung in eine martensitische Eisen-Nickel-Mikrostruktur und beim Altern im angelassenen bzw. im martensitischen Zustand erhalten. Die Legierungen werden also "maraging" wegen der beiden in ihre Festigung involvierten Hauptreaktionen - Martensitisierung und Alterung (aging) - genannt.
Diese Stähle sind jedoch einzigartig wegen ihres hohen Nickel- und extrem niedrigen Kohlestoffgehalts, was die Bildung eines herausragend zähen Martensits gestattet, der rasch auf extrem hohe Werte gefestigt werden kann. Technische Streckgrenzen bis zu und deutlich jenseits 300 ksi sind bei diesen Stählen im gealterten Zustand verfügbar.
Typische Nickel-Maraging-Stähle sind Legierungen mit 12 bis 25% Ni, 7 bis 13% Co, 2,75 bis 5,2% Mo, 0,15 bis 2,0% Ti, 0,05 bis 0,3% Al, bis zu 0,03% C, Rest Eisen und zufällige Mengen anderer Elemente, wie Mn, Si, S, P, Nb. Die populärsten und praktisch bedeutsamsten Maraging-Stähle sind, zumindest gegenwärtig, die 18%-Ni-Stähle, die so gealtert werden können, daß sie Streckgrenzen von ungefähr 200 ksi, 250 ksi und 300 ksi, (1400, 1750, 2100 Mpa) entwickeln. Diese besonderen Legierungen, die als 18Ni200, 18Ni250 und 18Ni300 Qualität Maraging-Stähle bezeichnet werden, haben typische Zusammensetzungen in den Bereichen 1 bis 19% Ni, 7 bis 9,5% Co, 3,0 bis 5,2% Mo, 0,1 bis 0,8% Ti, 0,05 bis 0,15% Al, bis zu 0,03% C, Rest Eisen und zufällige Mengen anderer Elemente. Typischerweise werden die 18% -Nickel-Maraging-Stähle durch Anlassen bei einer Temperatur von 1500ºF (845ºC) und darüber für eine ausreichende Zeit, beispielsweise eine Stunde pro inch Dicke, zur Auflösung von Ausscheidungen, Beseitigung innerer Spannungen und Gewährleistung einer vollständigen Umwandlung in Austenit wärmebehandelt. Folgend auf eine Abkühlung an Luft werden die 18% Ni-Stähle herkömmlicherweise bei 750 bis 1100ºF (400 bis 590ºC), wünschenswerterweise 900 bis 950ºF (480 bis 510ºC), für 3 bis 10 Stunden, abhängig von der Dicke, üblicherweise 3 bis 6 Stunden, gealtert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zufriedenstellende Festigkeitseigenschaften und überlegene magnetische Eigenschaften in Legierungen erzielt werden können, die nur 10 Minuten lang gealtert wurden.
Andere bekannte Nickel-Maraging-Stähle sind kobaltfreie 18% Ni-Maraging-Stähle sowie Kobalt enthaltende 25% Ni-, 20% Ni- und 12% Ni-Maraging-Stähle. Die 18% Ni, Kobalt enthaltenden Maraging-Stähle sind von zahlreichen Quellen kommerziell verfügbar. So sind solche Stähle unter den Warenzeichen VascoMax C-200, VascoMax C-250, VascoMax C-300 und VascoMax C-350 bei Teledyne Vasco, Latrobe, Pennsylvania erhältlich; unter den Warenzeichen Marvac 250 und Marvac 300 bei Latrobe Steel Company, Latrobe, Pennsylvania; unter dem Warenzeichen Unimar 300K bei Universal-Zyclops Speciality Steel Division, Zyclops Corporation, Pittsburgh, Pennsylvania; und unter dem Warenzeichen Almar 18-300 bei Superior Tube, Norristown, Pennsylvania. Die 18% Ni kobaltfreien Maraging-Stähle sind kommerziell verfügbar unter den Warenzeichen VascoMax T-200, VascoMax T-250 und VascoMax T-300 bei Teledyne Vasco, Latrobe, Pennsylvania. Andere Stähle mit hohem Nickelanteil, die eine Eisen-Nickel-Martensitphase bilden, zeigen mechanische und magnetische Eigenschaften, die ähnlich denjenigen der üblicheren Maraging-Stähle sind und ebenfalls im wesentlichen stabil gegenüber Temperaturschwankungen sind. Am meisten zu erwähnen von diesen ist eine nominell 9% Ni-4% Co Legierung, die bei Teledyne Vasco verfügbar ist und eine typische Zusammensetzung, in Gew.-%, von 9,84 Ni, 3,62 Co, 0,15 C, Rest Eisen hat. Zusätzlich werden Maraging-Stähle verschiedener anderer Hochnickel-Kobaltzusammensetzungen, beispielsweise 15% Ni-15% Co, kontinuierlich in Anstrengungen untersucht, die eine oder andere oder irgendeine Kombination von Eigenschaften zu optimieren. Daher bezieht sich, wie hier verwendet, der Ausdruck "Ni-Maraging-Stahl" auf Legierungen aus Eisen und Nickel, welche zwischen 9 und 25% Nickel enthalten und ihre Festigkeitseigenschaften, wie oben beschrieben, von einer Eisen-Nickel-Martensitbildung herleiten.
Neben ihren herausragenden physikalischen und Festigkeitseigenschaften haben die Nickel-Maraging-Stähle ausgezeichnete magnetische Eigenschaften, die sie zur Verwendung als magnetisches Material in berührungsfreien Drehmoment- Meßwandlern herausragend geeignet sein lassen. Sie haben also eine hohe und im wesentlichen isotrope Magnetostriktion im Bereich von 25 ppm ± 15 ppm und zeigen keine Villari-Umkehr; hohen spezifischen elektrischen Widerstand; niedrige Eigenmagnetanisotropien, die auf Kristallstruktur zurückgehen; hohe magnetische Permeabilität; niedrige Koerzitivkraft, im Bereich von 5 bis 25 Oersted (4-20 A/cm); und Stabilität magnetischer Eigenschaften mit Legierungschemie. Am wichtigsten ist jedoch, daß ihre magnetischen Eigenschaften nur mäßig, jedoch günstig, durch Festigungsbehandlungen beeinflußt werden - in der Tat verbessern sich ihre magnetischen Eigenschaften mit Kaltbearbeitung und Alterungswärmebehandlung. Diese Eigenschaften unterscheidet die Nickel- Maraging-Stähle von allen anderen hochfesten Legierungen. Bislang war es eine Binsenweisheit, daß die zur Verbesserung der mechanischen und Festigkeitseigenschaften von Stählen benötigten Wärmebehandlungen deren magnetischen Eigenschaften abträglich waren. So zeigen beispielsweise abschreckungsgehärtete Stahllegierungen typischerweise sehr niedrige magnetische Permeabilitäten und hohe Koerzitivkräfte, eine Kombination von unglücklichen magnetischen Eigenschaften, welche die Empfindlichkeit solcher Legierungen auf kleine Magnetfelder wesentlich herabsetzen und ihre Nützlichkeit in Drehmoment-Meßwandlern, wie sie hier ins Auge gefaßt werden, herabsetzen oder verneinen. Dies ist demonstrierbar nicht der Fall bei den Nickel-Maraging-Stählen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bestimmt worden, daß Nickel-Maraging-Stähle im Gefolge einer Kaltbearbeitung und ihrer Alterungswärmebehandlungen, denen sie üblicherweise unterworfen werden, damit sie ihre außergewöhnlichen Hochfestigkeitseigenschaften entwickeln, magnetisch weicher werden. Beispielsweise nimmt die Koerzitivkraft eines 18% Ni-Maraging-Stahls in der Tat ab, wenn er bei 900ºF für bis zu 10 Stunden gealtert wird. Infolgedessen können die Maraging-Stähle mit Vorteil in ihrem gealterten Zustand, d. h. in einem Zustand, in dem sie maximale Festigkeitseigenschaften und im wesentlichen die gleichen oder verbesserte magnetische Eigenschaften zeigen, verwendet werden.
Die Verwendung von Maraging-Stählen als magnetisches Material in magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern, insbesondere als das Wellenmaterial in einer Vorrichtung, deren Drehmoment abzufühlen ist, umgeht praktisch alle Einwände, die bislang gegen die Verwendung der Vorrichtungswelle als magnetisches Teil vorgebracht wurden. Die mechanischen und Festigkeitseigenschaften von Maraging-Stählen erfüllen die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften für die allermeisten Wellenanwendungen, während sie gleichzeitig hervorragende magnetische Eigenschaften für ihre Rolle im Drehmomentsensor liefern. Das Altern der Maraging-Stähle liefert die hohe Festigkeit und hohe Härte, die für die mechanische Anwendung benötigt werden, ohne Verlust an magnetischer Permeabilität oder Zunahme der Koerzitivkraft. Ferner löst die herkömmliche Art der Wärmebehandlung von Maraging-Stählen, einschließlich des anfänglichen Lösungsglühens bei Temperaturen oberhalb 1500ºF auf mechanische Bearbeitung zurückgehende innere Spannungen und die meisten Spannungen, die auf Inhomogenitäten und Kristallorientierung zurückgehen, womit der Betrag statistischer magnetischer Anisotropie in einer Maraging-Stahlwelle minimiert wird. Wenn eine solche Wärmebehandlung mit der Schaffung, gemäß der Erfindung, eines Paares von benachbarten Bändern, die mit absichtlich eingebrachter magnetischer Spannungsanisotropie verhältnismäßig hoher Größe, beispielsweise durch Verspannen der Welle über ihre Elastizitätsgrenzen hinaus unter Anlegung von Spannungen einer Größe, die größer als die größten angenommenen Drehmomentspannungen bei normaler Benützung der Welle sind, ausgestattet sind, kombiniert wird, ist der Beitrag einer regellosen Anisotropie zur gesamten magnetischen Anisotropie in der Welle in der Tat vernachlässigbar.
Es wird richtig verstanden werden, daß der Vorteil der Nickel-Maraging-Stähle in magnetoelastischen Drehmoment- Meßwandlern verwirklicht werden kann, indem die Welle aus dem gewünschten Nickel-Maraging-Stahl ausgebildet wird, indem ein Bereich der Welle aus dem gewünschten Nickel-Maraging-Stahl ausgebildet wird und die ringförmigen Bänder innerhalb dieses Bereichs angeordnet werden, oder indem eine Welle, die aus einer Legierung mit für die beabsichtigte Funktion der Welle geeigneten Eigenschaften ausgebildet ist, oberflächlich bearbeitet wird, d. h. indem über wenigstens einen vollständigen Umfangsbereich geeigneter axialer Ausdehnung der Welle eine Überzugslegierung aus dem gewünschten Nickel-Maraging-Stahl aufgebracht und die ringförmigen Bänder innerhalb dieses Bereiches angeordnet werden. Insofern als das Abfühlen magnetischer Permeabilität gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Oberflächenphänomen ist, muß der Oberflächenbildungsprozeß eine Umfangsschicht einer Dicke aufbringen, die ungefähr 0,015 inch (0,38 mm) nicht überschreitet. Der ausgewählte Oberflächenbildungsprozeß kann vorteilhafterweise aus den vielen bekannten Anlagerungsprozessen, beispielsweise Elektroplattierung, Metallsprühen, Sputtern, Vakuumabscheidung, Ionenimplantation und dergleichen ausgewählt werden.
Um die herausragenden Qualitäten der Maraging-Stähle als magnetisches Material in Drehmoment-Meßwandlern gemäß der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren und um die Leistung der Maraging-Stähle mit anderen hochfesten Stählen zu vergleichen, wurde ein Drehmoment-Meßwandler unter Verwendung einer zylindrischen Welle mit 12,7 mm Durchmesser gebaut, auf der ein Paar von axial im Abstand liegenden Bändern ausgebildet war, die mit wendelförmig symmetrischen magnetischen leichten LH- und RH-Achsen ausgestatten waren. Die Bänder hatten jeweils eine axiale Länge von 12,7 mm und waren durch einen 12,7 mm Wellenabschnitt getrennt. Sie wurden durch Rändelung und durch Verwendung eines Rändelungswerkzeugs mit einem Außendurchmesser von 3/4-inch (1,9 cm) und 48 Zähnen längs des Umfanges, wobei jeder Zahn unter 30º zur Wellenachse orientiert war, ausgebildet. Die Eigenschaften dieser Anordnung wurden abgefühlt, indem Spulenkörper konzentrisch zur Welle und axial ausgerichtet auf die Bänder angeordnet wurden, wobei auf jedem Spulenkörper eine Magnetisierungs- und Abfühlspule angebracht war. Die Magnetisierungsspulen waren in Reihe geschaltet und wurden von einer Wechselspannungsquelle mit einer 10 kHz-Ausgangsfrequenz und einem 20 mA Spitzenansteuerstrom angesteuert. Die in jeder Abfühlspule induzierte EMK wurde getrennt gleichgerichtet, wobei die gleichgerichteten Ausgänge entgegengesetzt zusammengeschaltet waren, um ein Differenzsignal zu erzeugen, welches auf einem Spannungsanzeigeinstrument angezeigt wurde. Es wurden vier Wellen verwendet, die in jeder Hinsicht identisch waren mit Ausnahme, daß sie jeweils aus anderen Materialien hergestellt waren. Die Zusammensetzung der einzelnen Wellen ist im folgenden in Gewichtsprozent angegeben:
T-250 : 18,5 Ni; 3,0 Mo; 1,4 Ti; 0,10 Al; weniger als 0,03 C; kein Kobalt; Rest Fe
SAE 9310 : 0,08-0,13 C; 0,45-0,65 Mn; 3-3,5 Ni; 1-1,4 Cr; 0,08-0,15 Mo; Rest Fe
416 SS: 11,5-13,5 Cr; 0,5 max Ni; 0,15 max C; 1,0 max Mn; 1,0 max Si; Rest Fe
AISI 1018 : 0,15-0,20 C; 0,6-0,9 Mn; 0,04 max P; 0,05 max S; Rest Fe
In einer ersten Folge von Läufen wurde die Welle aus T-250 Nickel-Maraging-Stahl im lösungsgeglühten gealterten Zustand, wie von Teledyne Vasco erhalten, verwendet. Ebenso wurden auch die anderen Wellen ohne weitere Wärmebehandlung in den Zuständen verwendet, in denen sie gekauft wurden. Eine bekannte Drehmomentbelastung wurde auf jede im Test befindliche Welle aufgebracht und das Ausgangsspannungssignal aufgezeichnet. Das aufgebrachte Drehmoment wurde von null bis hinauf zu 100 Newtonmeter (Nm) gesteigert. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des aufgebrachten Drehmoments über der ausgegebenen Gleichspannung für jede Welle. Es ist offensichtlich, daß die Empfindlichkeit der T-250 Welle im Sinne von Größe des Ausgangssignals für eine gegebene Drehmomentbelastung deutlich größer als bei den anderen untersuchten Wellenmaterialien war. Außerdem war die Linearität des Ausgangssignals für die T-250 Welle über den gesamten Drehmomentbereich hinweg extrem gut. Die anderen Wellenmaterialien erschienen auf aufgebrachtes Drehmoment etwa gleich unempfindlich, verglichen mit der T-250 Welle. Keine erzeugte ein so lineares Signal wie die T-250 Welle, obwohl jede ein vernünftig lineares Signal über den größten Teil des Drehmomentbereichs erzeugte.
Für die zweite Folge von Läufen wurde die Welle aus T-250 Nickel-Maraging-Stahl bei ungefähr 900ºF 30 Minuten lang gealtert, um die Festigkeit und Härte der Welle zu verbessern. Für eine Konsistenz der Untersuchung wurden die anderen Wellen in der gleichen Weise wärmebehandelt, wonach jede Welle einem aufgebrachten Drehmoment zwischen null und 100 Nm unterworfen und die Ausgangsgleichspannung aufgezeichnet wurde. Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des aufgebrachten Drehmoments über der Ausgangsgleichspannung für jede Welle nach Wärmebehandlung. Man kann sehen, daß wiederum die Empfindlichkeit der T-250 Welle die Empfindlichkeit der anderen Wellen weit überstieg und wiederum war das T-250 Ausgangssignal linear über den gesamten Drehmomentbereich hinweg. Durch Vergleich mit Fig. 5 für die T-250 Welle in ungealtertem Zustand ist offensichtlich, daß das Altern die Empfindlichkeit der Welle meßbar verbesserte, was eine Steigerung der magnetischen Eigenschaften des Maraging-Stahls mit Alterung anzeigt. Im Gegensatz dazu schien sich die Empfindlichkeit der SAE 9310 Welle mit dieser Wärmebehandlung nicht zu verbessern. Ferner verschlechterte sich die Linearität des Ausgangssignals deutlich, insbesondere bei höheren aufgebrachten Drehmomenten. Die Empfindlichkeit der AISI 1018 Welle verbesserte sich bei niedrigen Drehmomenten deutlich, aber die Verbesserung begann bei ungefähr 40 Nm nachzulassen und verschlechterte sich danach. Die Linearität des Ausgangssignals war für die gealterte AISI 1018 Welle sehr schlecht. Für die 416 SS Welle verbesserte sich die Empfindlichkeit bei niedrigen aufgebrachten Drehmomenten mit Wärmebehandlung, verschlechterte sich aber deutlich bei höheren aufgebrachten Drehmomenten. Die Linearität des 416 SS Ausgangssignals wurde mit Wärmebehandlung schlechter. Es ist erwähnenswert, daß unbeschadet der gemischten Antwort des Ausgangssignals auf aufgebrachtes Drehmoment die Wärmebehandlung die mechanischen und Festigkeitseigenschaften der SAE 9310, 416 SS und AISI 1018 Wellen beeinträchtigte. Beispielsweise überschritt nach einer Wärmebehandlung ein angelegtes Drehmoment von nur ungefähr 50 Nm die Elastizitätsgrenze der AISI 1018 Welle, und die Welle verwand sich auf Dauer.
Ferner sind die in Fig. 6 berichteten Ergebnisse, obwohl signifikant zur Durchführung eines Vergleichs mit der T-250 Legierung, etwas täuschend im Sinne einer Auswertung der tatsächlichen Brauchbarkeit dieser anderen Legierungen in Wellen magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler. Dies liegt daran, daß die Wärmebehandlung, der diese Legierungen unterworfen wurden, ein Altern bei 350ºF für 30 Minuten war, die gleiche Wärmebehandlung, die auch für die T-250 Legierung verwendet wurde. Eine solche Wärmebehandlung ist jedoch keine wirksame Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen und Festigkeitseigenschaften dieser Stahllegierungen. Typischerweise erfordert ein Abschreckungshärten der 416 SS ein Erwärmen auf über 950ºC, und das Einsatzhärten von SAE 9310 erfordert ein Erwärmen auf über 900ºC. Bei diesen hohen Temperaturen wird ein hoher Anteil der Restspannung, der innerhalb der Bänder durch den Rändelungsprozeß erzeugt worden ist, und der sich daraus ergebenden restspannungserzeugten magnetischen Anisotropie beseitigt, was eine mechanisch harte, aber magnetisch schlechte Legierung zurückläßt, die im wesentlichen als magnetostriktives, ferromagnetisches Wellenelement im magnetischen Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung nutzlos ist. Außerdem wurde festgestellt, daß gewisse thermische Härtungsbehandlungen, wie das Einsatzhärten, von SAE 9310, die Tendenz haben, die Welle zu verwerfen, was die Welle ohne weitere Bearbeitung für ihren beabsichtigten Einsatz sowie auch für irgendeinen Meßwandlerzweck nutzlos macht. Leider ändert die notwendige weitere Bearbeitung, um die geworfene Welle zu begradigen, wie etwa ein spanendes Bearbeiten, die absichtlich eingebrachten magnetischen Anisotropien in den Bändern, womit die sorgfältige magnetische Vorkonditionierung der Welle wirkungsvoll aufgehoben wird. Wie aus der folgenden Diskussion noch deutlicher wird, ist die bessere Prozedur zur Herstellung eines magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierung, wie etwa SAE 9310, zunächst die Legierung thermisch zu härten, etwa durch Einsatzhärtung, und dann die sich ergebende Welle nach Bedarf zu ihrer Richtung spanend zu bearbeiten.
Danach kann ein Schleifen oder eine andere Verarbeitung der gehärteten Legierung erfolgen, um Bänder vorzusehen, die mit einer restspannungserzeugten magnetischen Anisotropie ausgestattet sind. Ein Vorteil der Verwendung des Schleifens besteht darin, daß es alle Oberflächenanisotropien beseitigt, die durch den Richtvorgang eingebracht wurden, und daß es die gewünschte restspannungserzeugten Anisotropien an ihre Stelle setzt, alles ohne makroskopische tophographische Änderung der Wellenoberfläche.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen graphisch die Signalantwort auf aufgebrachtes Drehmoment unter Verwendung einer verhältnismäßig niedrigen, 10 kHz, Wechselspannungsanregungsfrequenz. Es hat sich gezeigt, daß das Ausgangssignal der Wechselspannungsfrequenz direkt proportional ist und mit ihr ungefähr linear zunimmt. Versuche zeigen, daß bei 20 kHz beispielsweise eine Verdopplung des Ausgangsgleichspannungssignals gewonnen wird. Abhängig von der verwendeten Schaltung können Wechselspannungsfrequenzen im Bereich von 1 bis 100 kHz mit Vorteil zur Ansteuerung von Drehmoment-Meßwandlern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Vorzugsweise werden Frequenzen von 10 bis 30 kHz, unmittelbar oberhalb des menschlichen Hörbereichs, verwendet, um ein Pfeifen zu vermeiden. Höchst wünschenswert wird die Frequenz auf ungefähr 20 kHz eingestellt. Wie seine Antwort auf Frequenz erscheint das Gleichspannungsausgangssignal auch direkt proportional zum Ansteuerstrom zu sein, genauer, sigmoidal mit dem Ansteuerstrom zu variieren, der, abhängig von der Frequenz mit Nutzen im Bereich von 10-400 mA (Scheitel) sein kann. Allgemein wird ein ausreichender Strom verwendet, um ein gutes Signal bei der gewählten Frequenz zu erhalten und, wünschenswerterweise, die Signalhysterese auf null über den gesamten Bereich des aufgebrachten Drehmoments hinweg einzustellen.
Es ist von Interesse zu bemerken, daß die Empfindlichkeit einer Nickel-Maraging-Stahlwelle deutlich besser ist als die Empfindlichkeiten, die in Arbeiten berichtet werden, welche nicht-magnetische Wellen verwenden und auf diesen amorphe Bänder aufkleben. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung ein Meßwandler mit einer Welle aus T-250 Nickel-Maraging-Stahl mit einem Wellendurchmesser von 12,7 mm ein Ausgangsgleichspannungssignal von 0,9 Volt bei einem angelegten Drehmoment von 60 Nm unter Verwendung einer Wechselspannungsfrequenz von 10 kHz und eines Erregerstroms von 200 mA und Verwendung von Erregerspulen mit jeweils 100 Wicklungen und Abfühlspulen mit jeweils 500 Wicklungen erzeugt, eine Empfindlichkeit von 0,015 V/Nm. Zum Vergleich, Sasada et al, im Vortrag "Noncontact Torque Sensor", gehalten auf der 11th Annual IEEE Industrial Electronics Society Conference (18. - 22. Nov. 1985) berichtet für einen Drehmomentsensor mit amorphem Band ein Ausgangsgleichspannungssignal von 35 mV bei einem aufgebrachten Drehmoment von 10 Nm unter Verwendung einer Wechselspannungsfrequenz von 20 kHz, eines Erregungsstroms von 120 mA, Erregerspulen mit jeweils 220 Wicklungen und Abfühlspulen mit jeweils 80 Wicklungen und einem Wellendurchmesser von 12 mm. Insofern als die Empfindlichkeit zu Wechselspannungsfrequenz, Erregerstrom und Anzahl von Wicklungen auf den Erreger- und Abfühlspulen direkt und der dritten Potenz des Wellendurchmessers umgekehrt proportional ist, beträgt die Sadada et al Empfindlichkeit, korrigiert auf eine zu der in Fig. 6 gezeigten äquivalente Basis, 0,007 V/Nm. Mit anderen Worten, der Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung ist mehr als doppelt so empfindlich wie der Drehmomentsensor mit amorphem Band von Sasada et al.
Obwohl es aus der vorstehenden Diskussion der absoluten und relativen Vorteile der Nickel-Maraging-Stähle erscheinen mag, daß konventionellere Stahllegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht brauchbar sind, ist dies offenkundig nicht der Fall. Es stimmt natürlich, daß alle außer die Nickel-Maraging-Stähle unter dem sehr deutlichen Mangel leiden, daß Wärmehärten, wie etwa durch Erwärmen auf hohe Temperatur und nachfolgendes Abschrecken, zur Erzielung einer Durchhärtung, oder ein Erwärmen auf hohe Temperatur in einer karbonisierenden Atmosphäre zur Erzielung einer Einsatzhärtung, die absichtlich erzeugten Restspannungen innerhalb der Bänder löst, mit dem Ergebnis, daß die großen restspannungserzeugten magnetischen Anisotropien innerhalb der Bänder, die für die magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung wesentlich sind, größtenteils beseitigt werden. Es ist jedoch aus den in Fig. 5 berichteten Daten klar, daß jede der untersuchten SAE 9310, 416 SS und AISI 1018 Legierungen eine Empfindlichkeit, im Sinne der Größe des Ausgangssignals für eine gegebene Drehmomentbelastung, im brauchbaren Bereich zeigte und jede ein vernünftig lineares Signal über den größten Teil des Drehmomentbereichs zeigte. Es sind also nicht ihre inhärenten magnetischen Eigenschaften, welche diese Legierungen für die Art von Meßwandlerverwendung disqualifizieren, die durch die in Fig. 5 berichteten Daten exemplifiziert werden, sondern vielmehr der Umstand, daß der thermische Härtungsprozeß, der erforderlich ist, um einer Legierung die mechanischen und Festigkeitseigenschaften zu verleihen, die sie für die Durchführung in der beabsichtigten Funktion benötigt, die günstigen magnetischen Eigenschaften dieser Legierungen zu zerstören scheint. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß bei den meisten Anwendungen für die Drehmoment-Meßwandler der vorliegenden Erfindung die Erfordernisse hinsichtlich der mechanischen und Festigkeitseigenschaften für die Drehwelle, die von den Arbeitscharakteristika des Geräts, in welchem sie installiert sind, diktiert werden, die Verwendung von Stahllegierungen in ihrem gehärteten Zustand erfordern.
Um diese unglückliche nachteilige Beziehung zwischen den mechanischen und magnetischen Eigenschaften von Stahllegierungen zu demonstrieren, wurden Wellen mit einem Durchmesser von 1/8 inch aus 410 SS und 502 SS mit den folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozent verwendet:
410 SS: 12;3 Cr; 0,2 Ni; 0,08 C; 0,9 Mn; 0,4 Si; 0,4 Mo; Rest Fe
502 SS: 5,0 Cr; 0,06 C; 0,8 Mn; 0,4 Si; 0,5 Mo; Rest Fe
Die Wellen wurden durch Anlassen und Torsionsüberdehnung durch Verwinden beider Enden einer in der Mitte festgehaltenen Welle bearbeitet, um ein Paar benachbarter Bänder zu schaffen, die zueinander symmetrische rechtshändig und linkshändig wendelförmig gerichtete restspannungserzeugte magnetische Anisotropien aufweisen. Danach wurden, während sie noch immer in ihren mechanisch weichen Zuständen waren, Drehmomentbelastungen auf jede bearbeitete Welle aufgebracht und die Ausgangsspannung aufgezeichnet. In jedem Fall zeigten die Wellen eine gute Reaktion auf die Drehmomentbelastungen, wobei die 410 SS Welle eine Ausgangsempfindlichkeit von 600 mV über einen Drehmomentbelastungsbereich von ungefähr 2 Nm und gute Linearität zeigte. Die 502 SS Welle war nicht ganz so gut und zeigte über den gleichen Drehmomentbelastungsbereich eine Ausgangsempfindlichkeit von nur 95 mV und eine weniger wünschenswerte Linearität. Nichtsdestoweniger bestätigte dieser grobe Test für die Wandlerfunktion die Ergebnisse der Fig. 5, daß wenigstens gewisse Stahllegierungen das Potential für eine solche Funktion besitzen. Nach dem Abschluß der Untersuchungen wurden die 410 SS und 502 SS Wellen einer Härtungswärmebehandlung bei ungefähr 950ºC, gefolgt von einem Abschrecken, unterworfen. Bei Wiederholung der Drehmomentbelastungstests auf den gehärteten Wellen sah man, daß die Ausgangsempfindlichkeit über den gleichen Drehmomentbelastungsbereich hinweg auf weniger als 5 mV abgefallen war, was, wie erwartet, bestätigte, daß die Härtungswärmebehandlung die wünschenswerten magnetischen Eigenschaften, die den Wellen durch die Verarbeitung vor den Tests absichtlich verliehen worden waren, zerstört hatte.
Tatsächlich wurde unbeschadet des vorstehenden Unvermögens von Stahllegierungen bestimmt, daß thermisch härtbare Stahllegierungen, wie sie vollständiger und deutlicher nachfolgend definiert werden, dazu gebracht werden können, sehr wirksam in den magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern gemäß der Erfindung zu funktionieren. Dies läßt sich mit solchen Legierungen erzielen, indem die Restspannung innerhalb der Bänder erst erzeugt wird, nachdem die Legierungen geeignet wärmebehandelt worden sind, um ihre Härte- und Festigkeitseigenschaften auf die Werte zu bringen, die durch die beabsichtigte Verwendung der Legierungen gefordert werden. Die nachfolgende oder Nachhärtungserzeugung von Restspannung, um die Bänder mit der gewünschten magnetischen Anisotropie auszustatten, ändert die mechanischen oder Festigkeitseigenschaften der Legierungen nicht nachteilig. Das Herstellen einer Stahllegierungswelle auf diese Weise erlegt der Art von Verfahren, das zur Erzeugung der Restspannungen verwendet werden kann, strenge Begrenzungen auf. Verschiedene Verfahren, wie das Rändeln, welche ein plastisches Fließen erfordert, und torsionales Überverwinden erfordern eine weiche Legierung und lassen sich nicht auf bereits gehärteten Legierungen praktizieren. Anstrengungen, gehärtete Stahllegierungen zu rändeln, hatten Mikrobrüche und Risse sowie andere unerwünschte topographische Verwüstungen der Legierungswelle zur Folge. Anstrengungen, kleindurchmesserige gehärtete Stahllegierungen zu verwinden, hatten ausnahmslos ein Abspringen der Wellen zur Folge. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist daher die Verwendung von wärmehärtbaren Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierungen, wie im folgenden definiert, in magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern gemäß der Erfindung auf die Erzeugung der notwendigen Restspannungen erst, nachdem die Legierung durch eine Wärmebehandlung mechanisch gefestigt worden ist, und dann nur durch ausgewählte restspannungserzeugende Verfahren, die in der Lage sind, die Bänder mit der gewünschten und entgegengesetzten gleichförmigen Verteilung der magnetischen Anisotropie auszustatten, beschränkt. Solche Verfahren enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, Schleifen, mechanisches Ritzen (mit geeigneten Werkzeugen), gerichtetes oder maskiertes Kugelstrahlen oder Sandstrahlen, chemische Mittel und Wärmebehandlungen, einschließlich Laserritzung, Induktion, Schweißbrenner, Thermodruckkopf und dergleichen. Infolgedessen spielen, wenngleich offenbar nicht so flexibel in ihrer Verwendung wie die Nickel-Maraging-Stähle, die entweder vor oder nach mechanischem Härten und Festigen restverspannt werden können und daher nicht durch die verwendete restspannungserzeugende Technik prozeßbeschränkt sind, die Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierungen, wie nachfolgend definiert, eine wichtige Rolle in den magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandlern gemäß der Erfindung als ferromagnetisches, magnetostriktives Wellenelement.
Die Auswahl eines restspannungserzeugenden Verfahrens zur Erzeugung von Restspannung innerhalb der Bänder einer bereits gehärteten Stahllegierung beruht auf vielen Überlegungen, von denen nicht die unbedeutendsten die Abmessungen der Welle, die Zusammensetzung der Welle, die Anzahl der zu bearbeitenden Wellen, Wirtschaftlichkeit, einschließlich Verfügbarkeit, der notwendigen Bearbeitungsvorrichtung und schließlich topographisches Aussehen der Welle sind. In vielen Fällen wird als Tatsache letztere Überlegung der bestimmende Faktor sein. Hersteller von Drehwellengeräten sind wahrscheinlich zögerlich, ihre Geräte in irgendeiner nennenswerten Weise zu ändern, um die Installation eines magnetischen Drehmoment-Meßwandlers möglich zu machen, unabhängig davon, ob eine solche Installation wünschenswert ist. Wahrscheinlicher, zumindest so lange, bis Drehwellengeräte von Anfang an auf das Enthalten eines solchen Drehmoment-Meßwandlers ausgelegt sind, ist, daß für jede Anwendung ein eigener geeigneter Meßwandler gemacht werden muß. Überlegungen, wie die Umgebung, in welcher die Welle rotiert, die bauliche Einheitlichkeit der Welle, die Nähe anderer Komponenten zur Drehwelle und dergleichen, legen nahe, daß Gerätehersteller es vorziehen werden, daß das Verfahren, das zur Ausbildung der Bänder auf oder in Zuordnung zu ihren Drehwellen verwendet wird, so ausgewählt wird, daß die makroskopische topographische Änderung der Wellenoberfläche minimiert ist.
Neben der Widerwilligkeit der Hersteller gibt es in der Tat funktionelle Gründe, die makroskopische topographische Änderung der Wellenoberfläche zu minimieren. Gemäß der Erfindung wird Restspannung innerhalb der Bänder erzeugt, um die Bänder mit absichtlich eingebrachter, kontrollierter magnetischer Spannungsanisotropie verhältnismäßig hoher Größe auszustatten. Ein Hauptgrund ist, unkontrollierte und statistische magnetische Anisotropien, die in der Welle vorhanden sind, zu überdecken, und/oder unbedeutend zu machen, damit die Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung in einer vorhersagbaren Weise auf durch aufgebrachte Drehmomente verursachte Permeabilitätsänderungen reagieren. Es ist daher wünschenswert, diese Permeabilitätsänderungen beeinflussende Faktoren, abgesehen von dem gesteuerten Faktor restspannungserzeugter magnetischer Anisotropien, die absichtlich gemäß der Erfindung eingebracht worden sind, zu minimieren. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß eine makroskopische topographische Differentialänderung der Wellenoberfläche, wie Rändelungen, Schlitze, Grate usw. die vom magnetischen Diskriminator festgestellte Permeabilitätsänderung zusätzlich zum gewünschten magnetoelastischen Effekt beeinflußt. Der nicht-magnetoelastische Effekt auf die Permeabilitätsabfühlung von topographischer Differentialänderung ist dreifach. Da ist einmal ein materialherbeigeführter, nicht gleichförmiger, topographischer Effekt als dessen Folge die Form- und Materialsymmetrie in jedem Band anders geändert oder verzerrt wird, wenn die Welle einem Drehmoment unterworfen wird. Wegen der Auflösung einer aufgebrachten Torsionsspannung in orthogonale Zug- und Druckspannungen werden die Rändelungen, Schlitze usw. in einem Band länger und enger zusammenliegend werden, während die Rändelungen, Schlitze usw. im anderen Band kürzer und weiter auseinanderliegend werden. Erreger- und Abfühlspulen, die die jeweiligen Bänder umgeben, sehen effektiv verschiedene Mengen und/oder Teilungen von magnetischem Material in den einzelnen Bändern und fühlen daher in jedem eine andere Permeabilität ab. Auf diese Weise ergibt sich ein Permeabilitätsabfühleffekt, der auf die topographische Änderung zurückgeht und unabhängig von der restspannungserzeugten magnetischen Anisotropie in den Bändern ist. Außerdem gibt es selbst in einer vollständig geglühten Welle einen topographischen Effekt auf die vom Aufbringen von Drehmoment auf die Welle herrührenden Spannungsverteilungen. Dieser topographische Effekt bewirkt, daß sich die Torsionsspannungen in den Bändern anders verteilen, als sie es sonst in einem topographisch ungeänderten Band täten, mit dem Ergebnis, daß wenigstens ein Teil der Permeabilitätsänderungen, der von den über den Bändern liegenden Spulen abgefühlt wird, auf diese topographisch beeinflußte Spannungsverteilung und nicht ausschließlich auf den gewünschten magnetoelastischen Effekt zurückgeht. Schließlich ist da der Effekt auf die Permeabilitätsabfühlung, der durch die Form der topographischen Änderung bewirkt wird. Beispielsweise angenommen, die Bänder bestanden aus in der Wellenoberfläche ausgebildeten +45º bzw. -45º Schlitzen, trachtet, wenn Torsionsspannung auf die Welle aufgebracht und ein zyklisch mit der Zeit variierendes Magnetfeld an die Bänder angelegt wird, abhängig davon, ob die Torsionsspannung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn angelegt wird, eine der Zug/Druckspannungen die Magnetisierung entlang der Länge des einen Satzes von Schlitzen auszurichten, während die andere trachtet, die Magnetisierung orthogonal dazu, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Länge des anderen Satzes von Schlitzen auszurichten. Abgesehen von magnetoelastischen Überlegungen ist es physikalisch und aufbaumäßig für die angelegte Magnetisierung einfacher, sich längs ersterer als längs letzterer zu bewegen. Infolgedessen ist die Permeabilität, die mit der Spule abgefühlt wird, die über dem Band liegt, in welchem die Magnetisierung sich entlang der Länge der Schlitze auszurichten trachtet, höher als die Permeabilität, die mit der Spule abgefühlt wird, die über dem Band liegt, in welchem sich die Magnetisierung quer zur Länge der Schlitze aus zurichten trachtet. Diese Permeabilitätszunahme geht teilweise auf die topographische Änderung der Bandoberfläche zurück. Die Magnetisierung ist gezwungen, einem physikalisch schwierigeren Weg zu folgen, indem sie sich quer anstatt entlang der Schlitze bewegt.
Kumulativ erklären diese drei Gründe, warum alle topographisch geänderten Wellen bis zu einem gewissen Grad als Drehmoment-Meßwandler arbeiten. Es ist auch der Grund, warum eine Wärmebehandlung niemals die gesamte Permeabilitätsänderung in einer topographisch geänderten Welle beseitigen kann. Ebenso besteht die Wirkung topographischer Änderung der Wellenoberfläche in der Einführung fremder, unerwünschter und unkontrollierter Signale in die Permeabilitätsabfühlfunktion was, zumindest in diesem Ausmaß, von der Ideallösung wegführt, bei der streng magnetoelastische Überlegungen das angelegte Drehmoment zu dem abgefühlten Ausgangssignal in Beziehung setzen. Daher sollte im möglichen Ausmaß eine makroskopische topographische Änderung der Wellenoberfläche vermieden werden. Dieses Ziel ist vollständig konsistent mit der Aufbringung von Restspannung, nachdem die Wellenlegierung durch Wärmebehandlung geeignet gehärtet und gefestigt worden ist, und deshalb ist es vollständig konsistent mit der Verwendung von ausgewählten Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierungen, wie nachfolgend definiert, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung.
Die verschiedenen oben beschriebenen spannungserzeugenden Techniken minimieren in größerem oder geringerem Ausmaß eine makroskopische topographische Oberflächenänderung. Eine ohne weiteres demonstrierbare Technik ist das Schleifen, bei welchem ein herkömmliches Schleifrad, das zur Achse des Werkstückes unter ± 20º-60º geneigt ist, bei der Herstellung der jeweiligen Bänder zur Entfernung einer gleichkleinen Tiefe von Wellenoberfläche, beispielsweise von nur 0,001 inch, abhängig von der Geometrie der Bänder längs der axialen Länge eines jeden Bandes verwendet wird. Insofern als das Schleifen lediglich eine gleiche Menge von Legierungsoberflächenmaterial von den betreffenden Bändern entfernt, ergibt sich keine differentielle makroskopische topographische Änderung - die Änderungen sind in den einzelnen Bändern identisch, und es liegen keine nicht-gleichförmigen topographischen Merkmale in den einzelnen Bändern vor. Für alle praktischen Zwecke sind die beiden Bänder topographisch identisch. Ein Querschnitt senkrecht zur Wellenachse in irgendeinem Band ist ein Kreis mit lediglich mikroskopischen Abweichungen von einem vollkommendem Kreis. Dennoch hat die Schleiftechnik zwei benachbarte Bänder mit entgegengesetzter und entsprechender magnetischer Anisotropie geschaffen, die praktisch vollständig auf Restspannung zurückgeht, die durch den Schleifvorgang erzeugt wird. Wenn eine Torsionsspannung an die Welle angelegt wird, gibt es keinen materialherbeigeführten, nicht-gleichförmigen topographischen Effekt, wie etwa das Längen oder Kürzen von Graten oder Tälern; es gibt keine topographisch herbeigeführte Differentialtorsionsspannungsverteilung, weil die Topographie der Bänder identisch ist; es gibt keinen Formeffekt, der auf irgendein topographisches Differential zwischen den Bändern zurückgeht. Dies unterscheidet sich wesentlich von der Situation, die vorliegt, wenn gerändelte Bereiche die Bänder ausbilden. Jeder gerändelte Bereich enthält andere Anordnungen von Tälern und Graten, d. h. verzerrbare Formen und Merkmale, die Differentialspannung und -magnetisierung beeinflussende Topographien und formeffektverleihende Merkmale, die getrennt und kumulativ die abgefühlte Permeabilität ändern, unabhängig von der restspannungserzeugten Anisotropie, die absichtlich in die Bänder eingebracht ist. Das Aufbringen einer Torsionsspannung auf eine Welle, welche im Abstand liegende gerändelte Bänder enthält, erzeugt also stets ein Ausgangssignal, das Signal ist aber nicht ausschließlich eine Funktion einer restspannungserzeugten Anisotripie - vielmehr wird es beeinflußt werden von der makroskopischen topographischen Änderung der Wellenoberfläche, wie sie durch die Rändelung dargestellt wird. Infolgedessen werden alle Rändelungen enthaltenden Wellen als Drehmoment-Meßwandler zu funktionieren scheinen, obgleich es gut möglich sein kann, daß ihre Ausgangssignale überhaupt nicht durch restspannungserzeugte magnetische Anisotropien beeinflußt sind und nur eine entfernte Verwandtschaft zum aufgebrachten Drehmoment zeigen.
Um zu demonstrieren, wie magnetoelastische Drehmoment- Meßwandler gemäß der Erfindung unter Verwendung von Nicht- Ni-Maraging-Stahllegierungen durch Aufbringen von Restspannung zur Erzeugung magnetischer Anisotropie in den Bändern nach einer Härtung durch Wärmebehandlung hergestellt werden können, wurden mehrere verschiedene Dremoment-Meßwandler unter Verwendung zylindrischer Wellen mit einem Durchmesser von 1/4 inch (6 mm) und 1/2 inch (13 mm) und einem darauf durch Schleifen ausgebildeten Paar von axial im Abstand liegenden Bändern, die mit wendelförmig symmetrischen linkshändigen und rechtshändigen magnetischen leichten Achsen ausgestattet waren, montiert. Die Kennwerte dieser Anordnung wurden auf den 1/2 inch (13 mm) Wellen durch Anordnen von Spulenkörpern konzentrisch zur Welle und axial ausgerichtet auf die Bänder abgefühlt, wobei auf jeder Spule eine Magnetisierungs- und Abfühlwicklung angebracht war. Die Magnetisierungswicklungen waren in Reihe geschaltet und wurden mit einer Wechselspannungsquelle betrieben. Die in jeder der Abfühlspulen induzierte EMK wurde getrennt gleichgerichtet, wobei die gleichgerichteten Ausgangssignale entgegengesetzt zusammengeschaltet wurden, um ein Differenzsignal zu erzeugen, welches auf einem Spannungsanzeigeinstrument angezeigt wurde. Die Kennwerte der Anordnung wurden auf den 1/4 inch (6 mm) Wellen unter Verwendung einer herkömmlichen Multivibratorschaltung abgefühlt, bei welcher zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden Paralleltransistoren das Eingangssignal von der Hochfrequenzquelle leitet, womit eine Rechteckspannung ein zyklisch mit der Zeit variierendes Magnetfeld zur Aufgabe auf die auf der Welle befindlichen Bänder erzeugen kann, mit dem Ergebnis, daß die Induktivität einer Spule, die dem einen der Bänder zugeordnet ist, zunimmt, während die Induktivität einer Spule, die dem anderen der Bänder zugeordnet ist, abnimmt. Diese Induktivitätsdifferenz erzeugt Differenzspannungssignale, die in einen Komparator zur Erzeugung eines Differenzsignals gehen, welches auf einem Spannungsanzeigeinstrument angezeigt wurde.
Drei Wellen aus unterschiedlichen Materialien wurden zu Vergleichszwecken verwendet. Die Materialien waren T-250 ein Nickel-Maraging-Stahl, der durch Martensitisierung und Alterung gehärtet war; AISI 416, ein durchgehärteter Stahl; und SAE 9310, ein einsatzgehärteter Stahl. Die Zusammensetzungen der einzelnen Legierungen wurden in Prozent weiter oben angegeben.
In einer ersten Folge von Läufen wurde jede der Legierungen im ungehärteten Zustand zur Ausbildung der gewünschten Bänder restspannungserzeugter magnetischer Anisotropie geschliffen. Eine bekannte Drehmomentbelastung wurde auf die einzelnen in Untersuchung befindlichen Wellen aufgebracht und das Ausgangsspannungssignal aufgezeichnet. Das aufgebrachte Drehmoment wurde von 0 bis auf 30 Nm bei einigen Wellen gesteigert. Fig. 10, Kurve "1" (SAE 9310), Fig. 11, Kurve "3" (AISI 416) und Fig. 12, Kurve "5" (T-250) sind graphische Darstellungen von angelegter Ausgangsgleichspannung über Drehmoment für jede Welle, geschliffen im ungehärteten Zustand und geprüft. Es ist offensichtlich, daß die der Welle durch Schleifen verliehene Empfindlichkeit in allen Fällen ausgezeichnet und die Linearität des Ausgangssignals für alle über den untersuchten Drehmomentbereich gut war, wobei beide Beobachtungen bestätigen, daß Schleifen eine wirksame Technik ist, restspannungserzeugte magnetische Anisotropie den Bändern zu verleihen, die auf Wellen aus
Nickel-Maraging-Stahl sowie Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierungen ausgebildet waren. Nach der Untersuchung wurden die Nickel-Maraging-Stahlwellen bei 480ºC für schrittweise zunehmende Zeitdauern von 20 Minuten bis 24 Stunden gealtert. Für jedes Inkrement schien sich die Leistung der Welle als Drehmomentsensor zu verbessern. Dieses Ergebnis ist mit den aus Fig. 5 und 6 beobachteten Resultaten konsistent. Die AISI 416 und SAE 9310 Wellen wurden thermisch bei erhöhten Temperaturen von ungefähr 950ºC bzw. 900ºF wärmebehandelt. Als die vorgenannten Drehmomentbelastungsprüfungen wiederholt wurden, zeigten die Wellen praktisch keine Ausgangsempfindlichkeit auf aufgebrachtes Drehmoment. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit den früher beobachteten Ergebnissen, bei denen torsional überdehnte Wellen beteiligt waren. Die hohen Temperaturen, die Wärmebehandlungstemperaturen für Wärmehärtung entsprachen, hatten die wünschenswerten magnetischen Eigenschaften, die den Wellen durch den Schleifprozeß absichtlich verliehen worden waren, zerstört. Insofern als praktisch keine Ausgangsempfindlichkeit übrig blieb ist es ferner klar, daß der Schleifprozeß eine insignifikante makroskopische topographische Änderung der Wellenoberflächen erzeugte.
In einer zweiten Folge von Läufen wurden alle Legierungen mit Wärmebehandlungen gehärtet, die für die Härtung der jeweiligen Legierung geeignet waren. Die Nickel-Maraging- Stahlwelle wurde bei 480ºC eine Stunde gealtert; der AISI 416 wurde bei 950ºC geglüht und abgeschreckt; und der SAE 9310 wurde bei ungefähr 900ºC in einer karbonisierenden Atmosphäre hochtemperaturbehandelt und abgeschreckt, um die Oberfläche in eine Tiefe von 0,04 inch einsatzzuhärten. Danach wurde jede der gehärteten Legierungswellen in der gleichen Weise wie bei der ersten Folge von Läufen geschliffen und getestet. Fig. 10, Kurve "2" (SAE 9310), Fig. 11, Kurve "4" (AISI 416) und Fig. 12, Kurve "6" (T-250) sind graphische Darstellungen von Ausgangsgleichspannung über aufgebrachtem Drehmoment für jede im gehärteten Zustand geschliffene Welle. Es ist interessant, daß die Ausgangsempfindlichkeit der gehärteten und dann geschliffenen Wellen konsistent niedriger als diejenige der ungehärteten geschliffenen Wellen war. Auch mit Nickel-Maraging-Stählen war die maximal erreichbare Empfindlichkeit immer noch nur ungefähr 2/3 derjenigen, die durch Schleifen einer ungehärteten Nickel-Maraging-Stahlwelle erreichbar war, obwohl zusätzliches Altern nach dem Schleifen der gehärteten und dann geschliffenen Wellen die Ausgangsempfindlichkeit der Welle verbesserte. Die gehärteten und dann geschliffenen Wellen zeigten jedoch konsistent eine bessere Linearität und Hysterese. Diese Ergebnisse bestätigten, daß brauchbare magnetoelastische Drehmoment-Meßwandler unter Verwendung geeigneter Stahllegierungen nach einer Technik hergestellt werden können, bei der die restspannungserzeugten Bänder magnetischer Anisotropie bei der Welle erst vorgesehen werden, nachdem die Wellenlegierung durch Wärmebehandlung geeignet gehärtet und gefestigt worden ist. Die beobachtete Abnahme der Ausgangsempfindlichkeit und Zunahme der Linearität und Hysterese ist konsistent mit der Einschätzung, daß in einer gehärteten Legierungswelle, welche eine viel höhere Elastizitätsgrenze als eine Weichlegierungswelle hat, die aufgebrachten Schleifspannungen in der Größenordnung höher sein müssen, damit die Elastizitätsgrenze zur Erzeugung von Restspannung innerhalb der Bänder überschritten wird. Die sich ergebenden Restspannungen sind daher viel höher, als wenn das Schleifen auf einer Weichlegierungswelle durchgeführt wird. Infolgedessen ist die gesamte Ruheanisotropie ("K") des Legierungswellensystems (einschließlich von Anisotropie, die sich aus Restspannungen, Form, Kristallinität usw. ergibt) vor dem Aufbringen von Torsionsspannung auf die Welle höher für eine gehärtete als für eine weiche Legierungswelle. Es wird richtig verstanden werden, daß der Permeabilitätseffekt einer aufgebrachten Spannung direkt proportional zur Magnetostriktion der Legierung und die aufgebrachte Spannung umgekehrt proportional zur Ruheanisotropie des Systems ist. Wenn daher Drehmoment auf ein System mit hohem "K" aufgebracht wird, ist der Effekt der aufgebrachten Spannung kleiner und die beobachtete Empfindlichkeit bzw. die Auswirkung auf die Permeabilität gleichermaßen kleiner. Aus im wesentlichen den gleichen Gründen bewirkt das höhere "K" eine niedrigere Hysterese und verbesserte Linearität.
Es wurde bereits bemerkt, daß wirksame magnetoelastische Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung unter Verwendung von Nickel-Maraging-Stählen als die ferromagnetische und magnetostriktive Wellenkomponente und Einbringen der gewünschten magnetischen Anisotropie in die Welle durch Erzeugung von Restspannung innerhalb der Bänder entweder vor oder nach Halterung der Nickel-Maraging-Stahllegierung zur Verbesserung ihrer mechanischen- und Festigkeitseigenschaften hergestellt werden kann. Es wurde auch bemerkt, daß wirksame magnetoelastische Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung unter Verwendung ausgewählter Nicht-Ni-Maraging- Stahllegierungen zur Erzeugung der Restspannung innerhalb der Bänder erst nach geeigneter Wärmebehandlung der Nicht- Ni-Maraging-Stahllegierungen zur Verbesserung ihrer mechanischen- und Festigkeitseigenschaften hergestellt werden können. Es ist aus vielen Gründen klar, daß nicht alle Nicht- Ni-Maraging-Stahllegierungen verwendet werden können. Typischerweise ist in geglühten Eisen-Kohlenstofflegierungen verschiedener Kohlenstoffanteile die Magnetostriktion, d. h., die funktionale Änderung der Länge in einem angelegten Magnetfeld anisotrop und in einigen Richtungen negativ. In vielen Fällen macht die Legierung eine Villari-Umkehrung durch - sie dehnt sich zunächst mit zunehmender Feldstärke aus, d. h., die partielle Längenänderung ist positiv, und zieht sich dann zusammen, d. h., die partielle Längenänderung ist mit zunehmender Feldstärke negativ. Wenn Drehmoment an eine Welle angelegt wird, die aus einer Legierung ausgebildet ist, welche eine solche Umkehr durchmacht, beeinflußt die spannungsaufgebrachte Anisotropie die vorliegende regellose Anisotropie anders in Wellenbereichen positiver Magnetostriktion als in Bereichen negativer Magnetostriktion. Dies führt zu einer variierenden kombinierten Anisotropie an unterschiedlichen Stellen der Welle infolge der anisotropen lokalen Magnetostriktion, mit dem Ergebnis, daß eine gleichförmige resultierende Magnetostriktion nicht erreichbar ist. Aus offensichtlichen Gründen ist dies ein unannehmbarer Zustand in einem Drehmoment-Meßwandler, und Legierungen, welche die Villari-Umkehr durchmachen, sind offensichtlich zur Verwendung unannehmbar. Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß ein Legieren mit bestimmten Elementen, beispielsweise Nickel, bewirkt, daß die Magnetostriktion der resultierenden Legierung positiver wird. Tatsächlich hat man festgestellt, daß nur 1 bis 3 Gew.-% Nickel erforderlich ist, um die Villari-Umkehrkontraktion von Eisenkohlenstofflegierungen zu beseitigen. Mit dem Reicherwerden der ursprünglichen Eisenkohlenstofflegierung an Nickel verhält sich die Legierung, als ob ihre Magnetostriktion bei allen Feldstärken positiv wäre, so daß die kombinierte Anisotropie an unterschiedlichen Stellen der Welle gleichförmiger wird und sich eine gleichförmige resultierende Magnetisierung erreichen läßt. Ein ähnlicher Trend in Richtung auf eine positivere Magnetostriktion des Eisenkohlenstofflegierungssystems wurde mit der Zugabe anderer Legierungselemente, beispielsweise von Chrom (Cr), Kobalt (Co), Titan (Ti), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Bor (B) und Kombinationen derselben beobachtet. Andere Mittel zum Umgang mit der Villari-Umkehr im Eisenkohlenstofflegierungssystem sind das Glühen bei hohen Temperaturen von ungefähr 750 bis 800ºC und nachfolgendes Abschrecken ohne weiteres Anlassen zur Temperung. Eine solche Behandlung scheint die Villari-Umkehr im wesentlichen zu beseitigen und ein gehärtetes Eisenkohlenstofflegierungssystem zu erzeugen, welches eine im wesentlichen isotrope Magnetostriktion aufweist. Härten durch Wärmebehandlung eliminiert zusätzlich Kaltbearbeitungsspannungen und die auf frühere Bearbeitungen zurückgehende vorhandene regellose Anisotropie und verbessert die Hysterese- und Linearitätsreaktionsaspekte der Wirkung von Torsionsspannung auf die Permeabilität.
Es wurde daher gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, daß Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierungen, die als der ferromagnetische, magnetostriktive Bereich der rotierenden Welle bzw. als der ferromagnetische, magnetostriktive Bereich, der der rotierenden Welle zugeordnet ist, brauchbar sind, eine im wesentlichen isotrope hohe Magnetostriktion mit einem Absolutwert von wenigstens 5 ppm haben sollten; durch Wärmebehandlung gehärtet sein sollten; einen Kohlenstoffanteil in Gewichtsprozent im Bereich von 0,05-0,75% haben sollten; eine Legierungszusammensetzung haben sollten, die auf die mechanischen, chemischen und magnetischen (resultierende Anisotropie und Magnetostriktion) Anforderungen der beabsichtigten Anwendung der Welle zugeschnitten ist.
Alles Vorstehende läßt sich erreichen, indem die Nicht- Ni-Maraging-Stahllegierung, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar ist, aus thermisch gehärteten Stahllegierungen ausgewählt wird, die gekennzeichnet sind durch eine isotrope Magnetostriktion mit einem Absolutwert von wenigstens 5 ppm und einer Zusammensetzung, welche die folgenden Elemente in den angegebenen Anteilen aufweist:
FeCaMbQc,
wobei "M" eines oder mehr Legierungselemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Cr, Co, Ti, Al, Mn, Mo, Cu und B ist,
"Q" ein oder mehr andere Legierungselemente, einschließend, aber nicht begrenzt auf, übliche Stahllegierungselemente, wie Silizium (Si), Phosphor (P), Schwefel (S), Stickstoff (N), Selen (Se), Wolfram (W), Vanadium (V), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Zinn (Sn) ist;
"a" einen Kohlenstoffanteil von 0,05 bis 0,75 Gew.-% angibt;
"b" einen Anteil an Legierungselement(en) "M", der wenigstens ausreicht, die Magnetostriktion der Legierung auf die wenigstens 5 ppm Absolutwert anzuheben, wobei der gewünschte Magnetostriktionswert von der Ruheanisotropie ("K") und der angelegten Spannung als Folge angelegten Drehmoments für jede gegebene Anwendung abhängt;
"c" einen Anteil an Legierungselement(en) "Q" von null bis zu einer brauchbaren Menge abhängig von den gewünschten mechanischen, chemischen und/oder anderen Eigenschaften der Legierung angibt.
Durch Anwenden vorstehender Definition einer geeigneten Nicht-Ni-Maraging-Stahllegierung auf mehrere der als Beispiel angegebenen, oben diskutierten Stahllegierungen und durch Anwenden veröffentlichter Magnetostriktionsdaten für verschiedene der Legierungselemente läßt sich die Magnetostriktion der Legierungen zumindest abschätzen. Beispielsweise: für AISI 410 ist das Vorhandensein von 12,3% Cr in erster Linie verantwortlich für das Anheben der Magnetostriktion der Legierung auf ungefähr 20 ppm; für AISI 502 sind das Vorhandensein von 5% Cr und 0,8% Mn in erster Linie verantwortlich für das Anheben der Magnetostriktion der Legierung auf ungefähr 7 ppm; für SAE 9310 sind das Vorhandensein von 3 bis 3,5% Ni und 1 bis 1,4% Cr in erster Linie verantwortlich für das Anheben der Magnetostriktion der Legierung auf ungefähr 15 ppm.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die besonderen und verbesserten magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung sind breit anwendbar für das Abfühlen und die Messung von Drehmoment in Teilen aller Arten und Abmessungen, was auch immer die Vorrichtung und das Anwendungsgebiet, in welchem das Teil arbeitet, sein mag. Es ist allgemein anerkannt, daß Drehmoment ein absolut grundlegender Parameter bei der Steuerung von Systemen mit drehenden Teilen ist. Abfühlen des momentanen Drehmoments, das ein drehendes Teil erfährt, und Erzeugen eines elektrischen Stromes ansprechend darauf, der eine bekannte Beziehung zum Drehmoment aufweist, gestattet eine frühe Diagnose von anfangenden Problemen oder die Steuerung, über Mikroprozessor oder in anderer Weise, der Kraftmaschine, Arbeitsmaschine, des Motors usw., die das drehende Teil antreiben.
Anwendungen für die Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung lassen sich in nahezu allen Vorrichtungen finden, die ein drehendes Teil haben. Es besteht bereit ein Bedürfnis nach empfindlichen, reagierenden und nicht teuren magnetischen Drehmomentsensoren zur Überwachung von Drehmoment in Maschinen und Kraftantrieben zur Verbesserung der Gesamtleistung und des Verbrauchs, Steuerung von Abgasemissionen und Änderung von Übersetzungsverhältnissen; bei Schiffsantriebssystemen zur Feststellung und Korrektur einer verminderten Kraftabgabe der Vortriebsmaschinen und der Auswirkungen von Rumpfkollisionen und Schraubenbeschädigungen; bei Hubschrauberturbinen zur Vermeidung einer Überlastung und zur Feststellung von Leistungsverlusten, die beispielsweise durch Sand und Salzsprühungen verursacht sind. Es besteht auch ein Bedarf an Drehmoment-Meßwandlern, wie sie gemäß der Erfindung geschaffen werden, zur Steuerung von Schwerindustriemaschinen aller Art, beispielsweise Holzschleifern zur Aufrechterhaltung der Faserqualität, Papierherstellungsmaschinen und dergleichen sowie zur Verwendung in Haushalts- und gewerblichen Geräten, beispielsweise Nahrungsmittelmischern und -bearbeitern. Außerdem wurde ein Bedürfnis nach kleinen, billigen, empfindlichen, zuverlässigen Drehmomentsensoren in solch verschiedenen Anwendungen wie Werkzeugmaschinen, Handwerkzeugen, Robotic, Informationsvorrichtungen, gewerblichen Meßinstrumenten, Wiegesystemen verschiedenster Arten, elektrisch unterstützten Servolenkungen und Fahrzeugtraktionsausgleich festgestellt.
Eine Anwendung der magnetoelastischen Drehmoment-Meßwandler gemäß der Erfindung, die besonders vielversprechend im Hinblick auf einen möglichen Beitrag dieser Wandler zur Energieeinsparung, Umweltsauberkeit und Sicherheit ist, weil sie direkt so viele Menschen und Geschäftsbetriebe berührt, ist ihre Verwendung an Brennkraftmaschinen und damit verbundenen Maschinenantrieben. Der Drehmomentsensor gemäß der Erfindung ist in der Lage, die Drehmomentsignatur der Maschine über eine Bandbreite zu sammeln, die breit genug ist, alle Hauptdetails wichtiger zum Drehmoment beitragender Ereignisse an allen Punkten zwischen Leerlauf und maximaler Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine zu erkennen. Drehmomentabfühlung in einer genauen und kosteneffektiven Weise ermöglicht eine frühzeitige Diagnose von in Entstehung begriffenen Problemen infolge des Arbeitszustands der Maschine, hilft, unvorhergesehene Ausfälle zu vermeiden, die möglicherweise die Einsatzfähigkeit des Fahrzeugs in kritischen Zeitpunkten beschränken könnten, und verbessert und/oder steuert die Leistung und Wirtschaftlichkeit der Maschine und ihres Antriebs.
Primärkraft für den Vortrieb und andere wesentliche Funktionen moderner Fahrzeuge erhält man von einer drehenden Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine. Unabhängig von der Art der Maschine ist die von dieser Welle des Fahrzeugs abgegebene Leistung das numerische Produkt von nur zwei Parametern: Drehgeschwindigkeit und übertragendes Drehmoment. Einer der beiden, das Drehmoment, ist der gehaltreiche Parameter, da die Drehgeschwindigkeit selbst eine Folge des im Inneren der Maschine erzeugten Drehmoments ist. Es ist die Größe des verfügbaren Drehmoments, die die Grenzen für die Fahrzeugbeschleunigung, seine Geschwindigkeit auf Steigungen und andere Mobilitäts- und Leistungsfaktoren setzt. Der erfolgreiche Gebrauch des und die Freude am Fahrzeug hängt letztlich von der Fähigkeit des Motors ab, das funktionell geforderte Drehmoment über seinen Geschwindigkeitsbetriebsbereich zu liefern.
Mit Ausnahme der Situation, wo eine Turbine eine konstante Last antreibt, ändert sich das über die Motorausgangswelle übertragene Drehmoment rasch. Diese Schwankungen spiegeln sowohl die zyklischen Änderungen des mit dem Motor erzeugten Drehmoments als auch Übergangsschwankungen des Drehmoments, die durch Fahrzeugbelastungen auferlegt werden, wieder. Bei Kolbenmotoren wird das Drehmoment durch jeden Zylinder nur während seines Arbeitshubs erzeugt. Mehrzylindermotoren erzielen eine gewisse Kontinuität des entwickelten Drehmoments durch den Überlapp phasenverschobener Arbeitshübe der einzelnen Zylinder. Zyklische Schwankungen des Ausgangsdrehmoments werden zwar dadurch ebenfalls und durch die kombinierte Trägheit der beweglichen inneren Teile des Motors weiter reduziert, die stark impulsartige Natur des von den einzelnen Zylindern entwickelten Drehmoments wird aber weiterhin über die Ausgangswelle übertragen. Zyklisch angeregte Torsionsschwingungen zusammen mit den sich ändernden Beschleunigungen von miteinander verknüpften hin- und hergehenden Teilen steuern zusätzliche zeitabhängige Drehmomentkomponenten bei. Die Größe und sogar die Richtung dieses Drehmoments wird ferner durch Änderungen der Arbeitsbedingungen des Fahrzeugs, d. h., Gasstellungen, Gänge, Beladung, Neigung der Straßenoberfläche und Rauhigkeitsmerkmale beeinflußt.
Wenn auch das Drehmoment auf der Motorausgangswelle die Überlagerung von Beiträgen dieser Vielfachheit von Quellen darstellt, sind viele voneinander abhängig, und ihre Kombination bildet eine Effektivsignatur, welche die Leistung des Motors kennzeichnet. Herausragende Merkmale dieser Signatur würden natürlich mit speziellen Motorereignissen, beispielsweise Zylinderzündungen, korrelieren. Das Fehlen eines normalen Merkmals, seine Änderung oder die Entwicklung neuer Merkmale würden das Spiegelbild einer Minderfunktion sein. Die Natur und das Ausmaß der Anomalie wären symptomatisch für spezielle Motor- oder Transmissionsschwierigkeiten. Viele Motorprobleme lassen sich auch durch ihre symptomatischen Auswirkungen auf die Gesamtleistung und/oder objektiver meßbare Größen (beispielsweise Krümmerdruck, Kompression, Geräuschsignatur, Abgasanalyse) feststellen, nichts von dem ist aber so empfindlich quantifiziert wie für die einzelnen Ereignisse, welche zusammen das richtige Arbeiten des Motors charakterisieren, wie Drehmoment. Da Drehmoment das wirksame Produkt des Motors ist, können keine Messungen von indirekt bezogenen Parametern so deutlich die Quelle inadäquater Produktion identifizieren, wie dies die Messung von Drehmoment selbst kann. Herkömmliche Methoden zur Gewinnung von Drehmomentdaten, ob nun durch Dynamometer oder aus Messungen der unbelasteten Motorbeschleunigung und Verzögerung durch Vorgänge, die stufenweise Änderungen des Kraftstoffstroms und/oder Zündunterbrechungen beinhalten, bestimmen lediglich Mittelwerte und sind ohne Einzelheiten, die für eine klare Diagnose und Steuerung benötigt werden. Gewinnung und Analyse der Information, die in der Drehmomentsignatur der Motorausgangswelle enthalten ist, ermöglichen eine Diagnose von im Entstehen begriffenen Problemen, helfen unvorhergesehene Ausfälle zu vermeiden, die die Einsatzfähigkeit des Fahrzeugs in kritischen Zeitpunkten beschränken könnten und verbessern und/oder steuern die Leistung und Wirtschaftlichkeit des Motors und des zugehörigen Antriebs. Der Schlüssel zu dem Problem ist die Gewinnung ausreichender Drehmomentinformation für eine sinnvolle Analyse.
Bei einem 12-Zylinder 4-Taktmotor, der bei 4000 min&supmin;¹ arbeitet, sind 400 Arbeitshübe und (wenigstens) 1600 Ventilereignisse (Öffnungen oder Schließungen) pro Sekunde vorhanden. Turbinen laufen mit einer weitaus glatteren Energieeingabe, aber bei Geschwindigkeiten von bis zu 500 Umdrehungen pro Sekunde. Um in der Lage zu sein, wichtige Einzelheiten dieser herausragenden Ereignisse zu diskrimieren, muß das Drehmomentabfühlsystem eine vernünftig flache Frequenzantwort bis hinauf zu wenigstens einige Male die maximale Ereignisrate, d. h., in die Umgebung von 5 kHz haben. Die Frequenzantwort muß sich auch bis hinunter zu null Hz erstrecken, um getreu die Drehmomentkomponenten des stationären Zustands, die durch die Fahrzeuglast auferlegt werden, zu erfassen.
Diese volle Bandbreite ist zwar offensichtlich wünschenswert für eine maximale Eignung als Diagnosewerkzeug, die im niederfrequenten Spektrum, bis zu 10 Hz, enthaltene Information beschreibt aber genau die Gesamtantwort des Motors auf Steuerungs- (Eingabe-) und Last- (Ausgabe-)Änderungen. Es lassen sich nicht nur Leistungsänderungen objektiv anhand dieser Information auswerten, sie hat auch potentielle Haupteignung in einem anderen Bereich, Steuerung des Motors und zugehörigen Antriebs.
Ein Drehmomentsensor mit einer 5 kHz Bandbreitenfähigkeit kann nicht beliebig angeordnet werden. Drehmoment wird zwar an die Motorwelle durch Berührkräfte an diskreten Stellen angelegt, es wird aber axial durch kontinuierliche Spannungsverteilungen übertragen. Übergangsdrehmomentereignisse werden nicht momentan übertragen, noch bleiben sie längs der Welle ungeändert. Die endliche Elastizität und Trägheit von realen Wellenmaterialien kombinieren sich zu einer Begrenzung der übertragbaren Drehmomentänderungsgeschwindigkeit. Steile Übergänge lösen oszillatorische Änderungen der elastischen und kinetischen Energie (Spannungswellen) aus, die mit material- und modenabhängigen Eigengeschwindigkeiten längs der Welle laufen. Die Treue des übertragenen Drehmoments wird ferner mit dem Abstand von seiner Quelle durch die akkumulierten Dissipationseffekte von innerer und äußerer Reibung weiter vermindert. Der Sensor muß daher ausreichend nahe zu der Quelle (den Quellen) angeordnet sein, um einen Verlust der gewünschten Drehmoment-Meßwandlerinformation entweder durch Abschwächung oder im Untergrund-"Rauschen" zu vermeiden, das sich aus komplexen Kombinationen von interferierenden und reflektierenden Spannungswellen zusammensetzt.
Wichtige Sensorerfordernisse sind, daß er, wenigstens in der Abmessung parallel zur Wellenachse, klein ist, daß er robust ist und daß er frei von verschlechternden Wirkungen der Benutzung oder Zeit, wie Verschleiß, Korrosion oder Ermüdung, ist. Der Sensor sollte einer Leistungsverifikation und Kalibrierung, insbesondere im Falle einer Reparatur oder eines Austauschs von Teilen des Drehmomentabfühlsystems, einschließlich der Motorwelle, zugänglich sein. Er sollte einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Herstellbarkeit des Motors und der Antriebslinie, den Betrieb und die Wartung haben, und unter keinen Umständen sollte der Ausfall des Drehmomentsensors irgendwelche mögliche Folgen haben, die das sonst normale Arbeiten des Fahrzeugs störend beeinflussen.
Der Zusammenhang ist, ob für Motoren, Antriebe oder andere Verwendungen klar, ein geeigneter Drehmomentsensor sollte eine unaufdringliche Vorrichtung sein, die schwer falsch zu benutzen und in der Lage ist, zuverlässig viel von der Drehmomentinformation zu gewinnen, die an der Drehmomentwelle verfügbar ist. Keiner der bislang in Betracht gezogenen Drehmoment-Meßwandler nach dem Stande der Technik ist in der Lage, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die magnetoelastischen Drehmomentsensoren gemäß der Erfindung erscheinen jedoch in jeder Hinsicht herausragend geeignet und machen erstmals billige, zuverlässige und empfindliche Drehmomentsensoren für eine gewerbliche Umsetzung verfügbar.

Claims

1. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler zur Lieferung eines elektrischen Signals, welches das auf ein Teil aufgebrachte Drehmoment angibt, wobei das Teil einen ferromagnetischen und magnetostriktiven Bereich zur Änderung seiner magnetischen Permeabilität ansprechend auf das Aufbringen von Drehmoment auf das Teil, wenigstens ein innerhalb des Bereichs definiertes ringförmiges Band, Mittel zum Aufbringen eines zyklisch zeitlich veränderlichen Magnetfeldes auf das Band, Mittel zum Abfühlen der durch das aufgebrachte Drehmoment bewirkten Permeabilitätsänderung, und Mittel zum Umwandeln der abgefühlten Permeabilitätsänderung in ein elektrisches Signal, welches die Größe des auf das Teil aufgebrachten Drehmoments angibt, aufweist, wobei der Meßwandler dadurch gekennzeichnet ist, daß das Band wendelförmig gerichtete, restspannungserzeugte magnetische Anisotropie so ausreichender Größe, verglichen mit der zufälligen magnetischen Anisotropie in dem Teil, aufweist, daß der Beitrag einer zufälligen Anisotropie zur gesamten magnetischen Anisotropie vernachlässigbar ist, wobei das Band wenigstens einen Umfangsbereich aufweist, der frei von restspannungsfreien Bereichen über wenigsten 50% seiner Umfangslänge ist.

2. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens ein Abschnitt des ferromagnetischen, magnetostriktiven Bereichs mit wendelförmig gerichteter, restspannungserzeugter magnetischer Anisotropie ausgestattet ist, wobei wenigstens ein Umfangsbereich des Abschnitts frei von restspannungsfreien Bereichen über wenigstens 50% seiner Umfangslänge ist, die Aufbringmittel das Magnetfeld auf den ausgestatteten Abschnitt und ein nicht so ausgestattetes Gebiet des Teils aufbringen, die Abfühlmittel die Permeabilitätsdifferenz zwischen dem Abschnitt und dem Gebiet, die von dem Aufbringen von Drehmoment auf das Teil herrührt, abfühlen, die Umwandlungsmittel die abgefühlte Permeabilitätsdifferenz in ein elektrisches Signal umwandeln, welches die Größe des aufgebrachten Drehmoments angibt.

3. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach Anspruch 1, bei welchem der ferromagnetische, magnetostriktive Bereich ein Paar von darin definierten axial im Abstand liegenden ringförmigen Bändern enthält, wobei die Bänder zueinander symmetrische rechtsgängig und linksgängig wendelförmig gerichtete, restspannungserzeugte magnetische Anisotropie so ausreichender Größe, verglichen mit der zufälligen magnetischen Anisotropie in dem Teil, aufweist, daß der Beitrag einer zufälligen magnetischen Anisotropie zur gesamten magnetischen Anisotropie vernachlässigbar ist, wobei jedes Band wenigstens einen Umfangsbereich aufweist, der frei von restspannungsfreien Gebieten über wenigstens 50% seiner Umfangslänge ist, die Aufbringmittel ein zyklisch zeitlich veränderliches Magnetfeld an die Bänder anlegen, die Abfühlmittel die durch das aufgebrachte Drehmoment bewirkte Permeabilitätsänderung der Bänder abfühlen.

4. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der ferromagnetische, magnetostriktive Bereich einen Teil der Oberfläche des Teils bildet.

5. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel starr an der Oberfläche des Teils befestigt sind.

6. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Bänder innerhalb eines wärmegehärteten Abschnitts des Bereichs definiert sind, wobei die restspannungserzeugte magnetische Anisotropie den Bändern nach der Wärmehärtung beigebracht worden ist.

7. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die leichten magnetischen Achsen in den Bändern unter Winkeln von ± 20º-60º zur Achse des Teils ausgerichtet sind.

8. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem wenigstens ein Umfangsbereich von restspannungsfreien Bereichen über wenigstens 80% seiner Umfangslänge frei ist.

9. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der wenigstens eine Umfangsbereich von restspannungsfreien Bereichen über seine gesamte Umfangslänge frei ist.

10. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem der Bereich aus einer Stahllegierung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus martensitisch härtbaren und wärmegehärteten Eisennickel- Stahllegierungen, welche eine im wesentlichen isotrope Magnetostriktion mit einem Absolutwert von wenigstens 5 ppm zeigen und zwischen 0,05 und 0,75 Gew.-% Kohlenstoff und ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Chrom, Kobalt, Titan, Aluminium, Mangan, Molybdän, Kupfer, Bor und Kombinationen derselben, in ausreichender Menge zur Anhebung des Legierungsmagnetostriktionswerts auf die wenigstens 5 ppm absolut enthalten, gebildet ist.

11. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach Anspruch 10, bei welchem die Legierung ferner ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Phosphor, Schwefel, Stickstoff, Selen, Wolfram, Vanadium, Hafnium, Niob, Tantal, Zinn und Kombinationen derselben, zwischen null und einer brauchbaren Menge, der Legierung gewünschte Eigenschaften zu verleihen, enthält.

12. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Bereich aus einer wärmegehärteten Stahllegierung gebildet ist, die im wesentlichen aus den Elementen und Anteilen besteht, die durch die allgemeine Formel:

FeCaMbQc

gegeben ist, wobei

"M" ein Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Chrom, Kobalt, Titan, Aluminium, Mangan, Molybdän, Kupfer, Bor und Kombinationen derselben, ist,

"Q" ein Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Phosphor, Schwefel, Stickstoff, Selen, Wolfram, Vanadium, Hafnium, Niob, Tantal, Zinn und Kombinationen derselben, ist,

"a" einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,75 Gew.-% angibt,

"b" einen Gehalt an Element "M" angibt, der wenigstens ausreicht, die Magnetostriktion der Legierung auf wenigstens 5 ppm absolut anzuheben, und

"c" einen Gehalt an Element "Q" von null bis zu einer brauchbaren Menge, der Legierung gewünschte Eigenschaften zu verleihen, angibt.

13. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 10 oder 11, bei welchem der Bereich aus der wärmegehärteten Stahllegierung gebildet ist.

14. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der ferromagnetische, magnetostriktive Bereich aus einer Stahllegierung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus durchhärtbaren und einsatzhärtbaren Stahllegierungen, gebildet ist.

15. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem in einem mechanisch weichen Abschnitt des Bereichs die Bänder definiert sind und die restspannungserzeugte magnetische Anisotropie eingebracht worden ist.

16. Magnetoelastischer Drehmoment-Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 10, 11 oder 15, bei welchem der Bereich aus Maraging-Nickelstahl gebildet ist.

17. Verwendung eines magnetoelastischen Drehmoment- Meßwandlers nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche zum Abfühlen des auf das Teil, dem die ferromagnetischen magnetostriktiven Mittel zugeordnet sind, aufgebrachten Drehmoments.

18. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil einer Brennkraftmaschine mit einem drehmomentübertragenden Ausgangsteil.

19. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil von Kraftübertragungsmitteln mit einem drehmomentübertragenden Ausgangsteil.

20. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil von Fluidturbinenmitteln mit einem drehmomentübertragenden Ausgangsteil.

21. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil eines Wiegesystems, welches drehmomentübertragende Mittel enthält.

22. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil einer Werkzeugmaschine, welche Mittel zur Bewirkung einer Relativdrehung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück enthält, wobei die Werkzeugmaschine ein drehmomentübertragendes Teil aufweist.

23. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil einer Robotervorrichtung mit mechanischen Mitteln zur Durchführung von Arbeit gemäß vorprogrammierten oder Echtzeit-Steuerbefehlen, wobei die Vorrichtung ein drehmomentübertragendes Teil aufweist.

24. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil eines Fahrzeuglenksystems mit drehmomentübertragenden Wellenmitteln.

25. Meßwandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 als Teil eines Kraftmeßsystems, welches Mittel zum Umwandeln einer abgefühlten Kraft im Drehmoment enthält.