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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines an einem Träger befestigten
Magneten hinsichtlich seiner Haftkraft. Weiterhin betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens.
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Insbesondere
sind das Verfahren und die Vorrichtung geeignet zur Prüfung multipolar
magnetisierter Encoder, welche beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik
für Drehzahlmessungen
eingesetzt werden.
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Ein
multipolar magnetisierter Encoder umfasst im Allgemeinen einen Träger, z.B.
aus Blech oder Kunststoff, und ein meist ringförmiges Magnetflächenelement
aus einem Magnetwerkstoff. Auf dem ringförmigen Magnetflächenelement
ist eine streifenförmige
Magnetisierung eingeprägt,
bei der sich Nord- und Südpole
mit mehr oder weniger kleinen Teilungsabständen abwechseln. Das Magnetflächenelement
wird meist durch Kleben auf den Träger aufgebracht. Die Haftkraft
zwischen Träger
und Magnetwerkstoff darf ein vom Einsatzfall abhängiges Mindestmaß, die so
genannte Mindesthaftkraft, nicht unterschreiten, um die Beschädigung oder
Zerstörung des
Encoders unter Einsatzbedingungen zu vermeiden.
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Die
Einhaltung der Mindesthaftkraft wird im Stand der Technik stichprobenartig überprüft, indem der
Magnet mit einer großen
Kraft vom Träger
abgedrückt
wird. Nachteilig bei dieser Prüfung
ist es, dass der Prüfling
zerstört
wird, so dass keine hundertprozentige Prüfung möglich ist. Problematisch bei
dem bekannten Verfahren ist es außerdem, dass die Geometrie
der multipolaren Encoder im Allgemeinen ein sicheres Abdrücken oder
Greifen und Ziehen des Magneten verhindert, ohne den Träger oder
eine eventuelle Zwischenschicht dabei zu beschädigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zerstörungsfreie Prüfung eines
Magneten hinsichtlich seiner Mindesthaftkraft zu ermöglichen.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine vollständige Prüfung aller
Teile ohne großen
Aufwand zu gestatten. Vorteilhaft ist es, wenn bei dieser Prüfung weitere
wichtige Funktionsmerkmale der Encoder überprüft werden können, wie zum Beispiel Schlag
oder Unebenheit der Oberfläche.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und
5 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass nunmehr eine serienmäßige Prüfung aller
Encoder oder vergleichbarer Elemente mit auf einem Träger aufgebrachter
Magnetfläche
erfolgen kann und somit die Auslieferung fehlerhafter Produkte ausgeschlossen
wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise abgelöste Magneten
nicht zerstört
werden, sondern erneut auf den Träger aufgebracht werden können. Besonders vorteilhaft
ist dies bei der Verwendung sehr teurer Magnetwerkstoffe, wie zum
Beispiel Neodym. Dadurch werden auch die Herstellungskosten und
Reklamationsfälle
gesenkt. Schließlich
wird es durch die Erfindung möglich,
nicht nur eine Aussage über
die Brauchbarkeit eines geprüften
Objekts zu treffen, sondern im Fehlerfall auch präzise Angaben über die Art
des Fehlers und dessen Maß machen
zu können.
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Erfindungsgemäß wird ein
Prüfstempel
verwendet, welcher aus einem magnetisierbaren oder magnetischen
Material hergestellt ist. Hierbei wird unter magnetisierbar auch
ein Eisenmaterial verstanden, welches an einem Magneten haftet.
Ein Prüfobjekt,
welches aus einem Träger
und einem Magnetflächenelement
besteht, wird mit einem geeigneten Werkzeug eingespannt. Der Prüfstempel
wird auf den Magneten des Prüfobjekts
aufgesetzt. Dabei bedeckt der Prüfstempel
die Oberfläche
des zu prüfenden
Magnetflächenelements.
Durch die magnetischen Anziehungskräfte haftet der Prüfstempel
zunächst
am Magnetflächenelement.
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Die
Haltekraft zwischen dem Magnetflächenelement
und dem Prüfstempel
wird durch eine geeignete Materialwahl und Geometrie des Prüfstempels vorzugsweise
so ausgefegt, dass sie wenig oberhalb einer geforderten Mindesthaftkraft
des Magnetflächenelements
liegt.
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Nun
wird eine Zugkraft am Prüfstempel
eingeprägt.
Vorteilhafterweise wird die Zugkraft von Null aus dynamisch erhöht, bis
zu einer End-Zugkraft, die gleichgroß der geforderten Mindesthaftkraft
des Magnetflächenelements
gegenüber
dem Träger
ist. Vorteilhafterweise ist der Betrag der eingeprägten Zugkraft
rampenförmig.
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Bei
einer unzureichenden Verbindung zwischen Träger und Magnetflächenelement
löst sich das
Magnetflächenelement
bei Einwirkung der Zugkraft ganz oder teilweise vom Träger ab.
Bei starrer Kontaktfläche
zwischen Magnetflächenelement
und Prüfstempel
stellt sich durch die Verformung des Magnetflächenelements auch ein Luftspalt
zwischen Magnetflächenelement
und Prüfstempel
ein, der die Haltekraft zwischen Magneten und Prüfstempel verringert. Infolge
dessen löst
sich der Prüfstempel
vom Magneten, bevor die vorgegebene End-Zugkraft erreicht wurde.
Im Ergebnis der Prüfung
kann ein Prüfsignal
generiert werden, welches zumindest angibt, ob die der Mindesthaftkraft
gleichgroße
End-Zugkraft erreicht wurde, ohne dass sich der Prüfstempel
vom Magnetflächenelement
gelöst
hat oder ob die End-Zugkraft nicht erreicht wurde, da der Prüfstempel
vorzeitig abgerissen wurde, womit das geprüfte Teil als fehlerhaft zu
klassifizieren ist. Bei Erreichen der End-Zugkraft wird die Prüfung abgebrochen, sodass fehlerfreie
Teile nicht zerstört
werden.
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Ebenfalls
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
Unebenheiten in der Oberfläche
des Magnetflächenelements
detektiert werden, wenn eine starre Oberfläche des Prüfstempels gewählt wird.
Dann nämlich
stellt sich bei Unebenheiten der Magnetoberfläche ebenfalls ein Luftspalt
zwischen dem Magnetflächenelement
und dem Prüfstempel ein,
der die Haltekraft verringert. Auch hier wird sich der Prüfstempel
vor dem Erreichen der geforderten Mindesthaftkraft vom Prüfobjekt
lösen.
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Es
ist ebenso möglich,
dass die Ebenheit der Magnetoberfläche am Prüfobjekt für die Prüfung keine Rolle spielt. In
diesem Fall kann der Prüfstempel aus
einem flexiblen Material angefertigt werden, beispielsweise ein
weiches mit magnetisierbarem oder magnetischem Werkstoff angereichertes
Gummimaterial oder magnetisierbarer oder magnetischer Werkstoff
in Pulverform hinter einer flexiblen Folie.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann das Prüfobjekt
auch auf eine nicht rechtwinklige Ausrichtung zwischen der Ebene
des Magnetflächenelements
und der Drehachse der Encoderplatte (so genannter Schlag) überprüft werden.
Dazu weist der Prüfstempel
eine geeignete Führung
auf, die ein Verkippen des Prüfstempels
gegenüber
dem Prüfobjekt verhindert.
Bei großem
Schlag stellt sich wiederum ein Luftspalt zwischen Magnetflächenelement
und Stempel ein, der die Haltekraft zwischen Magnet und Prüfstempel
verringert, sodass sich der Prüfstempel vom
Prüfobjekt
löst, bevor
die End- Zugkraft
erreicht wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Eigengewicht des Prüfstempels
so ausgelegt sein, dass dessen Gewichtskraft knapp unterhalb der
Mindesthaftkraft des Magnetflächenelements
liegt. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Prüfung
eines Prüfobjektes.
Fällt der
Prüfstempel
nämlich
vom Prüfobjekt
ab, bevor der Prüfstempel
von der Maschine abgesetzt wird, so ist das Prüfobjekt fehlerbehaftet. Beim
Herabfallen des Prüfstempels
löst dieser
einen Endschalter aus, der gleichzeitig einen Fehler signalisiert.
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Um
ein Prüfobjekt
genau vermessen zu können,
sind in einer bevorzugten Ausführungsform Wegsensoren
am Prüfstempel
angeordnet, durch welche es möglich
ist, die Größe eines
auftretenden Luftspalts zu bestimmen, um daraus Rückschlüsse auf
den Fehler zu ziehen und ggf. die Fehlerstellen zu lokalisieren.
Dies ermöglicht
eine Beurteilung der Fehlerart des Prüfobjektes.
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Zur
Prüfung
eines multipolar magnetisierten Encoders kann der Prüfstempel
selbst multipolar magnetisiert sein. Dabei kann durch die Anzahl
der Polpaare die Haltekraft zwischen dem zu prüfenden Magnetflächenelement
und dem Prüfstempel
voreingestellt werden, welche erfindungsgemäß größer als die Mindesthaftkraft
zwischen Magnetflächenelement
und Träger
sein soll. Eine gleiche Polzahl gestattet hierbei eine maximale
Haltekraft. Für
eine gezielte Einstellung der Haltekraft weist der Prüfstempel
eine kleinere oder größere Polanzahl
als das Prüfobjekt
auf.
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Bei
der Verwendung eines multipolar magnetisierten Prüfstempels
ist es vorteilhaft, wenn der Prüfstempel
und/oder der Prüfling
reibungsarm und drehbar gelagert werden, damit sie sich zueinander so
ausrichten können,
dass sich die maximale Haltekraft einstellt.
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Bei
der Verwendung eines Prüfstempels
aus einem magnetisierbaren Material ist es vorteilhaft, wenn der
Prüfstempel
nach jeder Messung mit einer Entmagnetisierungsspule entmagnetisiert
wird, um weitere Messungen nicht zu verfälschen.
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Der
Fachmann kann geeignete Magnetmaterialien und Geometrien auswählen, um
die erforderliche Haltekraft für
eine erfolgreiche Prüfung
zu dimensionieren. Geeignete Magnetmaterialien sind beispielsweise
Neodym, Samarium Cobalt, AlNiCo und Ferrite.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte perspektivische Ansicht eines Mutipolencoders;
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2 eine
Prinzipskizze eines Prüfobjektes und
eines Prüfstempels
in Schnittdarstellung;
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3 den
Zustand während
einer Prüfung, wobei
das Prüfobjekt
eine unebene Oberfläche
besitzt;
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4 den
Zustand während
einer Prüfung bei
einem sich von einem Träger
ablösenden
Magnetflächenelement;
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5 den
Zustand während
der Prüfung
eines Prüfobjektes,
welches einen Schlag aufweist;
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6 ein
typischer Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie für Magnetmaterialien.
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1 zeigt
eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Multipolencoders 01.
Auf einem Träger 02,
z.B. aus einem metallischen Werkstoff, ist ein ringförmiges Magnetflächenelement 03 (nachfolgend auch
verkürzt
Magnet genannt) aufgebracht. Der Magnet 03 ist in Umfangsrichtung
in kleine Segmentabschnitte 04 unterteilt, welche eine
abwechselnde magnetische Polarität
aufweisen. Die Segmente 04 können einzelne Magnete sein
oder in einem einstückigen
Bauteil durch unterschiedliche Polarisierung ausgebildet werden.
Zwischen Träger 02 und
Magnet 03 befindet sich eine Verbindungsschicht, beispielsweise
eine Klebeschicht (nicht gezeigt), welche das Magnetflächenelement
so befestigen muss, dass die Verbindung dieser Bestandteile durch
Einleiten einer Mindesthaftkraft nicht aufgelöst werden kann.
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2 zeigt
ein Prüfobjekt 06 und
einen Prüfstempel 07 als
Prinzipskizze. Das Prüfobjekt 06 kann der
zuvor genannte Multipolencoder 01 oder ein ähnlich aufgebautes
Bauelement sein und umfasst den Träger 02 und den Magneten 03,
welcher sich in mehrere, alternierend polarisierte Segmentabschnitten 04 unterteilt.
Beim Prüfobjekt 06 soll
die Mindesthaftkraft des Magneten 03 am Träger 02 überprüft werden.
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Der
Prüfstempel 07 umfasst
in der dargestellten Ausführungsform
einen multipolar magnetisierten Prüfmagneten 08. Werden
nun Prüfobjekt 06 und
Prüfstempel 07 aufeinanderzubewegt,
so werden beide aufgrund einer magnetischen Anziehungskraft aneinander
haften, solange kein der magnetischen Anziehungskraft entgegenwirkende
und diese betragsmäßig übersteigenden
weitere Kraft auf das System einwirkt.
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3 zeigt
den Zustand während
einer Prüfung
des Prüfobjektes 06,
welches in diesem Fall eine unregelmäßigen, d.h. nicht völlig plane
Oberfläche
besitzt. Zwischen der Oberfläche
des Magneten 03 und der Oberfläche des Prüfmagneten 08 stellt sich
daher abschnittsweise ein Luftspalt 09 ein, welcher über die
Fläche
unterschiedlich stark ausgeprägt
ist.
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In
dieser Ausführungsform
besitzt der Prüfstempel 07 eine
starre Oberfläche.
Wird nun eine Zugkraft FZ in angegebener
Pfeilrichtung auf den Prüfstempel 07 ausgeübt, so wird
durch den Luftspalt 09 die Haltekraft zwischen den Oberflächen des
Magneten 03 und des Prüfmagneten 08 herabgesetzt. Dadurch
wird die Zugkraft FZ keine vorgegebene End-Zugkraft
erreichen, welche der geforderten Mindesthaftkraft entspricht. Der
Prüfstempel 07 wird
sich vor dem Erreichen der End-Zugkraft vom Prüfobjekt 06 ablösen. In
diesem Fall wird von einer nicht dargestellten Steuereinheit ein
Fehlersignal ausgegeben.
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Wenn
die Zugkraft FZ gemessen wird, die vom System
aufgenommen werden kann, bevor der Prüfstempel 07 abreißt, so ist
der maximale Wert dieser Kraft ein Maß für die Unebenheit der Oberfläche des
Magnetflächenelements 03.
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Die
Zugkraft kann variabel am Stempel 07 eingeleitet werden.
Bei einer einfachen Ausführungsform
wird die Zugkraft durch die Gewichtskraft des Stempels 07 gebildet,
die dabei nicht größer als
die Mindesthaftkraft sein soll. Um in diesem Fall den Prüfstempel
am Magneten 03 zu befestigen, genügt es, den Prüfstempel
an diesem anzusetzen. Allerdings muss der Prüfstempel nach erfolgter Prüfung wieder
gelöst
werden, ohne dass dabei die Mindesthaftkraft nennenswert überschritten
wird. Dies kann beispielsweise durch eine Querverschiebung des Stempels
erfolgen, um damit die wirkende Magnetkraft zu verringern. Am Prüfstempel
kann aber auch ein Elektromagnet als Prüfmagnet 08 verwendet
werden, der nach erfolgter Prüfung
abgeschaltet wird, um den Prüfstempel
vom Magneten zu lösen.
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In 4 ist
der Zustand bei der Prüfung
eines sich vom Träger 02 abschnittsweise
ablösenden Magneten 03 dargestellt.
Aufgrund schlechter Verklebung kann es beispielsweise passieren,
dass der Magnet 03 sich bei Einwirken der Zugkraft FZ teilweise vom Träger 02 löst, bevor
die gewünsch te
Mindesthaftkraft erreicht ist. Dadurch stellt sich zunächst eine Lücke zwischen
dem Magneten 03 und dem Träger 02 ein und infolgedessen
entsteht wiederum ein Luftspalt 09 zwischen den Oberflächen des
Magneten 03 und des Prüfmagneten 08,
welcher die maximale Haltekraft wischen den beiden Magneten 03 und 08 verringert,
so dass die vorgegebene End-Zugkraft nicht erreicht werden kann
und der Prüfstempel sich
vorzeitig vom Prüfobjekt
ablösen
wird.
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Ein
Ablösen
des Prüfstempels
vom Prüfobjekt
vor Erreichen der Mindesthaftkraft, die der vorgegebenen End-Zugkraft
entspricht, dokumentiert zunächst,
dass das Prüfobjekt
fehlerhaft ist. Wenn zusätzlich
der Betrag der beim Ablösen
erreichten Zugkraft bestimmt wird, kann dieser als Maß zur Bestimmung
der Größe des Fehlerbereichs
herangezogen werden. Ermittelt man darüber hinaus nicht nur die Zugkraft
sondern auch den vom Prüfstempel
vor dem Abreißen
zurückgelegten
Weg, lassen sich daraus weiter Informationen zu Art und Größe der Defektstellen
ableiten.
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5 stellt
den Zustand dar, welcher eintritt, wenn das Prüfobjekt 06 durch Schlag
verformt ist. Wenn dieser Fehler geprüft werden soll, muss der Prüfstempel 07 durch
eine Führung 11 gegen
ein Verkippen gesichert werden. Der sich wiederum einstellende Luftspalt 09 wird
ein Erreichen der vorgegebenen End-Zugkraft verhindern.
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Bei
Bedarf müssen
an ein und demselben Prüfobjekt
mehrere Messungen mit jeweils angepassten Messbedingungen ausgeführt werden.
Beispielsweise kann in einem ersten Schritt der Prüfstempel 07 mit
mehreren Freiheitsgraden gelagert werden, sodass sich der Prüfstempel 07 optimal
an der Oberfläche
des Magnetflächenelements 03 anlegen
kann. Wird in dieser Anordnung die vorgegebene End-Zugkraft erreicht,
ist damit die sichere Verbindung zwischen Magnetflächenelement 03 und
Träger 02 belegt,
da die Mindesthaftkraft bei der Prüfung aufgebracht werden konnte.
Wenn dabei Unebenheiten der Oberfläche unberücksichtigt bleiben sollen, muss
zu nächst
mit einer flexiblen Oberfläche
am Prüfmagneten 08 gearbeitet
werden.
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In
einem nächsten
Schritt lässt
sich das Prüfobjekt 06 auf
Unebenheiten in der Oberfläche
untersuchen, indem mit einer starren Oberfläche am Prüfmagneten 08 erneut
eine Prüfung
ausgeführt
wird. Schließlich
kann in einem dritten Prüfschritt
die Beweglichkeit des Prüfstempels
durch Sperren eines Freiheitsgrades eingeschränkt werden, sodass die aufgrund
eines Schlags auftretenden Fehler ermittelt werden können.
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In 6 ist
ein typischer Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie für eine Magnetanordnung
dargestellt. Die Haltekraft des Magneten ist bei einer direkten
Auflage des Magneten auf einer Haftfläche am größten, und nimmt mit zunehmendem
Luftspalt sehr stark ab. Die Maximalhaltekraft bei einem Luftspalt gleich
Null ist abhängig
vom verwendeten Magnetwerkstoff.
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Abschließend ist
darauf hinzuweisen, dass die beschriebenen Prüfmethoden nicht nur an den genannten
Encodern angewendet werden können. Generell
lassen sich auf diese Weise verschiedene Fehler an beliebigen magnetischen
Bauelementen untersuchen.
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- 01
- Multipolencoder
- 02
- Träger
- 03
- Magnetflächenelement/Magnet
- 04
- Segmentabschnitt
- 05
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- 06
- Prüfobjekt
- 07
- Prüfstempel
- 08
- Prüfmagnet
- 09
- Luftspalt
- 10
-
- 11
- Führung