DE102020117007A1

DE102020117007A1 - Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement und Fahrzeug mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102020117007A1
Application number: DE102020117007.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Hartmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US20230341278A1; WO2022002290A1; CN115917274A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement (01). Die Anordnung umfasst eine auf dem Maschinenelement (01) angeordnete Hülse (03), wobei die Hülse (03) einen magnetisierten Bereich (07) aufweist. Weiterhin umfasst die Anordnung einen der Hülse (03) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor sowie eine Zwischenhülse (02). Die Zwischenhülse (02) ist zwischen dem Maschinenelement (01) und der Hülse (03) angeordnet und weist an ihren beiden Endbereichen jeweils eine Erhebung (04) auf. Die Erhebungen (04) kommen an dem Maschinenelement (01) zum anliegen. Die Hülse (03) und die Zwischenhülse (02) sind drehfest miteinander verbunden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement (01).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement, wobei auf dem Maschinenelement eine Hülse mit magnetisiertem Bereich angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement.
Es sind Drehmomentmesssysteme für rotierende Maschinenelemente bekannt, welche auf Basis der inversen Magnetostriktion arbeiten. In einigen dieser Drehmomentmesssysteme können als Primärsensor magnetisierte Bauteile, wie eine mechanische Welle, ein Flansch oder eine Hülse auf einer Welle, zur Anwendung kommen. Diese magnetisierten Bauteile benötigen meist ein spezielles Sensormaterial.
Aus der DE 10 2017 127 547 A1 ist eine Drehmomentsensoranordnung mit einer bereichsweise magnetisierten Hülse bekannt. Die Anordnung dient der Ermittlung eines Drehmoments an einem Maschinenelement. Auf dem Maschinenelement ist die Hülse mit einem Magnetisierungsbereich angeordnet, wobei der Magnetisierungsbereich radial beabstandet zum Maschinenelement ist. Der Magnetisierungsbereich der Hülse erstreckt sich zwischen einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich der Hülse. Mittels der Endbereiche ist die Hülse mechanisch fest an dem Maschinenelement angebracht. Weiterhin umfasst die Anordnung einen ersten und einen zweiten Abstandsring, wobei beide Abstandsringe jeweils zwischen einem Endbereich der Hülse und dem Maschinenelement angeordnet und an diesem befestigt sind. Der Hülse gegenüberliegend ist mindestens ein Magnetfeldsensor angeordnet.
Die DE 10 2017 121 863 A1 beschreibt eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement. Die Anordnung umfasst einen Magnetfeldsensor und eine dem Magnetfeldsensor gegenüberliegende Hülse mit einem Magnetisierungsbereich. Die Hülse ist in zwei axial beabstandeten Befestigungsbereichen auf dem Maschinenelement befestigt. Axial zwischen den beiden Befestigungsbereichen ist ein Zwischenbereich ausgebildet, in welchem die Hülse drehbar angeordnet ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Drehmomentmessanordnung bereitzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Signalqualität aufweist. Weiterhin ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung bereitzustellen.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug mit einer Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement umfasst eine auf dem Maschinenelement angeordnete Hülse. Maschinenelement und Hülse sind koaxial zueinander angeordnet. Die Hülse weist einen magnetisierten bzw. magnetisierbaren Bereich auf. Weiterhin umfasst die Anordnung einen Magnetfeldsensor, der der Hülse gegenüberliegend angeordnet ist und mit dieser zusammenwirkt. Mittels der an dem Maschinenelement anliegenden Hülse, als Primärsensor, und dem der Hülse gegenüberliegenden Magnetfeldsensor, ist ein Drehmoment des Maschinenelements erfassbar. Die Hülse bildet demnach einen Primärsensor. Es wird auf Grundlager der inversen Magnetostriktion gemessen. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Zwischenhülse aus einem nicht-magnetischen Material, welche zwischen dem Maschinenelement und der Hülse angeordnet ist. Somit liegen das Maschinenelement, die Hülse und die Zwischenhülse koaxial zueinander. Die Zwischenhülse weist an ihren beiden Endbereichen jeweils eine oder mehrere Erhebungen auf, wobei die Zwischenhülse mittels der Erhebungen an dem Maschinenelement anliegt. Die Erhebungen sind bevorzugt radial innenliegend ausgebildet. Die Hülse und die Zwischenhülse sind miteinander drehfest, insbesondere kraftschlüssig verbunden. Die Zwischenhülse ist ihrerseits drehfest, insbesondere kraftschlüssig mit dem Maschinenteil verbunden.
Der Vorteil einer nicht-magnetischen Zwischenhülse mit Erhebungen, welche auch als gestufte Zwischenhülse bezeichnet werden kann, ist, dass die magnetisierte bzw. magnetisierbare Hülse von der Welle magnetisch entkoppelt wird. Durch die nichtmagnetische Zwischenhülse wird verhindert, dass magnetische Feldlinien aus dem magnetisierten Bereich der Hülse an deren Rändern bzw. Endbereichen in das Maschinenelement eindringen. Ein Eindringen der Feldlinien in das Maschinenelement würde die Flussdichte verringern. Eine Verringerung der Flussdichte führt zu einer schlechten Signalqualität. Somit kann durch die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Zwischenhülse die Signalqualität des Messsignals verbessert werden, da ein Übertreten der Feldlinien in das Maschinenelement verhindert oder zumindest reduziert wird und eine erhöhte, gleichmäßige Flussdichte auf der Hülse besteht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Zwischenhülse ist, dass eine gezielte Einleitung und/oder Ausleitung des Drehmoments zwischen Maschinenelement und Hülse erfolgen kann, da lediglich die Erhebungen der Endbereiche der Zwischenhülse an dem Maschinenelement zum Anliegen kommen.
Vorteilhafterweise wird durch Aufbringen der Hülse auf der Zwischenhülse ein Mikroschlupf der Hülse verhindert. Gleichzeitig erfolgt vorteilhafterweise ein gleichmäßiger mechanischer Spannungsverlauf über die gesamte Länge der Hülse, sodass ebenso die Signalqualität gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Das Maschinenelement ist bevorzugt ein drehendes oder ein stehendes oder ein bewegendes Bauteil. Besonders bevorzugt ist das Maschinenelement eine Welle, insbesondere eine drehende Welle. Beispielsweise ist die Welle eine Getriebewelle in einem Fahrzeug. Alternativ kann das Maschinenelement ein Flansch sein.
Vorzugsweise besteht der magnetische Bereich der Hülse aus einem magnetischen Material. Der magnetisierte Bereich der Hülse kann besonders bevorzugt durch Magnetspuren gebildet sein. Die Magnetspuren sind bevorzugt umlaufend auf der Hülse angeordnet. Vorzugsweise verlaufen die Magnetspuren parallel. Besonders bevorzugt sind die Magnetspuren parallel umlaufend auf der Hülse angeordnet, wobei die Magnetspuren in axialer Richtung verlaufen.
Besonders bevorzugt ist nur ein mittlerer Bereich der Hülse magnetisiert. Alternativ bevorzugt ist die ganze Hülse magnetisiert bzw. aus einem magnetischen Material gebildet. Ein auf der Hülse ausgebildeter magnetisierter Bereich hat den Vorteil, dass kein Dehnmessstreifen und somit kein zusätzliches Messbauteil erforderlich ist.
Die Hülse und die Zwischenhülse sind bevorzugt durch ein dauerhaftes Fügeverfahren verbunden. Beispielsweise sind die Hülse und die Zwischenhülse mittels Laserschweißen, alternativ mittels Löten miteinander drehfest verbunden.
In einer Ausführungsform weist die Zwischenhülse eine radial außenliegende Ausnehmung in dem Bereich zwischen den beiden Endbereichen auf, wobei der Bereich einen mittleren Abschnitt entlang der Längsachse bildet. Bevorzugt ist die Ausnehmung der Zwischenhülse gegenüberliegend dem magnetisierten Bereich der Hülse ausgebildet, sodass ein Spalt zwischen dem magnetisierten Bereich der Hülse und der Zwischenhülse besteht.
In einer Ausführungsform ist die Zwischenhülse aus einem Vollmaterial gefräst, wobei eine radial innenliegende Ausnehmung ausgefräst wird, um die radial innenliegenden Erhebungen auszubilden. Weiterhin kann die bevorzugte radial außenliegende Ausnehmung durch Fräsen ausgebildet werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Zwischenhülse aus einem Blech gestanzt und gebogen. In dieser Ausführungsform werden die Randbereiche des Bleches so geformt, dass jeweils in den Endbereichen der Zwischenhülse Erhebungen entstehen und sich bevorzugt die Enden des Bleches radial nach außen erstrecken, sodass vorteilhafterweise gleichzeitig eine radial außenliegende Ausnehmung gebildet wird.
Bevorzugt erstreckt sich die Ausnehmung der Zwischenhülse umlaufend. Vorzugsweise erstrecken sich die Erhebungen der Zwischenhülse umlaufend, sodass die Hülse vollständig von dem Maschinenelement entkoppelt ist.
Die Zwischenhülse ist bevorzugt drehfest auf dem Maschinenelement angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Zwischenhülse mit der darauf befestigten Hülse auf von verschiedenen Firmen hergestellten Maschinenelementen aufgeschoben werden. Somit ist eine variable, einfache Verwendung der Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments möglich.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug mit einer Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement, weist eine zuvor beschriebene Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments auf, wobei alle genannten Ausführungsformen sowie deren Kombinationen anwendbar sind.
Mögliche Fahrzeuge, in denen die erfindungsgemäße Anordnung einbaubar ist, sind beispielweise Landmaschinen, Elektromobile, Hybridmobile und andere. Vorrangig erfolgt die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in Getrieben.
Das Fahrzeug besitzt bevorzugt eine Auswerteeinheit zum Auswerten der durch die Anordnung erfassten Messdaten.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments;
2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Anordnung; und
3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Anordnung.

1 zeigt eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement 01. Das Maschinenelement 01 ist in der gezeigten Ausführungsform eine Welle. Auf der Welle 01 ist eine Zwischenhülse 02 drehfest angeordnet. Auf der Zwischenhülse 02 ist eine Hülse 03 drehfest befestigt. Die Welle 01, die Zwischenhülse 02 und die Hülse 03 sind koaxial zueinander angeordnet. Auf die Welle einwirkende Drehmomente und die daraus resultierenden mechanischen Spannungen werden somit auf die Hülse 03 übertragen. Die Zwischenhülse 02 besteht aus einem nicht-magnetischen Material und weist an ihren axialen Endbereichen Erhebungen 04 auf, wobei sich die Erhebungen 04 radial nach innen erstrecken. Mit den umlaufend ausgebildeten Erhebungen 04 liegt die Zwischenhülse 02 an der Welle 01 an. Weiterhin weist die Zwischenhülse 02 an ihrer radial außenliegenden Seite eine umlaufend ausgebildete Ausnehmung 06 auf. Die auf der Zwischenhülse 02 angeordnete Hülse 03 ist mit der Zwischenhülse 02 durch ein Fügeverfahren verbunden, sodass ein Mikroschlupf der Hülse verhindert wird. Die Hülse 03 weist an ihrer radial außenliegenden Fläche einen magnetisierten Bereich auf, der durch parallel zueinander liegende Magnetspuren 07 gebildet wird. Die Magnetspuren 07 sind umlaufend ausgebildet. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass durch die Zwischenhülse 02 mit ihren Erhebungen 04 die darauf angeordnete Hülse 03 von der Welle 01 magnetisch entkoppelt wird. Es erfolgt kein übertreten der Feldlinie in die Welle 01 und somit keine ungleichmäßige Flussdichte. Dadurch wird eine gleichmäßig hohe Signalqualität durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht.
2 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform, welche in ihrer Grundform in 1 gezeigt ist. Die in 2 gezeigte Ausführungsform besitzt eine Zwischenhülse 02 mit der, z.B. durch Fräsen, ausgebildeten Ausnehmung 06 an der radial außenliegenden Fläche sowie mit einer zweiten Ausnehmung 08, welche an der radial innenliegenden Fläche der Zwischenhülse 02 ausgebildet ist. Durch die zweite Ausnehmung 08 sind die beiden Erhebungen 04 an den Endbereichen der Zwischenhülse 02 erzeugt worden. Die magnetisierte Hülse 03 ist U-förmig ausgebildet, wobei die Endbereiche der Hülse radial nach innen gerichtet sind. Zwischen der Hülse 03 und der Zwischenhülse 02 ist ein Spalt 09 ausgebildet.
3 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform, welche in ihrer Grundform in 1 gezeigt ist. Die in 3 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten. Abweichend zu 2 ist die in 3 gezeigte Zwischenhülse 02 aus einem Blech geformt. Die Ausnehmung 06 an der radial außenliegenden Fläche der Zwischenhülse 02 wird durch radial nach außen gerichtete Enden der Zwischenhülse 02 erzeugt. Ebenso weist die in 3 gezeigte Ausführungsform radial innenliegende Erhebungen 04 der Zwischenhülse 02 auf, zwischen denen die zweite Ausnehmung 08 ausgebildet ist. Die zweite Ausnehmung 08 ist an der radial innenliegenden Fläche der Zwischenhülse 02 ausgebildet. Die magnetisierte Hülse 03 ist abweichend zu der in 2 gezeigten Ausführungsform in der in 3 gezeigten Ausführungsform plan ausgebildet.
Durch den Aufbau der Zwischenhülse 02 mit der Hülse 03 auf der Welle 01 und dem dazwischen befindlichen Spalt 09 wird ein gleichmäßiger Verlauf der mechanischen Spannung auf der Hülse gestattet, wodurch die Signalqualität hoch bleibt.
Bezugszeichenliste

01: Welle
02: Zwischenhülse
03: Hülse
04: Erhebung
05: -
06: Ausnehmung
07: Magnetspur
08: zweite Ausnehmung
09: Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017127547 A1 [0003]
DE 102017121863 A1 [0004]

Claims

Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement (01), umfassend eine auf dem Maschinenelement (01) angeordnete Hülse (03), wobei die Hülse (03) einen magnetisierten Bereich (07) aufweist, weiterhin umfassend einen der Hülse (03) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zwischen dem Maschinenelement (01) und der Hülse (03) eine Zwischenhülse (02) angeordnet ist, dass die Zwischenhülse (02) an ihren beiden Endbereichen jeweils eine radial nach innen gerichtete Erhebung (04) aufweist, die an dem Maschinenelement (01) anliegen und die Zwischenhülse (02) drehfest am Maschinenelement befestigen, und dass die Hülse (03) und die Zwischenhülse (02) miteinander drehfest verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) ein drehendes, stehendes oder bewegendes Bauteil ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) eine Welle ist, die insbesondere Bestandteile eines Antriebsstranges ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (03) und die Zwischenhülse (02) mittels eines Fügeverfahrens drehfest miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenhülse (02) zwischen den beiden Endbereichen radial eine Ausnehmung (06) im Bereich des magnetisierten Bereichs (07) der Hülse (03) aufweist, sodass ein Spalt (09) zwischen dem magnetisierten Bereich (07) der Hülse (03) und der Zwischenhülse (02) besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierte Bereich (07) der Hülse (03) durch eine oder mehrere Magnetspuren gebildet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenhülse (02) aus einem nicht-magnetischen Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erhebungen (04) der Endbereiche der Zwischenhülse (02) umlaufend erstrecken.
Fahrzeug mit einer Anordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einem Maschinenelement (01) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.