WO2016165703A1 - Hohles maschinenelement und anordnung zum messen einer kraft oder eines momentes - Google Patents

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WO2016165703A1
WO2016165703A1 PCT/DE2016/200163 DE2016200163W WO2016165703A1 WO 2016165703 A1 WO2016165703 A1 WO 2016165703A1 DE 2016200163 W DE2016200163 W DE 2016200163W WO 2016165703 A1 WO2016165703 A1 WO 2016165703A1
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machine element
region
magnetization
hollow
thermally conductive
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PCT/DE2016/200163
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
Jan Matysik
Darius Dlugai
Christian Schmitt
Markus Neubauer
Tomas Smetana
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means

Definitions

  • the present invention initially relates to a hollow machine element for transmitting a force and / or a moment, which forms a component of an arrangement for measuring the acting force or moment using the inverse magnetostrictive effect. Furthermore, the invention relates to an arrangement for measuring a force and / or a torque which comprises the inventive hollow machine element.
  • EP 2 365 927 B1 shows a bottom bracket with two cranks and with a chain blade carrier, which is connected to a shaft of the bottom bracket.
  • the chainring carrier is rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is rotatably connected to the shaft.
  • the sprocket shaft has a section on a magnetization.
  • a sensor is provided which detects a change in the magnetization at a torque present in the region of the magnetization.
  • No. 6,490,934 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor for measuring a torque acting on an element with a ferromagnetic, magnetostrictive and magnetoelastically active region. This area is formed in a transducer, which sits as a cylindrical sleeve, for example on a shaft. The torque sensor faces the transducer.
  • a torque sensor which comprises a magnetoelastic transducer.
  • the transducer sits as a cylindrical sleeve on a shaft.
  • US Pat. No. 7,308,835 B2 shows a torque sensor with a magnetoelastic ring which has three circumferential magnetization regions which have opposite polarities.
  • JP 4910535 B2 teaches a sensor for determining a torque acting on a shaft, which comprises a U-shaped element made of a magnetostrictive material. The cavity formed by the U-shaped element is filled with a non-magnetostrictive material. The U-shaped element is connected to the shaft by a radial compressive stress and optionally by electron beam welding.
  • Hollow shaft has circumferential magnetizations with opposite polarities.
  • DE 10 201 1078 819 A1 shows a split roll stabilizer with a sensor for determining a torque acting in the roll stabilizer.
  • the sensor comprises a magnetically encoded primary sensor, which consists of a sensor on the
  • Roll stabilizer sitting sleeve can be formed.
  • the magnetically encoded primary sensor may be formed by a sleeve which is introduced into a cavity of a hollow flange of the roll stabilizer.
  • the object of the present invention is to increase the accuracy of a measurement of forces and / or moments on a hollow machine element based on the inverse-magnetostrictive effect.
  • the above object is achieved by a hollow machine element according to the appended claim 1 and by an arrangement according to the appended independent claim 10.
  • the hollow machine element according to the invention serves primarily for the transmission of at least one force and / or at least one moment.
  • the Maschmenelement extends in an axis, wherein the axis preferably also forms an axis of rotation of the machine element.
  • the machine element is hollow because it has a cavity extending at least partially in the axis.
  • the cavity is formed in particular in the region of the axis.
  • the cavity extends over more than half the axial length of the machine element.
  • the cavity is preferably open at one axial end of the machine element. It preferably has the shape of a cylinder.
  • the hollow machine element is designed as a component of an arrangement for measuring the at least one acting force or of the at least one acting moment. This measurement is based on the inverse magnetosthictive effect.
  • a secondary function of the hollow machine element is that it forms a primary sensor within the arrangement for measuring the at least one acting force or the at least one acting moment.
  • the hollow machine element comprises at least one magnetization region for a magnetization, which consists of a magnetostrictive material. Due to the magnetization as well as the force or moment, a magnetic field measurable by means of the arrangement can be produced.
  • the at least one permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably magnetically neutral in a state of the hollow machine element which is unloaded by a force or moment, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.
  • the at least one magnetization region represents a part of the volume of the machine element
  • the magnetization area is aligned with the cavity so that it forms an inner side of the machine element.
  • the magnetization region thus forms no radially outer side of the machine element.
  • the magnetization region forms an integral component of the hollow machine element.
  • the magnetization region has a central axial section, in which the magnetization region is arranged radially spaced from a ferromagnetically formed region of the machine element and / or radially spaced from a thermally conductive region of the machine element.
  • the ferromagnetically formed region of the machine element or the thermally conductive region of the machine element is different from the magnetization region.
  • the ferromag netic trained area of the machine element is magnetically conductive.
  • the thermal conductivity of the thermally conductive area of the machine element is at least 0.1 W / (mK).
  • the ferromagnetically formed region of the machine element is also thermally conductive, so that the ferromagnetically formed region of the machine element and the thermally conductive region of the machine element are identical.
  • the thermally conductive region of the machine element is not ferromagnetic and is preferably made of a plastic, particularly preferably of a fiber-reinforced plastic.
  • the axially middle portion has an axial length. which is preferably at least half, more preferably at least two-thirds of the axial length of the magnetization region.
  • the magnetization region does not contact the ferromagnetically formed region or the thermally conductive region, since a radical distance is at least largely formed therebetween.
  • the radial distance is preferably formed circumferentially.
  • the radial distance is preferably formed over the entire axial length of the axially central portion.
  • the radial distance between the magnetization region and the ferromagnetically formed region of the machine element is preferably more than 1%, particularly preferably more than 2% of the radial distance between the ferromagnetically formed region of the machine element and the axis.
  • the radial distance between the magnetization region and the thermally conductive region of the machine element is preferably more than 1%, particularly preferably more than 2% of the radial distance between the thermally conductive region of the machine element and the axis.
  • the radial distance between the magnetization region of the machine element and the ferromagnetic region of the machine element is preferably more than 1 mm: more preferably more than 2 mm.
  • the radial distance between the magnetization region and the ferromagnetically formed region of the machine element is preferably less than 10 mm.
  • the radial distance between the magnetization region of the machine element and the thermally conductive region of the machine element is preferably more than 1 mm: more preferably more than 2 mm.
  • the radial distance between the magnetization region and the thermally conductive region of the machine element is preferably less than 10 mm.
  • the radial distance between the magnetization region and the ferromagnetic region of the machine element within the axially central portion is constant
  • the radial distance between the magnetization region and the ferromagnetically formed region of the machine element changes. within the axially central portion in the axial direction, this change being preferably linear.
  • the radial distance between the magnetization region and the thermally conductive region of the machine element is constant within the axially central section.
  • the radial distance between the Magnetleitersbe- rich and the thermally conductive region of the machine element within the axially central portion changes in the axial direction, this change is preferably linear.
  • the ferromagnetically formed region surrounds the magnetization region in the circumferential direction.
  • the ferromagnetically formed region encloses the magnetization region circumferentially. In this case, the ferromagnetically formed region is arranged radially on the outside.
  • the thermally conductive area surrounds the magnetization area extensively.
  • the thermally conductive region preferably surrounds the magnetization region in the circumferential direction. In this case, the thermally conductive region is arranged radially on the outside
  • the magnetization region of the machine element is preferably rotationally symmetrical, with the axis of the machine element also forming a symmetry axis of the magnetization region.
  • the ferromagnetically formed region of the machine element is preferably rotationally symmetrical, the axis of the machine element also forming an axis of symmetry of the ferromagnetically formed region of the machine element.
  • the thermally conductive region of the machine element is preferably formed rotationally symmetrical, wherein the axis of the machine element also forms a symmetry axis of the thermally conductive region of the machine element.
  • the hollow machine element according to the invention is preferably rotationally symmetrical, its axis also forming an axis of symmetry at the same time.
  • the magnetization region preferably has the basic shape of a hollow cylinder: in particular the basic shape of a sleeve.
  • the axis of the machine element also forms the axis of the hollow cylinder.
  • the magnetization region is connected at two axial positions enclosing the axially central section, in each case fixedly connected to the ferromagnetically formed region of the machine element by a connection. Consequently, the magnetization region is preferably fixedly connected at its axial ends to the ferromagnetically shaped region of the machine element, so that the force acting from outside on the machine element or the moment acting from outside on the machine element in any case also acts on the magnetization region.
  • the magnetization region is fixedly connected to the thermally conductive region of the machine element by means of a connection at two axial positions enclosing the axially central section. Consequently, the magnetization region is preferably fixedly connected to the thermally conductive region of the machine element at its axial ends, so that the force acting from outside on the machine element or the moment acting from outside on the machine element also acts on the magnetization region.
  • the sleeve forming the basic shape of the magnetization region preferably has a radially inward or radially outward at one or both of its axial ends. Singe annular reinforcement on. about which it is firmly connected to the ferromagnetic trained portion of the machine element. Due to the one annular reinforcement or the two annular reinforcements, the radial spacing in the axially central section can be ensured with little effort since the ferromagnetically formed region of the machine element only has to be formed with a cylindrical inner wall.
  • the sleeve forming the basic shape of the magnetization region preferably has at one or both of its axial ends a radially inwardly or radially outwardly projecting annular reinforcement. via which it is firmly connected to the thermally conductive area of the machine element.
  • a radially inwardly or radially outwardly projecting annular reinforcement via which it is firmly connected to the thermally conductive area of the machine element.
  • the sleeve forming the basic shape of the magnetization region is fixed at its axial ends to the ferromagnetically formed region of the machine element or to the thermally conductive region of the machine element by a connection.
  • the two fixed connections can each be formed on an outer side, on an end face or on an inner side of the sleeve.
  • the two fixed connections can each have a material connection. be formed by a traction or by a positive connection.
  • the two compounds are each formed by a welded connection, by a resistance welded connection, by a capacitor pulse welding connection or by a shrink-on connection.
  • the positive connection is preferably formed by a toothing, for example by a radial toothing.
  • the two fixed connections can be of different types or else each can be formed by a combination of connection types.
  • the sleeve forming the basic shape of the magnetization region is at its end axial ends each firmly clamped in ferromag netic trained area of the machine element. These two restraints can each be formed on an outer side, on an end side or on an inner side of the sleeve.
  • the sleeve forming the basic shape of the magnetization region is firmly fixed in the thermally conductive region at its axial ends Machine element clamped
  • These two restraints can each be formed on an outer side, on an end face or on an inner side of the sleeve.
  • the hollow cylinder forming the basic shape of the ferromagnetically formed region has an inner diameter. which is preferably larger than the outer diameter of the magnetization region. so that the magnetization region is arranged radially spaced from the ferromagnetic region of the machine element. The difference of the mentioned diameters determines the radial distance.
  • the inner diameter of the hollow cylinder forming the basic shape of the ferromagnetic region is preferably more than 2 mm. more preferably more than 4 mm larger than the outer diameter of the magnetization region.
  • the thermally conductive region at least where it surrounds the magnetization region, has the basic shape of a hollow cylinder. within which the Magnetticiansbere'ch is arranged.
  • the hollow cylinder forming the basic shape of the thermally conductive region has an inner diameter. which is preferably larger than the outer diameter of the magnetization region. so that the magnetization region is arranged radially spaced from the thermally conductive region of the machine element. The difference of said diameters determines the radial distance.
  • the inner diameter of the hollow cylinder forming the basic shape of the mechanically conductive region is preferably more than 2 mm. more preferably more than 4 mm larger than the outer diameter of the magnetization range.
  • the magnetization region is preferably arranged within the axially middle section, completely circumferentially radially spaced from the ferromagnetic segment of the machine element.
  • the magnetization region is preferably arranged within the axially middle section, completely peripherally radially spaced from the thermally conductive region of the machine element.
  • a magnetically insulating stand-off cavity is arranged between the magnetization area in its axially central portion and the ferromagnetically formed area.
  • the spacing cavity preferably has the shape of a hollow cylinder whose wall thickness is preferably at least 1 mm. more preferably at least 2 mm.
  • a gas such as As air, or a vacuum.
  • the gas or the vacuum is magnetically non-conductive and not magnetostrictive.
  • a magnetically insulating spacer layer is arranged between the magnetization region in its axially central section and the ferromagnetically formed region.
  • the spacer layer consists of a magnetically non-conductive and preferably non-magnetostrictive material.
  • the spacer layer is preferably made of a thermally insulating material. The magnetization area. The spacer layer and the ferromagnetically formed region thus preferably form three successive layers of a layer structure of the machine element.
  • the spacer layer preferably has the shape of a hollow cylinder on the
  • a thermally insulating spacer cavity is arranged between the magnetization region in its axially central portion and the thermally conductive region.
  • the spacer cavity preferably has the shape of a hollow cylinder. whose wall thickness is preferably at least 1 mm, more preferably at least 2 mm.
  • In the distance cavity is preferably a gas. such as As air, or a vacuum. The gas or the vacuum is not thermally or hardly conductive.
  • a thermally insulating spacer layer is arranged between the magnetization region in its axially central section and the thermally conductive region.
  • the spacer layer consists of a thermally non-conductive material whose thermal conductivity is preferably less than 0.1 W / (m K): more preferably less than 0.05 W / (m-K).
  • the magnetization region, the spacer layer and the thermally conductive region thus preferably form three successive layers of a layer structure of the machine element.
  • the spacer layer preferably has the shape of a hollow cylinder. whose
  • Wall thickness is preferably at least 1 mm, more preferably at least 2 mm.
  • the magnetization region has in its axially central section a wall thickness which is smaller than the wall thickness of the ferromagnetically formed region in this axial section. More preferably, the magnetization region has in its axially central portion a wall thickness which is less than half the wall thickness of the ferromagnetically formed region in this axial portion. The magnetization region in its axially central portion has a wall thickness which is less than 20 % of the wall thickness of the ferromagnetic formed region in this axial section.
  • the magnetization region has in its axially central section a wall thickness which is smaller than the wall thickness of the thermally conductive region in this axial section. More preferably, the magnetization region has in its axially central portion a wall thickness which is less than half the wall thickness of the thermally conductive region in this axial portion. Particularly preferably, the magnetization region in its axially central section has a wall thickness which is less than 20% of the wall thickness of the thermally conductive region in this axial section.
  • the ferromagnetically formed region of the hollow machine element or the thermally conductive region of the hollow machine element particularly preferably forms a main component of the machine element, which is designed for the original function of the machine element for transmitting the at least one force and / or the at least one moment ,
  • the magnetization region forms a primary sensor of the arrangement for measuring the acting force or the acting moment.
  • the ferromagnetically formed region ie the main component of the machine element, has magnetostriction. which is preferably smaller than the
  • Magnetostrictivity of the magnetization region is.
  • the ferromagnetically formed area, i. H. the main component of the machine element particularly preferably has no or only a small magnetostriction.
  • the main component of the machine element is preferably made of a steel.
  • the ferromagnetically formed region simultaneously also represents the thermally conductive region of the machine element.
  • the magnetization region and the ferromagnetically formed region preferably have the same coefficient of expansion. At least the magnetization region and the ferromagnetically formed region have expansion coefficients. which preferably differ by less than 10% from each other.
  • the Macnets: erur.gsbe r eicn and ae. ' Ferromagiietiscn trained area preferably have an equal modulus of elasticity. At least the magnetization tion area and the ferromagnetic trained area elasticity modules on. which preferably differ by less than 30% from each other.
  • the magnetization region and the ferromagnetically formed region preferably consist predominantly of the same material, which is preferably formed by iron.
  • the magnetization region and the thermally conductive region preferably have an equal expansion coefficient. At least the magnetization area and the thermally conductive area have coefficients of expansion. which preferably differ by less than 10% from each other.
  • the magnetization region and the thermally conductive region preferably have the same elastic modulus. At least the magnetization region and the thermally conductive region have elastic moduli. which preferably differ by less than 30% from each other.
  • the ferromagnetically formed region or the thermally conductive region, d. H. the main component of the machine element is preferably axially longer than the magnetization region.
  • the magnetization region in the form of a sleeve-like inner layer is formed axially on one side in the machine element.
  • the magnetization region is preferably magnetically conductive.
  • the at least one magnetization region can be permanently or temporarily magnetized.
  • the magnetization region is preferably permanently magnetized by at least one permanent magnetization. so that the magnetization is formed by a permanent magnetization.
  • the magnetization region is temporarily magnetizable. for example, by an electromagnet or by a permanent magnet, which forms a component of the arrangement for measuring the force and / or the moment.
  • the magnetization region need not be completely magnetized by the permarent magnetization or completely magnetizable temporarily. It can thus be magnetic neutral portions of the magnetization region may be present, for example as axial sections
  • the at least one permanent magnetization is preferably aligned circumferentially about the axis so that it is formed in the tangential direction.
  • the magnetization region can also have a plurality of the circumferential permanent magnetizations, which are formed as tracks, wherein the polarity of the plurality of circumferential permanent magnetizations can be aligned alternately.
  • the machine element preferably has the outer basic shape of a prism or a cylinder. wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is preferably straight.
  • the machine element has the outer basic shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is conical. Insofar as the cavity extends over the entire axial length of the machine element, it preferably has the shape of a hollow cylinder.
  • the machine element is preferably formed by a partially hollow shaft, by a hollow shaft, by an at least partially hollow shift fork or by a hollow flange.
  • the partially hollow shaft, the hollow shaft, the partially hollow Schaitgabel or the hollow flange can be designed for loads by different forces and Momen- and for example be a component of a Sensortretlagers, a roll stabilizer or fertilizer spreader Basically, the hollow machine element by completely different Machine element types may be formed.
  • the directions indicated, namely the axial direction, the tangential direction and the radial direction are related to the axis of the hollow machine element.
  • the arrangement according to the invention serves to measure a force: and / or a moment on the hollow machine element according to the invention.
  • the Kiaft or the Moment acts on the hollow machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the arrangement further comprises at least one magnetic field sensor which is arranged in the cavity of the machine element.
  • the primary sensor, ie the at least one magnetization region serves to convert the force to be measured or the torque to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensor converts this magnetic field into electrical Signals possible.
  • the arrangement according to the invention is preferably used for measuring a force and / or a moment on one of the preferred embodiments of the hollow machine element according to the invention.
  • the machine element or its preferred embodiment forms a component of the arrangement according to the invention.
  • the at least one magnetic field sensor is preferably formed in each case by a forester probe or by a fluxgate magnetometer.
  • the magnetic field sensor is alternatively preferably formed by a Hall sensor, by a coil or by a semiconductor sensor.
  • another type of sensor can also be used if it is suitable for measuring the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a hollow according to the invention
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the hollow according to the invention
  • FIG. 3 shows a third preferred embodiment of the hollow according to the invention
  • Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the hollow machine element according to the invention:
  • FIG. 1 shows a first preferred embodiment of a hollow machine element according to the invention in the form of a hollow flange in a cross-sectional view.
  • the hollow machine element extends in an axis 01.
  • the hollow machine element is formed rotationally symmetrically about the axis 01.
  • the hollow machine element comprises a ferromagnetic main component 02 of a steel, so that it also represents a thermally conductive region of the hollow machine element.
  • the ferromagnetic main component 02 is designed to receive and forward the forces and / or moments to be transmitted by the hollow machine element.
  • the ferromagnetic main component 02 is predominantly hollow-cylindrical, with a sleeve-like magnetization region 03 being arranged in the interior of the ferromagnetic main component 02. which likewise forms part of the hollow machine element.
  • a cylindrical cavity 04 is formed, which also forms a cavity of the machine element and in which a magnetic field sensor (not shown) is arranged.
  • the sleeve-like magnetization region 03 has an annular reinforcement 06 at a first axial end. which is directed radially outward
  • the sleeve-type magnetization region 03 has an annular reinforcement 07 at a second axial end. which is directed radially inward.
  • the sleeve-like magnetization region 03 is mechanically fixed exclusively to the ferromagnetic main component 02 exclusively via the annular reinforcements 06. 07.
  • the mechanical connections can be made on a fabric. Force or form fit based. There If the annular reinforcements 06. 07 are arranged at the axial ends of the sleeve-like magnetization region 03, the forces and / or torques acting on the ferromagnetic main component 02 are also largely transmitted to the sleeve-like magnetization region 03.
  • a magnetically insulating spacer layer 09 is arranged between the sleeve-like magnetization region 03 and the main ferromagnetic component 02.
  • a magnetically insulating spacer cavity (not shown) can also be arranged there.
  • the hollow machine element has no undercut. so that the sleeve-like magnetization region 03 can easily be introduced into the ferromagnetic main component 02 during manufacture of the machine element and fastened there.
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the hollow machine element according to the invention in a cross-sectional view.
  • This embodiment initially resembles the embodiment shown in FIG.
  • the annular reinforcement 07 is absent at the second axial end of the sleeve-like magnetization region 03.
  • the ferromagnetic main component 02 has an annular reinforcement 11 at an axially axial position. to clamp the sleeve-like magnetization region 03 there from the outside.
  • the ferromagnetic main component 02 in the region of the nng-shaped reinforcement 1 1 has a smaller inner diameter in order to firmly hold the sleeve-like magnetization region 03, which represents an alternative to the embodiment shown in FIG. 1, in which the sleeve-like magnetization region 03 has the annular reinforcement 07, which is firmly received from the inside by the ferromagnetic main component 02.
  • Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the hollow according to the invention
  • FIG. 4 shows a fourth preferred embodiment of the hollow machine element according to the invention in a cross-sectional view.
  • This embodiment is initially identical to the embodiment shown in FIG. 3.
  • the sleeve-like magnetization region 03 has the annular reinforcement 07 shown in FIG. 1 at the second axial end.
  • the front side mechanically fixedly connected to the ferromagnetic main component 02 is connected.
  • the mechanical connections can be formed, for example, by resistance welding connections or by capacitor pulse welding connections.
  • Fig. 5 shows a fifth preferred embodiment of the hollow machine element according to the invention in a cross-sectional view.
  • This embodiment initially resembles the embodiment shown in FIG. 4.
  • the annular reinforcements 06. 07 at the axial ends of the sleeve-like magnetization region 03 are additionally mechanically fixedly connected to the ferromagnetic main component 02 by form-locking connections 12.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein hohles Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momentes, welches eine Komponente einer Anordnung zur Messung der wirkenden Kraft bzw. des wirkenden Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes bildet. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, welche das erfindungsgemäβe hohle Maschinenelement umfasst. Das Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse (01) und weist einen sich in der Achse (01) erstreckenden Hohlraum (04) auf. Das Maschinenelement umfasst zumindest einen Magnetisierungsbereich (03) für eine Magnetisierung, der aus einem magnetostriktiven Material besteht. Durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment ist ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar. Der Magnetisierungsbereich (03) ist zum Hohlraum (04) hin ausgerichtet. Erfindungsgemäβ weist der Magnetisierungsbereich (03) einen axial mittleren Abschnitt (08) auf, in welchem der Magnetisierungsbereich (03) radial beabstandet zu einem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder radial beabstandet zu einem thermisch leitfähigen Bereich (03) des Maschinenelementes angeordnet ist

Description

Hohles Maschinenelement und Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines
Momentes
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein hohles Maschinenelement zur Übertra- gung einer Kraft und/oder eines Momentes, welches eine Komponente einer Anord- nung zur Messung der wirkenden Kraft bzw. des wirkenden Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes bildet. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, die das erfindungsge- mäße hohle Maschinenelement umfasst.
Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Ketten- blattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Be- reich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
Die US 6,490.934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Mes- sung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromag netischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelas- tischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor be- kannt.
Die US 7.308.835 B2 zeigt einen Drehmomentsensor mit einem magnetoelastischen Ring, welcher drei umlaufende Magnetisierungsbereiche aufweist, welche entgegen- gesetzte Polaritäten besitzen. Die JP 4910535 B2 lehrt einen Sensor zur Bestimmung eines auf eine Welle wirken- den Drehmomentes, welcher ein U -förmiges Element aus einem magnetostriktiven Material umfasst. Der durch das U -form ige Element gebildete Hohlraum ist mit einem nicht-magnetostriktiven Material gefüllt. Das U -form ige Element ist durch eine radiale Druckspannung und ggf. durch eine Elektronenstrahlschweißverbindung mit der Welle verbunden.
Aus der EP 2 799 827 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, bei welchem Magnetfeldsensoren im Innenraum einer Hohlwelle angeordnet sind. Die
Hohlwelle weist umlaufende Magnetisierungen mit entgegengesetzten Polaritäten auf.
Die DE 10 201 1 078 819 A1 zeigt einen geteilten Wankstabilisator mit einem Sensor zur Ermittlung eines im Wankstabilisators wirkenden Drehmomentes. Der Sensor um- fasst einen magnetisch kodierten Primärsensor, der aus einer auf dem
Wankstabilisator sitzenden Hülse gebildet sein kann. Alternativ kann der magnetisch kodierte Primärsensor durch eine Hülse gebildet sein, die in einem Hohlraum eines hohlen Flansches des Wankstabilisators eingebracht ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Kräften und/oder Momenten an einem hohlen Maschinenelement zu er- höhen. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein hohles Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten neben- geordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße hohle Maschinenelement dient primär zur Übertragung min- destens einer Kraft und/oder mindestens eines Momentes. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Maschmenelement erstreckt sich in einer Achse, wobei die Achse bevorzugt auch eine Rotationsachse des Maschinenelementes bildet.
Das Maschinenelement ist hohl, da es einen sich zumindest teilweise in der Achse er- streckenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist insbesondere im Bereich der Achse ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich der Hohlraum über mehr als die Hälfte der axia- len Länge des Maschinenelementes. Der Hohlraum ist bevorzugt an einem axialen Ende des Maschinenelementes offen. Er weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf.
Das hohle Maschinenelement ist als eine Komponente einer Anordnung zur Messung der mindestens einen wirkenden Kraft bzw. des mindestens einen wirkenden Momen- tes ausgebildet. Diese Messung beruht auf dem invers-magnetosthktiven Effekt. Somit besteht eine sekundäre Funktion des hohlen Maschinenelementes darin, dass es ei- nen Primärsensor innerhalb der Anordnung zur Messung der mindestens einen wir- kenden Kraft bzw. des mindestens einen wirkenden Momentes bildet. Hierfür umfasst das hohle Maschinenelement zumindest einen Magnetisierungsbereich für eine Mag- netisierung, der aus einem magnetostriktiven Material besteht. Durch die Magnetisie- rung sowie durch die Kraft bzw. durch das Moment ist ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar.
Der mindestens eine permanent oder temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des hohlen Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt mag- netisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magneti- sierungsbereiches messbar ist. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich stellt ei- nen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar
Der Magnetisierungsbereich ist zum Hohlraum hin ausgerichtet, sodass er eine Innen- seite des Maschinenelementes bildet. Somit ist der Magnetisierungsbereich radial in- nenliegend angeordnet Der Magnetisierungsbereich bildet keine radiale Außenseite des Maschinenelementes Der Magnetisierungsbereich bildet e-nen integra en Be- standteil des hohlen Maschinenelementes. Erfindungsgemäß weist der Magnetisierungsbereich einen mittleren axialen Abschnitt auf, in welchem der Magnetisierungsbereich radial beabstandet zu einem ferromagne- tisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes und/oder radial beabstandet zu einem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes angeordnet ist. Der fer- romagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes bzw. der thermisch leit- fähige Bereich des Maschinenelementes ist vom Magnetisierungsbereich verschie- den. Der ferromag netisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes ist magne- tisch leitfähig. Die thermische Leitfähigkeit des thermisch leitfähigen Bereiches des Maschinenelementes beträgt mindestens 0.1 W/(m-K). Bevorzugt ist der ferromag ne- tisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes auch thermisch leitfähig, sodass der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes und der ther- misch leitfähige Bereich des Maschinenelementes identisch sind. Alternativ ist der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes nicht ferromagnetisch und be- steht bevorzugt aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem faserverstärk- ten Kunststoff. Der axial mittlere Abschnitt weist eine axiale Länge auf. die bevorzugt mindestens die Hälfte, besonders bevorzugt mindestens zwei Drittel der axialen Län- ge des Magnetisierungsbereiches beträgt. In dem axiat mittleren Abschnitt kontaktiert der Magnetisierungsbereich den ferromagnetisch ausgebildeten Bereich bzw. den thermisch leitfähigen Bereich nicht, da dazwischen zumindest weitestgehend ein radi- aler Abstand ausgebildet ist. Der radiale Abstand ist bevorzugt umfänglich ausgebil- det Der radiale Abstand ist bevorzugt über die gesamte axiale Länge des axial mittle- ren Abschnittes ausgebildet. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes besteht darin, dass durch eine einfache konstruktive Maßnahme die Messbarkeit des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft bzw. durch das Moment bewirkten Magnet- feldes deutlich verbessert ist. Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich stellen zwei Bereiche des hohlen Maschinenelementes dar. die einen Kompositaufbau des hohlen Maschinenelementes bilden. Alternativ stellen der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich zwei Bereiche des hohlen Maschinenelementes dar. die einen Kompositaufbau des hohlen Maschinenelementes bilden.
Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 %, be- sonders bevorzugt mehr als 2 % des radialen Abstandes zwischen dem ferromagne- tisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes und der Achse.
Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem thermisch leitfä- higen Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 %, besonders bevorzugt mehr als 2 % des radialen Abstandes zwischen dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes und der Achse.
Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 mm: weiter bevorzugt mehr als 2 mm. Der radiale Abstand zwi- schen dem Magnetisierungsbereich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt weniger als 10 mm. Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 mm: weiter bevorzugt mehr als 2 mm. Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenele- mentes beträgt bevorzugt weniger als 10 mm.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem fer- romagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Abschnittes konstant
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ändert sich der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbe- reich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes in- nerhalb des axial mittleren Abschnittes in axialer Richtung, wobei diese Änderung be- vorzugt linear ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Masch inenele- mentes ist der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem ther- misch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Ab- schnittes konstant.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ändert sich der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbe- reich und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Abschnittes in axialer Richtung, wobei diese Änderung bevorzugt linear ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes umgibt der ferromagnetisch ausgebildete Bereich den Magnetisierungsbereich umfänglich. Bevorzugt umschließt der ferromagnetisch ausgebildete Bereich den Magnetisierungsbereich umfänglich. Dabei ist der ferromagnetisch ausgebildete Be- reich radial außen angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes umgibt der thermisch leitfähige Bereich den Magnetisierungsbereich umfäng- lich. Bevorzugt umschließt der thermisch leitfähige Bereich den Magnetisierungsbe- reich umfänglich. Dabei ist der thermisch leitfähige Bereich radial außen angeordnet
Der Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes ist bevorzugt rotationssymmet- risch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Symmetrie- achse des Magnetisierungsbereiches bildet. Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes ist bevorzugt ro- tationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Symmetrieachse des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches des Maschinenele- mentes bildet. Der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes ist bevorzugt rotations- symmetrisch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Sym- metrieachse des thermisch leitfähigen Bereiches des Maschinenelementes bildet.
Das erfindungsgemäße hohle Maschinenelement ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Achse auch gleichzeitig eine Symmetrieachse bildet.
Der Magnetisierungsbereich besitzt bevorzugt die Grundform eines Hohlzylinders: insbesondere die Grundform einer Hülse. Die Achse des Maschinenelementes bildet auch die Achse des Hohlzylinders.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der Magnetisierungsbereich an zwei den axial mittleren Abschnitt ein- schließenden axialen Positionen jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ferro- magnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden. Folglich ist der Magnetisierungsbereich bevorzugt an seinen axialen Enden fest mit dem ferro- magnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden, sodass die von außen auf das Maschinenelement wirkende Kraft bzw. das von außen auf das Maschinenelement wirkende Moment jedenfalls auch auf den Magnetisierungsbereich wirkt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der Magnetisierungsbereich an zwei den axial mittleren Abschnitt ein- schließenden axialen Positionen jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ther- misch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes verbunden. Folglich ist der Mag- netisierungsbereich bevorzugt an seinen axialen Enden fest mit dem thermisch leitfä- higen Bereich des Maschinenelementes verbunden, sodass die von außen auf das Maschinenelement wirkende Kraft bzw. das von außen auf das Maschinenelement wirkende Moment jedenfalls auch auf den Magnetisierungsbereich wirkt.
Die die Grundform des MagnetiSierungsbereiches bildende Hülse weist an einem oder an beiden ihrer axialen Enden bevorzugt eine radial nach innen oder radial nach au- ßen ragende ringförmige Verstärkung auf. über die sie fest mit dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden ist. Durch die eine ring- förmige Verstärkung bzw. durch die beiden ringförmigen Verstärkungen kann die radi- ale Beabstandung im axial mittleren Abschnitt aufwandsarm gewährleistet werden, da der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes lediglich mit einer zylinderförmigen inneren Wandung ausgebildet werden muss.
Die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse weist an einem oder an beiden ihrer axialen Enden bevorzugt eine radial nach innen oder radial nach au- ßen ragende ringförmige Verstärkung auf. über die sie fest mit dem thermisch leitfähi- gen Bereich des Maschinenelementes verbunden ist. Durch die eine ringförmige Ver- stärkung bzw. durch die beiden ringförmigen Verstärkungen kann die radiale
Beabstandung im axial mittleren Abschnitt aufwandsarm gewährleistet werden, da der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes lediglich mit einer zylinderför- migen inneren Wandung ausgebildet werden muss.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ferromagnetisch ausgebil- deten Bereich des Maschinenelementes bzw. mit dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes verbunden. Die beiden festen Verbindungen können jeweils an einer Außenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebil- det sein. Die beiden festen Verbindungen können jeweils durch einen Stoffschluss. durch einen Kraftschluss oder durch einen Formschluss gebildet sein. Bevorzugt sind die beiden Verbindungen jeweils durch eine Schweißverbindung, durch eine Wider- standschweißverbindung, durch eine Kondensatorimpulsschweißverbindung oder durch eine Aufschrumpfverbindung gebildet. Der Formschluss ist bevorzugt durch ei- ne Verzahnung, beispielsweise durch eine Radialverzahnung gebildet Grundsätzlich können die beiden festen Verbindungen von unterschiedlicher Art sein oder auch je- weils durch eine Kombination von Verbindungsarten gebildet sein.
Bei bevorzugten Ausfuhrungsformen des erf.ndungsgemaßen hohler" Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils fest im ferromag netisch ausgebildeten Bereich des Maschinen- elementes eingespannt. Diese beiden Einspannungen können jeweils an einer Au- ßenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebildet sein Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils fest im thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes eingespannt Diese beiden Einspannungen können jeweils an einer Außenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebildet sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes weist der ferromag netisch ausgebildete Bereich zumindest dort, wo er den Magnetisierungsbereich umgibt, die Grundform eines Hohlzylinders auf, innerhalb dessen der Magnetisierungsbereich angeordnet ist. Der die Grundform des ferromag- netisch ausgebildeten Bereiches bildende Hohlzylinder weist einen Innendurchmesser auf. der bevorzugt größer als der Außendurchmesser des Magnetisierungsbereiches ist. damit der Magnetisierungsbereich radial beabstandet zu dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes angeordnet ist. Die Differenz der ge- nannten Durchmesser bestimmt den radialen Abstand. Der Innendurchmesser des die Grundform des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches bildenden Hohlzylinders ist bevorzugt mehr als 2 mm. weiter bevorzugt mehr als 4 mm größer als der Außen- durchmesser des Magnetisierungsbereiches.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes weist der thermisch leitfähige Bereich zumindest dort, wo er den Magnetisie- rungsbereich umgibt, die Grundform eines Hohlzylinders auf. innerhalb dessen der Magnetisierungsbere'ch angeordnet ist. Der die Grundform des thermisch leitfähigen Bereiches bildende Hohlzylinder weist einen Innendurchmesser auf. der bevorzugt größer als der Außendurchmesser des Magnetisierungsbereiches ist. damit der Mag- netisierungsbereich radial beabstandet zu dem thermisch leitfähigen Bereich des Ma- schinenelementes angeordnet ist Die Differenz der genannten Durchmesser be- stimmt den radialen Abstand Der Innendurchmesser des die Grundform des tner- misch leitfahigen Bereiches bildenden Hohlzylinders ist bevorzugt mehr ais 2 mm. weiter bevorzugt mehr als 4 mm größer als der Außendurchmesser des Magnetisie- rungsbereiches.
Der Magnetisierungsbereich ist innerhalb des axial mittleren Abschnittes bevorzugt vollständig umfänglich radial beabstandet zu dem ferromag netisch ausgebildeten Be- reich des Maschinenelementes angeordnet.
Der Magnetisierungsbereich ist innerhalb des axial mittleren Abschnittes bevorzugt vollständig umfänglich radial beabstandet zu dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich ein magnetisch isolierender Ab- Standshohlraum angeordnet Der Abstandshohlraum weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf, dessen Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm. weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt. Im Abstandshohlraum befindet sich bevorzugt ein Gas. wie z. B. Luft, oder ein Vakuum. Das Gas bzw. das Vakuum ist magnetisch nicht leitend und nicht magnetostriktiv.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich eine magnetisch isolieren- de Abstandsschicht angeordnet. Die Abstandsschicht besteht aus einem magnetisch nicht leitenden und bevorzugt nicht magnetostriktiven Material. Die Abstandsschicht besteht bevorzugt aus einem thermisch isolierenden Material. Der Magnetisierungsbe- reich. die Abstandsschicht und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bilden somit bevorzugt drei aufeinanderfolgende Schichten eines Schichtaufbaus des Maschinen- elementes.
Die Abstandsschicht weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf dessen
Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm weiter bevorzugt mindestens 2 mm betragt Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem thermisch leitfähigen Bereich ein thermisch isolierender Abstandshohlraum angeordnet. Der Abstandshohlraum weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf. dessen Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm, weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt. Im Abstandshohlraum befindet sich bevorzugt ein Gas. wie z. B. Luft, oder ein Vakuum. Das Gas bzw. das Vakuum ist thermisch nicht bzw. kaum leitend.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem thermisch leitfähigen Bereich eine thermisch isolierende Abstands- schicht angeordnet. Die Abstandsschicht besteht aus einem thermisch nicht leitenden Material, dessen Wärmeleitfähigkeit bevorzugt weniger als 0,1 W/(m K): weiter bevor- zugt weniger als 0,05 W/(m-K) beträgt. Der Magnetisierungsbereich, die Abstands- schicht und der thermisch leitfähige Bereich bilden somit bevorzugt drei aufeinander- folgende Schichten eines Schichtaufbaus des Maschinenelementes.
Die Abstandsschicht weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf. dessen
Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm, weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die kleiner ist als die Wanddicke des ferromagnetisch ausgebildeten Be- reiches in diesem axialen Abschnitt. Weiter bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbe- reich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als halb so groß wie die Wanddicke des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist Besonders bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als 20 % der Wanddicke des ferro- magnetisch ausgebildeten Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die kleiner ist als die Wanddicke des thermisch leitfähigen Bereiches in diesem axialen Abschnitt. Weiter bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als halb so groß wie die Wanddicke des thermisch leitfähigen Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist. Be- sonders bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Ab- schnitt eine Wanddicke, die weniger als 20 % der Wanddicke des thermisch leitfähi- gen Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist.
Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des hohlen Maschinenelementes bzw. der thermisch leitfähige Bereich des hohlen Maschinenelementes bildet besonders bevor- zugt eine Hauptkomponente des Maschinenelementes, welche für die originäre Funk- tion des Maschinenelementes zur Übertragung der mindestens einen Kraft und/oder des mindestens einen Momentes ausgebildet ist. Der Magnetisierungsbereich bildet hingegen einen Primärsensor der Anordnung zur Messung der wirkenden Kraft oder des wirkenden Momentes.
Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich, d h die Hauptkomponente des Maschi- nenelementes weist eine Magnetostriktivität auf. die bevorzugt kleiner als die
Magnetostriktivität des Magnetisierungsbereiches ist. Der ferromagnetisch ausgebilde- te Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschinenelementes weist besonders be- vorzugt keine oder nur eine kleine Magnetostriktivität auf.
Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschi- nenelementes besteht bevorzugt aus einem Stahl. In diesem Fall stellt der ferromag- netisch ausgebildete Bereich gleichzeitig auch den thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes dar.
Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Zumindest weisen der Mag- netisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich Ausdehnungskoef- fizienten auf. die sich bevorzugt um weniger als 10 % voneinander unterscheiden.
Der MacjnetiS:erur.gsbereicn und ae.' ferromagiietiscn ausgebildete Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Elastizitätsmodul auf. Zumindest weisen der Magnetisie- rungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich Elastizitätsmodule auf. die sich bevorzugt um weniger als 30 % voneinander unterscheiden.
Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bestehen bevorzugt überwiegend aus demselben Stoff, welcher bevorzugt durch Eisen gebildet ist.
Der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Zumindest weisen der Magnetisie- rungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich Ausdehnungskoeffizienten auf. die sich bevorzugt um weniger als 10 % voneinander unterscheiden.
Der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Elastizitätsmodul auf Zumindest weisen der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich Elastizitätsmodule auf. die sich bevorzugt um weniger als 30 % voneinander unterscheiden.
Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bzw. der thermisch leitfähige Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschinenelementes ist bevorzugt axial länger als der Magnetisierungsbereich. Beispielsweise ist der Magnetisierungsbereich in Form einer hülsenartigen inneren Schicht axial einseitig im Maschinenelement ausgebildet.
Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt magnetisch leitend. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magne- tisiert sein. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt jedoch durch mindestens eine Permanentmagnetisierung permanentmagnetisiert. sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist Bei alternativen Ausführungsformen ist der Magnetisierungsbereich temporär magnetisierbar. beispielsweise durch einen Elektromagneten oder durch einen Dauermagneten, welcher eine Komponente der Anordnung zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet. Der Magnetisie- rungsbereicn muss n.cht vollständig durcn die Permarentmagnetisierung magnetisiert sein bzw. vollständig temporär magnetisierbar sein. Es können somit magnetisch neutrale Abschnitte des Magnetisierungsbereiches vorhanden sein, beispielsweise als axiale Abschnitte
Die mindestens eine Permanentmagnetisierung ist bevorzugt umlaufend um die Ach- se ausgerichtet, sodass sie in tangentialer Richtung ausgebildet ist. Der Magnetisie- rungsbereich kann auch mehrere der umlaufenden Permanentmagnetisierungen auf- weisen, welche als Spuren ausgebildet sind, wobei die Polarität der mehreren umlau- fenden Permanentmagnetisierungen abwechselnd ausgerichtet sein kann. Das Maschinenelement weist bevorzugt die äußere Grundform eines Prismas oder ei- nes Zylinders auf. wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeord- net ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die äußere Grundform eines geraden Kreiszylinders auf, wo- bei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausfüh- rungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Insofern sich der Hohlraum über die gesamte axiale Länge des Maschinenelementes erstreckt, besitzt es bevorzugt die Form eines Hohlzylinders.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine partiell hohle Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine zumindest partiell hohle Schaltgabel oder durch einen Hohl- flansch gebildet. Die partiell hohle Welle, die Hohlwelle, die partiell hohle Schaitgabel bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momen- te ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein Grundsätzlich kann das hohle Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die tangentiale Richtung und die radiale Richtung sind auf die Achse des hohlen Maschinenelementes bezo- gen.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraf: und'oder eines Mo- mentes an dem erfindungsgemäßen hohlen Maschirienelement. Die Kiaft bzw. das Moment wirkt auf das hohle Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Span- nungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die An- ordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, der in dem Hohlraum des Maschinenelementes angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekun- därsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht. Die erfindungsgemäße Anordnung dient bevorzugt zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einer der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemä- ßen hohlen Maschinenelementes. Das Maschinenelement bzw dessen bevorzugte Ausführungsform bildet eine Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Der Magnetfeldsensor ist alternativ bevorzugt durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersen- sor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, inso- fern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.
Weitere Einzelheiten. Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, un- ter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen.
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hohlen
Maschinenelementes:
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen hohlen
Maschinenelementes. Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen
Masch:nene!ementes. Fig. 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes: und
Fig 5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen
Maschinenelementes.
Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in Form eines Hohlflansches in einer Querschnittsansicht. Das hohle Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse 01. Das hohle Maschinenele- ment ist rotationssymmetrisch um die Achse 01 ausgebildet.
Das hohle Maschinenelement umfasst eine ferromagnetische Hauptkomponente 02 aus einem Stahl, sodass diese auch einen thermisch leitfähigen Bereich des hohlen Maschinenelementes darstellt. Die ferromagnetische Hauptkomponente 02 ist dazu ausgebildet, die vom hohlen Maschinenelement zu übertragenden Kräfte und/oder Momente aufzunehmen und weiterzuleiten.
Die ferromagnetische Hauptkomponente 02 ist überwiegend hohlzylindrisch ausgebil- det, wobei im Inneren der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 ein hülsenartiger Magnetisierungsbereich 03 angeordnet ist. der ebenfalls einen Bestandteil des hohlen Maschinenelementes bildet Im Inneren des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03 ist ein zylinderförmiger Hohlraum 04 ausgebildet, der auch einen Hohlraum des Maschinenelementes bildet und in welchem ein Magnetfeldsensor (nicht gezeigt) an- geordnet ist.
Der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 weist an einem ersten axialen Ende eine ringförmige Verstärkung 06 auf. welche radial nach außen gerichtet ist Der hülsenar- tige Magnetisierungsbereich 03 weist an einem zweiten axialen Ende eine ringförmige Verstärkung 07 auf. welche radial nach innen gerichtet ist. Der hülsenartige Magneti- sierungsbereich 03 ist ausschließlich über die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 mit der ferromagnetische Hauptkomponente 02 mechanisch fest verbunden Die mecha- nischen Verbindungen können auf einem Stoff-. Kraft- oder Formschluss beruhen. Da die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenartigen Mag- netisierungsbereiches 03 angeordnet sind, werden die auf die ferromagnetische Hauptkomponente 02 wirkenden Kräfte und/oder Momente weitestgehend auch auf den hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 übertragen.
Zwischen den ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenar- tigen Magnetisierungsbereiches 03 ist ein axial mittlerer Abschnitt 08 vorhanden, in welchem zwischen dem hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 und der ferromag- netischen Hauptkomponente 02 eine magnetisch isolierende Abstandsschicht 09 an- geordnet ist. Statt der magnetisch isolierenden Abstandsschicht 09 kann dort auch ein magnetisch isolierender Abstandshohlraum (nicht gezeigt) angeordnet sein.
Das hohle Maschinenelement weist keinen Hinterschnitt auf. sodass der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 bei der Fertigung des Maschinenelementes problemlos in die ferromagnetische Hauptkomponente 02 eingeführt und dort befestigt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 1 ge- zeigten Ausführungsform fehlt die ringförmige Verstärkung 07 am zweiten axialen En- de des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03. Stattdessen weist die ferromag- netische Hauptkompnnente 02 an riiesor axialen Position eine ringförmige Verstär- kung 1 1 auf. um den hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 dort von außen einzu- spannen. Somit weist d.e ferromagnetische Hauptkomponente 02 im Bereich der nng- förmigen Verstärkung 1 1 einen kleineren Innendurchmesser auf, um den hülsenarti- gen Magnetisierungsbereich 03 fest aufzunehmen, was eine Alternative zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform darstellt, bei welcher der hülsenartige Magnetisie- rungsbereich 03 die ringförmige Verstärkung 07 aufweist, die von innen durch die fer- romagnetische Hauptkomponente 02 fest aufgenommen wird.
Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen hohlen
Maschinerielementes in einer Querschn iisansicht Diese Ausfuhrungsfomi gleicht zu- nächst der in Fig. 2 gezeigten Ausfühiunyssfomi. Im Unterschied zu der in Fig 2 ge- zeigten Ausführungsform ist die Abstandsschicht 09 nicht hohlzylinderförmig. sondern hohlkegelstumpfförmig ausgebildet. Somit ändert sich der Abstand zwischen dem hül- senartigen Magnetisierungsbereich 03 und der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 in axialer Richtung.
Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 3 ge- zeigten Ausführungsform weist der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 die in Fig. 1 gezeigte ringförmige Verstärkung 07 am zweiten axialen Ende auf. die jedoch stirnseitig mechanisch fest mit der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 verbun- den ist. Die mechanischen Verbindungen können beispielsweise durch Widerstands- schweißverbindungen oder durch Kondensatorimpulsschweißverbindungen gebildet sein.
Fig. 5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 4 ge- zeigten Ausführungsform sind die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03 zusätzlich durch formschlüssi- ge Verbindungen 12 mechanisch fest mit der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 verbunden.
Bezuqszeichenliste
01 Achse
02 ferromag netische Hauptkomponente aus Stahl
03 hülsenartiger Magnetisierungsbereich
04 zylinderförmiger Hohlraum
05
06 ringförmige Verstärkung
07 ringförmige Verstärkung
08 axial mittlerer Abschnitt
09 magnetisch isolierende Abstandsschicht 10
11 ringförmige Verstärkung
12 formschlüssige Verbindung

Claims

Patentansprüche 1 . Hohles Maschinenelement zur Übertragung einer Kraft und/oder eines Momen- tes: wobei sich das Maschinenelement in einer Achse (01) erstreckt, einen sich in der Achse (01) erstreckenden Hohlraum (04) aufweist und als eine Kompo- nente einer Anordnung zur Messung der wirkenden Kraft oder des wirkenden Momentes ausgebildet ist. wofür das Maschinenelement zumindest einen Mag- netisierungsbereich (03) für eine Magnetisierung umfasst, der aus einem magnetostriktiven Material besteht: wobei durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar ist; und wobei der Magnetisierungsbereich (03) zum Hohlraum (04) hin ausgerichtet ist. dadurch gekennzeichnet, dass der Magne- tisierungsbereich (03) einen axial mittleren Abschnitt (08) aufweist, in welchem der Magnetisierungsbereich (03) radial beabstandet zu einem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder radial beabstandet zu einem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschinenelementes angeordnet ist. 2. Hohles Maschinenelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich (03) und dem ferro- magnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschmcnclementcs mehr als 1 % des radialen Abstandes zwischen dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes und der Achse (01 ) beträgt. 3. Hohles Maschinenelement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet dass der ferromagnetisch ausgebildete Bereich (02) des Maschinenelementes oder dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschinenelementes den Mag- netisierungsbereich (03) umfänglich umschließt. 4. Hohles Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch ge- kennzeichnet, dass der Magnet sierungsbereich (3) a.e Grundform. einer Hulse aufweist. 5. Hohles Maschinenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Grundform des Magnetisierungsbereiches (03) bildende Hülse an einem oder an beiden ihrer axialen Enden eine radial nach innen oder radial nach au- ßen ragende ringförmige Verstärkung (06: 07) aufweist, über die sie fest mit dem ferromag netisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschinenelementes verbunden ist. 6. Hohles Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Magnetisierungsbereich (03) an zwei den axial mittleren Bereich (08) einschließenden axialen Positionen durch jeweils eine Verbindung (12) fest mit dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinen- elementes oder mit dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschinenele- mentes verbunden ist. 7. Hohles Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch ge- kennzeichnet, dass im axial mittleren Abschnitt (08) des Magnetisierungsberei- ches (03) ein magnetisch isolierender Abstandshohlraum zwischen dem Magne- tisierungsbereich (03) und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Maschi- nenelementes angeordnet ist. 8. Hohles Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch ge- kennzeichnet, dass im axial mittleren Abschnitt (08) des Magnetisierungsberei- ches (03) eine magnetisch isolierende Abstandsschicht (09) zwischen dem Mag- netisierungsbereich (03) und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich (02) des Maschinenelementes oder dem thermisch leitfähigen Bereich (02) des Ma- schinenelementes angeordnet ist. 9. Hohles Maschinenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungsbereich (03). die Abstandsschicht (09) und der ferromagne- tisch ausgebildete Bereich (02) oder der thermisch leitfähige Bereich (02) drei aufeinanderfolgende Schichter. eines Sch chtaufbaues des Maschinenelementes bilden. 10. Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes mit einem hohlen Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9. in dessen Hohlraum (04) mindestens ein Magnetfeldsensor angeordnet ist.
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