DE102016200144B3 - Verfahren und Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes an einem eine Öffnung aufweisenden Maschinenelement - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01). Das Maschinenelement (01) weist eine Öffnung (04) auf, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist. Das Maschinenelement (01) weist weiterhin mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12), welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, sodass einer Messung unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes ermöglicht ist. Die mit den Magnetfeldsensoren (11, 12) messbaren Richtungskomponenten sind jeweils unterschiedlich ausgerichtet. Die Magnetfeldsensoren (11, 12) sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, welches einen Magnetisierungsbereich für eine sich um eine Öffnung im Maschinenelement herum erstreckende Magnetisierung aufweist, sodass eine Messung unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes ermöglicht ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft bzw. das Moment auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement wirkt, welches einen Magnetisierungsbereich für eine sich um eine Öffnung im Maschinenelement herum erstreckende Magnetisierung aufweist.
• Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, 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 Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
• Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, 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 magnetoelastischen Messwandler umfasst, welcher eine umlaufende Magnetisierung besitzt. Zur Erzeugung der umlaufenden Magnetisierung kann eine Welle in Rotation versetzt werden, sodass durch einen Permanentmagnet oder durch eine Spule ein tangentiales Magnetfeld in der Welle erzeugt wird. Der Messwandler in Form eines Ringes kann auch dadurch polarisiert werden, dass ein elektrischer Leiter durch die Welle bzw. durch den Ring gefädelt und bestromt wird, wobei der Ring partiell in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit getaucht sein kann.
• Die WO 2015/039651 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Normalkraft oder eines Biegemomentes an einem Maschinenelement, bei welchem ein Sensorbereich durch eine Ausformung zur Wandlung der Normalkraft bzw. des Biegemomentes in eine Scherkraft begrenzt ist. Diese Ausformung kann die Form einer Vertiefung, einer Nut oder eines Loches haben.
• In der DE 198 21 381 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten an einer torsionsbelasteten Welle beschrieben, bei welcher die Welle strukturiert ist; beispielsweise durch auf ihrer Oberfläche verlaufende Vertiefungen. Die Welle befindet sich zumindest teilweise in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel zur Welle verlaufen.
• Die WO 2015/103267 A1 lehrt eine mit Zug- und Druckkräften belastete Platte, die eine kreisförmige Magnetisierung aufweist. Diese Magnetisierung wird dadurch erzeugt, dass die Platte in Rotation versetzt wird und ein Dauermagnet nahe der Platte angeordnet wird. Die Belastung der Platte wird durch unter 45° zur Kraftrichtung ausgerichtete Magnetfeldsensoren ermittelt.
• Die DE 10 2014 200 461 A1 lehrt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement, welches eine Permanentmagnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades erstreckt. Der Magnetisierungspfad kann sich umfänglich um eine Ausnehmung im Maschinenelement erstrecken. Bei der Ausnehmung kann es sich um eine Bohrung handeln, die radial im Maschinenelement angeordnet ist.
• In der EP 2 447 198 A1 ist eine Rolle beschrieben, die als Umlenkrolle für eine Bahn aus Papier, Stoff o. ä. dient. Die Rolle ist mit Sensoren bestückt, mit welchen die von der Bahn auf die Rolle ausgeübten Kräfte messbar sind. Hierzu ist die Welle mit Öffnungen versehen, in denen die Sensoren angeordnet sind. Bei den Sensoren kann es sich insbesondere um magnetoelastische Sensoren handeln. Die Sensoren besitzen eine Oberfläche, die parallel zur Außenfläche der Rolle liegt.
• In der DE 10 2013 211 000 A1 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement beschrieben. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die in axialer oder radialer Richtung ausgerichtet ist und in umfänglichen bzw. axialen Abschnitten ausgebildet ist. Zwischen den Abschnitten wechselt die Polarität der Permanentmagnetisierung. Das Maschinenelement ist bevorzugt hohlzylinderförmig. Die Magnetfeldsensoren sind zur Messung zumindest einer vektoriellen Komponente des aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes aus dem Maschinenelement austretenden Magnetfeldes ausgebildet. Mit dieser Anordnung können Biege- und Torsionsmomente sowie Querkräfte gemessen werden.
• Die DE 10 2014 219 336 B3 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, welches einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich besitzt. Die Anordnung umfasst weiterhin zwei Magnetfeldsensoren, die jeweils zur Messung unterschiedlicher Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind und die an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet sind. Es können Momente um drei Achsen und Normalkräfte längs zweier Achsen bestimmt werden. Zug- und Druckkräfte sind nicht ermittelbar.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung von Kräften und Momenten aufzuzeigen, bei welcher Kräfte und Momente in allen drei Raumrichtungen messbar sind.
• Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
• Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt auch eine Rotationsachse und/oder eine Symmetrieachse des Maschinenelementes.
• Das Maschinenelement weist mindestens eine Öffnung auf, welche eine Ausnehmung bzw. ein Loch im Maschinenelement darstellt. Die mindestens eine Öffnung ist bevorzugt durchgehend, sodass sie an einer Stelle des Maschinenelementes eintritt und an einer anderen Stelle des Maschinenelementes wieder austritt. Die mindestens eine Öffnung ist alternativ bevorzugt durch eine Vertiefung gebildet, die im Inneren des Maschinenelementes endet. Die mindestens eine Öffnung ist gegenüber der Achse zumindest geneigt, d. h., dass die Öffnung gegenüber der Achse geneigt ist oder senkrecht zur Achse angeordnet ist. Somit erstreckt sich die Öffnung in eine Richtung, die gegenüber der Achse zumindest geneigt ist. Die mindestens eine Öffnung, d. h. deren Richtung weist gegenüber der Achse einen Winkel auf, der größer als 0° ist und bevorzugt größer als 45° ist, wobei dieser Winkel bevorzugt 90° ist, sodass die Richtung der Öffnung senkrecht zur Achse steht. Jedenfalls verläuft die mindestens eine Öffnung nicht in axialer Richtung, sodass die Öffnung insbesondere nicht durch einen in der Achse verlaufenden Hohlraum gebildet ist.
• Das Maschinenelement weist mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung herum erstreckt. Sind mehrere der Öffnungen vorhanden, so ist bevorzugt für jede der Öffnungen ein Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung vorhanden, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die jeweilige der mehreren Öffnungen herum erstreckt. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes.
• Aufgrund der Neigung der Öffnung gegenüber der Achse weist die Magnetisierung eine Ausrichtung auf, die sich gegenüber der Achse entlang des Magnetisierungspfades ändert. Somit ändert sich auch die Ausrichtung des Magnetisierungspfades entlang seiner Erstreckung in Bezug auf die Achse. Es sind also Abschnitte des Magnetisierungspfades vorhanden, die in Bezug auf die Achse unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die Magnetisierung ist somit nicht grundsätzlich axial, nicht grundsätzlich in einem bestimmten Winkel geneigt zur Achse oder nicht grundsätzlich umfänglich ausgerichtet. Die Magnetisierung besitzt entlang ihrer Erstreckung unterschiedliche Ausrichtungen gegenüber der Achse. Der geschlossene Magnetisierungspfad kann beispielsweise vollständig auf der Oberfläche in einem umfänglichen Abschnitt des Maschinenelementes verlaufen. Durch die Änderung der Ausrichtung kann der Magnetisierungspfad innerhalb des umfänglichen Abschnittes geschlossen sein. Jedenfalls verläuft der Magnetisierungspfad nicht vollständig entlang eines Umfanges des Maschinenelementes, wofür er seine Ausrichtung gegenüber der Achse nicht ändern müsste. Die Magnetisierung ist bevorzugt durch einen magnetisierten dreidimensionalen Teilbereich des Volumens des Maschinenelementes gebildet, der die Form eines geschlossenen Seiles aufweist, wobei der Magnetisierungspfad eine mittlere Achse des Seiles darstellt. Der Magnetisierungspfad ist bevorzugt durch eine im Raum geschlossene dreidimensionale Kurve gebildet. Diese Kurve verläuft im Maschinenelement, insbesondere durch das Material des Maschinenelementes um die Öffnung herum. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve weist bevorzugt mindestens eine Symmetrieachse auf. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve ist bevorzugt achsensymmetrisch. Die Achse des Maschinenelementes ist bevorzugt außerhalb des geschlossenen Magnetisierungspfades bzw. außerhalb der geschlossenen Kurve angeordnet. Somit kann der Magnetisierungspfad nicht entlang eines Umfanges des Maschinenelementes geschlossen sein.
• Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine magnetisierte Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind jeweils zur einzelnen Messung zumindest einer ersten Richtungskomponente und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung der mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur einzelnen Messung der mindestens zwei Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Die mindestens zwei Richtungskomponenten sind jeweils unabhängig voneinander messbar. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Ebenso sind die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Somit können mit jedem der Magnetfeldsensoren unterschiedliche vektorielle Komponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes einzeln gemessen werden. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet. Somit weisen der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor unterschiedliche Drehwinkel gegenüber der Achse auf.
• Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass sie die Messung mehrerer vektorieller Komponenten, umfassend insbesondere eine Zugkraftkomponente der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und die Messung der vektoriellen Komponenten des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes erlaubt, da für alle diese vektoriellen Komponenten aus der um die Öffnung herum angeordneten Magnetisierung aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes ein Magnetfeld mit verschiedenen Richtungskomponenten austritt, die mit den beiden Magnetfeldsensoren messbar sind. Die Anordnung erlaubt somit eine multifunktionelle Messung.
• Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die mindestens eine Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Die eine Permanentmagnetisierung erstreckt sich bevorzugt ringförmig um die eine Öffnung herum bzw. die mehreren Permanentmagnetisierungen erstrecken sich bevorzugt jeweils ringförmig um die jeweilige der mehreren Öffnungen herum. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin einen Magnet zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der Magnet kann durch einen Permanentmagnet oder bevorzugt durch einen Elektromagnet gebildet sein.
• Der permanent oder temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereich bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.
• Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist bevorzugt einen kreisförmigen, einen langlochförmigen, einen ovalen oder einen ellipsenförmigen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt langlochförmig, wobei die Langlochform parallel zur Achse ausgerichtet ist.
• Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist in ihrem Querschnitt einen Durchmesser auf, der bevorzugt zwischen 10% und 70% der maximalen radialen Ausdehnung des Maschinenelementes beträgt. Insofern das Maschinenelement beispielsweise die äußere Form eines Primas aufweist, so ist die maximale radiale Ausdehnung bevorzugt durch die Länge einer Diagonalen im Querschnitt des Prismas gebildet. Insofern das Maschinenelement beispielsweise die äußere Form eines Zylinders aufweist, so ist die maximale radiale Ausdehnung bevorzugt durch einen Durchmesser des Zylinders gebildet.
• Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen erstrecken sich bevorzugt jeweils gerade in der Richtung ihrer Erstreckung. Somit ist die mindestens eine Öffnung bevorzugt nicht bogenförmig oder abgewinkelt ausgebildet.
• Besonders bevorzugt erstreckt sich die mindestens eine Öffnung senkrecht zur Achse des Maschinenelementes. Somit erstreckt sich die eine Öffnung bzw. erstrecken sich die mehreren Öffnungen jeweils in radialer Richtung.
• Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen weisen bevorzugt jeweils die Form eines geraden Zylinders auf. Es handelt sich dabei bevorzugt um Bohrungen.
• Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement mehrere der Öffnungen an einer gleichen axialen Position auf, wobei die Öffnungen gleichverteilt um die Achse herum angeordnet sind. Die Öffnungen sind bevorzugt gleich ausgebildet. Um jede der Öffnungen herum erstreckt sich eine der Magnetisierungen entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades. Die Magnetisierungen um jeweils zwei benachbarte der Öffnungen haben auf ihren Magnetisierungspfaden bevorzugt einen zueinander umgekehrten Umlaufsinn.
• Die an einer gemeinsamen axialen Position angeordneten Öffnungen führen erfindungsgemäß zu einer Verringerung der Belastbarkeit des Maschinenelementes hinsichtlich Kräften und Momenten. An der axialen Position der Öffnungen nehmen die Öffnungen einen Anteil am Umfang des Maschinenelementes ein, der bevorzugt mindestens 10% und weiter bevorzugt mindestens die Hälfte des Umfanges des Maschinenelementes beträgt. Dieses Merkmal kann alternativ dadurch beschrieben werden, dass das Maschinenelement wegen der Öffnungen in mehreren auf die Achse bezogenen angularen Abschnitten des Maschinenelementes nicht ausgebildet ist, wobei die Summe dieser angularen Abschnitte bevorzugt mindestens 36° und weiter bevorzugt mindestens 180° beträgt.
• Zwischen zwei benachbarten der Öffnungen, die an einer gleichen axialen Position angeordnet sind, ist jeweils ein auf die Achse bezogener angularer Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet, der als eine Dünnstelle angesehen werden kann. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig und bevorzugt auch in axialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen angeordnet; insbesondere wenn die Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung der axialen Richtungskomponente und der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet sind.
• Die Magnetfeldsensoren weisen in radialer Richtung bevorzugt jeweils einen geringen Abstand zu der jeweiligen der mehreren Dünnstellen auf, wobei die Magnetfeldsensoren radial außenliegend gegenüber der jeweiligen Dünnstelle oder radial innenliegend gegenüber der jeweiligen Dünnstelle in einem Hohlraum des Maschinenelementes angeordnet sein können.
• Die Eignung der Magnetfeldsensoren zur Messung unterschiedlicher Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei oder drei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer einzelnen der Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Die Magnetfeldsensorelemente müssen nicht in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt gleich ausgebildet, jedoch unterschiedlich ausgerichtet.
• Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung der radialen Richtungskomponente und der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet. Dabei umfassen die Magnetfeldsensoren bevorzugt jeweils zwei Magneteldsensorelemente, wobei jeweils eines der Magneteldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponente und eines der Magnetfeldsensorelemente zur Messung der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet ist. Die Magnetfeldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponenten sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig gegenüber der jeweiligen Dünnstelle und bevorzugt in axialer Richtung an einem axialen Ende der jeweiligen Dünnstelle angeordnet. Die Magnetfeldsensorelemente zur Messung der tangentialen Richtungskomponenten sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig und bevorzugt auch in axialer Richtung mittig gegenüber der jeweiligen Dünnstelle angeordnet.
• Die mit den Magnetfeldsensoren messbaren mindestens zwei Richtungskomponenten sind bevorzugt in Richtungen ausgerichtet, die aus der folgenden Gruppe von Richtungen ausgewählt sind: eine Richtung parallel zur Achse, d. h. eine axiale Richtung; eine Richtung radial zur Achse, d. h. eine radiale Richtung und eine Richtung tangential zur Achse, d. h. eine tangentiale Richtung.
• Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens einer der Magnetfeldsensoren zur mittelbaren Messung einer der Richtungskomponenten des Magnetfeldes ausgebildet. Beispielsweise kann die axiale Richtungskomponente des Magnetfeldes mittelbar dadurch gemessen werden, dass unmittelbar eine radiale Richtungskomponente des Magnetfeldes axial beabstandet zur ringförmigen Magnetisierung gemessen wird. Hierfür umfassen die Magnetfeldsensoren bevorzugt jeweils mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente, wobei eines der Magnetfeldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponente ausgebildet ist und bevorzugt in axialer Richtung an einem axialen Ende der ringförmigen Magnetisierung angeordnet ist.
• Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet, z. B. tangential und axial. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander.
• Die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Entsprechend sind auch die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der ersten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die axiale Richtungskomponente, während es sich bei der zweiten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die tangentiale Richtungskomponente handelt.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen dritten Magnetfeldsensor zur separaten Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor und mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den dritten Magnetfeldsensor.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen vierten Magnetfeldsensor zur einzelnen Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor, mit dem zweiten Magnetfeldsensor und mit dem dritten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den vierten Magnetfeldsensor.
• Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehr als vier der Magnetfeldsensoren umfassen.
• Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die mindestens zwei Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein, beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle gebildet ist.
• Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an der gleichen axialen Position wie die mindestens eine Öffnung und der mindestens eine Magnetisierungsbereich angeordnet und um die Achse herum verteilt angeordnet. Somit weisen die Magnetfeldsensoren die gleiche axiale Position wie die mindestens eine Öffnung und der mindestens eine Magnetisierungsbereich auf. Dabei sind die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bevorzugt um einen einzigen Punkt der Achse herum verteilt angeordnet.
• Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt um die Achse herum gleichverteilt angeordnet. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau zwei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen diese folglich einen Winkel von 180° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau drei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 120° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau vier der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung genau vier der Magnetfeldsensoren, die um die Achse herum gleichverteilt angeordnet sind.
• Das Maschinenelement besteht zumindest in dem mindestens einen Magnetisierungsbereich, d. h. in einem Bereich um die eine Öffnung herum bzw. um die mehreren Öffnungen herum aus einem ferromagnetischen und magnetostriktiven Material. Das Material des Maschinenelementes umfasst bevorzugt Eisen. Das Material des Maschinenelementes ist bevorzugt durch einen Stahl gebildet.
• Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas, eines Konus oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Konus bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Konus bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet.
• Die mittlere Achse des Zylinders bzw. des Konus stellt auch die Achse des Maschinenelementes dar.
• Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die äußere Grundform eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist.
• Das Maschinenelement ist bevorzugt hohl, wofür es einen sich zumindest teilweise in der Achse erstreckenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist insbesondere im Bereich der Achse ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich der Hohlraum über mehr als die Hälfte der axialen Länge des Maschinenelementes. Der Hohlraum ist bevorzugt an einem axialen Ende des Maschinenelementes offen. Er weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf. Das Maschinenelement kann aber auch ohne Hohlraum ausgebildet sein.
• Das hohle Maschinenelement stellt eine Wandung dar, die den Hohlraum und die Achse umschließt. Die mindestens eine Öffnung ist in der Wandung ausgebildet und verbindet den Hohlraum mit einem Bereich außerhalb des hohlen Maschinenelementes.
• Das hohle Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders, eines Hohlprismas oder eines Hohlkonus auf.
• Das hohle Maschinenelement in der bevorzugten Form des Hohlzylinders ist bevorzugt durch eine Hülse gebildet. Die mindestens eine Öffnung ist im Hülsenmantel bzw. im Hohlzylindermantel ausgebildet.
• Das erfindungsgemäße Maschinenelement ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Achse auch gleichzeitig eine Symmetrieachse bildet.
• Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine partiell hohle Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine zumindest partiell hohle Schaltgabel oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die partiell hohle Welle, die Hohlwelle, die partiell hohle Schaltgabel bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
• Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bzw. die von den Magnetfeldsensoren umfassten Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt jeweils durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung einer einzelnen oder mehrerer einzelner Richtungskomponenten des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die Kraft und/oder das Moment wirkt auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens eine Öffnung auf, die gegenüber der Achse zumindest geneigt ist. Weiterhin weist das Maschinenelement einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung herum erstreckt. Erfindungsgemäß erfolgt ein mittelbares Messen der Kraft bzw. des Momentes an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse. An diesen zwei Positionen werden jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt.
• Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es die flexible Messung sämtlicher Richtungskomponenten der auftretenden Kraft und des auftretenden Momentes ermöglicht.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt an der erfindungsgemäßen Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt. Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch diejenigen Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
• 1 ein Maschinenelement einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; und
• 2 das in 1 gezeigte Maschinenelement innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung.
• 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines hülsenförmigen Maschinenelementes 01 einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes am Maschinenelement 01. Im Inneren des hülsenförmigen Maschinenelementes 01 befindet sich ein Hohlraum 02. Das hülsenförmige Maschinenelement 01 weist eine Achse 03 auf, welche auch eine Symmetrieachse des Maschinenelementes 01 und dessen Hohlraum 02 darstellt.
• Das hülsenförmige Maschinenelement 01 weist vier gleich große langlochförmige Öffnungen 04 im Mantel seiner Hülsenform auf, die um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet sind, sodass der Mittelpunktswinkel zwischen jeweils zwei benachbarten der Öffnungen 04 immer 90° beträgt. Die Öffnungen 04 weisen eine gleiche axiale Position auf, sodass sie umfänglich benachbart sind.
• Die Öffnungen 04 sind in tangentialer Richtung so groß, dass zwischen zwei benachbarten der Öffnungen 04 jeweils nur eine schmale Dünnstelle 06 verbleibt. Die vier Dünnstellen 06 sind gleich groß.
• Das Maschinenelement 01 weist vier Permanentmagnetisierungen auf, die sich jeweils auf einem geschlossenen Magnetisierungspfad 07 um jeweils eine der vier Öffnungen 04 herum erstrecken. Die vier Permanentmagnetisierungen besitzen jeweils eine Magnetisierungsachse (nicht dargestellt), die vollständig senkrecht zur Umlaufrichtung des geschlossenen Magnetisierungspfades 07 ausgerichtet ist. Die vier Magnetisierungsachsen sind jeweils in radialer Richtung bezogen auf die Achse 03 ausgerichtet.
• Das Maschinenelement 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den magnetostriktiven Effekt aufweist.
• 2 zeigt das in 1 gezeigte Maschinenelement 01 innerhalb der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Ansicht von vorn und in einer Querschnittsansicht. Die Anordnung umfasst neben dem Maschinenelement 01 vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14, die umfänglich um das hülsenförmige Maschinenelement 01 herum angeordnet sind und einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen. Die vier Magnetfeldsensoren 1, 12, 13, 14 stehen jeweils einer der vier Dünnstellen 06 mittig gegenüber. Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet.
• Da die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 jeweils mittig in axialer Richtung und mittig in tangentialer Richtung der jeweiligen Dünnstelle 06 gegenüberstehen, stehen sie auch jeweils mittig in axialer Richtung und mittig in tangentialer Richtung zwischen zwei benachbarten der sich um die Öffnungen 04 herum erstreckenden Magnetisierungspfade 07 der Permanentmagnetisierungen.
• Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind beispielsweise jeweils durch einen Fluxgate-Sensor oder durch einen Hall-Sensor gebildet. Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind dazu ausgebildet, jeweils zwei Richtungskomponenten eines Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich eine axiale Richtungskomponente und eine tangentiale Richtungskomponente. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der genannten Richtungskomponenten umfassen.
• Es sind die drei kartesischen Richtungen x, y und z dargestellt, wobei die Achse 03 in der x-Richtung liegt. Es sind weiterhin für jeden der vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 die jeweils messbaren Richtungskomponenten des Magnetfeldes B angegeben. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen ersten Index auf, wobei a für die axiale Richtung und t für die tangentiale Richtung bezogen auf die Achse 03 steht. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen zweiten Index auf, welcher einen Drehwinkel α in Grad angibt. Der Drehwinkel α ist zwischen der Position des jeweiligen der Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 und der z-Achse aufgespannt. Da die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet sind, beträgt der Drehwinkel α = 0°, 90°, 180° bzw. 270°.
• Mit der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich sämtliche drei Richtungskomponenten M_x, M_y und M_z eines auf das Maschinenelement 01 wirkenden Momentes und sämtliche drei Richtungskomponenten F_x, F_y und F_z einer auf das Maschinenelement 01 wirkenden Kraft messen. Es gelten die folgenden Zusammenhänge: M_x = k₁·(B_t0 + B_t90 + B_t180 + B_t270) oder M_x = k₂·(B_t0 + B_t180) oder M_x = k₃·(B_t90 + B_t270) M_y = k₄·(B_a0 – B_a180) M_z = k₅·(B_a90 – B_a270) F_x = k₆·(B_a0 – B_a90 + B_a180 – B_a270) oder F_x = k₇·(B_a0 + B_a180) oder F_x = k₈·(B_a90 + B_a270) F_y = k₉·(B_t0 – B_t180) F_z = k₁₀·(B_t90 – B_t270) k₁, k₂, k₃, k₄, k₅, k₆, k₇, k₈, k₉, k₁₀: Konstanten
• Bezugszeichenliste

01

Maschinenelement

02

Hohlraum

03

Achse

04

Öffnung

05

06

Dünnstelle

07

Magnetisierungspfad

08

09

10

11

erster Magnetfeldsensor

12

zweiter Magnetfeldsensor

13

dritter Magnetfeldsensor

14

vierter Magnetfeldsensor

Claims (10)

1. Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist, wobei das Maschinenelement (01) weiterhin mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wobei die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, und wobei der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert ist, sodass die mindestens eine Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Permanentmagnetisierung ringförmig um die Öffnung (04) herum erstreckt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) mehrere der Öffnungen (04) aufweist, die an einer gleichen axialen Position und um die Achse (03) herum verteilt angeordnet sind, wobei sich um jede der Öffnungen (04) herum eine der mehreren Magnetisierungen erstreckt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten der mehreren Öffnungen (04) eine Dünnstelle (06) des Maschinenelementes (01) ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils in tangentialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen (06) angeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils in axialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen (06) angeordnet sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer der Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils messbaren Richtungskomponenten durch eine Richtungskomponente in einer Richtung senkrecht zur Achse (03) und durch eine Richtungskomponente in einer Richtung tangential zum Maschinenelement (01) gebildet sind.
10. Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft und/oder das Moment auf ein sich in einer Achse (03) erstreckendes Maschinenelement (01) wirkt, welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist, wobei das Maschinenelement (01) weiterhin einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt, und wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, in welchem ein Messen an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum erfolgt, an denen jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt werden.

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