METHOD FOR MEASURING STRESS ON A SHAFT

Abstract: 1. A method of measuring a mechanical stress at a shaft (1) by means of a measured-value detector utilising the magnetostrictive properties of a magnetic material (2) arranged on the shaft, where a non-magnetic material (3) is present between the surface of the shaft (1) and the magnetic material (2), characterized in that - the magnetic material (2) is initially fixed on the surface of a non-magnetic carrier sleeve (3), - the carrier sleeve (3) with the magnetic material (2) is then fitted onto the shaft (1) and joined to it in force-locked manner.

Description: Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung an einer Welle Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung an einer Welle mittels eines Messwertaufnehmers unter Ausnutzung der magnetostriktiven Eigenschaften eines auf der Welle angeordneten Magnetmaterials, wobei sich zwischen der Oberfläche der Welle und dem Magnetmaterial ein unmagnetisches Material befindet. Ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten an einer rotierenden Welle ist beispielsweise aus der US-PS 3 861 206 bekannt. Das Messprinzip beruht auf einer Änderung der Permeabilität eines sich auf der Wellenoberfläche befindlichen magnetostriktiven Materials in Abhängigkeit von mechanischen Belastungen oder Beanspruchungen. Die Permeabilitätsänderung der ferromagnetischen Wellenoberfläche wird berührungslos von einem Messkopf erfasst, wobei das Ausgangssignal als Mass für das auf die Welle wirkende Drehmoment dient. Das bekannte Verfahren sieht hierzu vor, dass auf die mit einem Film aus einem nichtmagnetischen Werkstoff versehene Oberfläche der Welle ein weiterer Film aus einem magnetostriktiven Material aufgebracht wird. Ein weiteres magnetostriktives Messverfahren sowie die dazugehörige Messeinrichtung sind aus der DE-OS 29 39 566 bekannt. Auch hierbei wird die der Messung zugrundeliegende drehmomentübertragende Welle mit einer hochpermeablen Schicht umhüllt oder beschichtet* Zwischen der hochpermeablen Schicht kann ferner eine magnetisch nichtleitende Schicht angeordnet sein. Bei diesen bekannten Verfahren zur Drehmomentmessung ist jedoch das direkte Aufbringen der unmngnetischen und/oder der magnetischen Schicht auf die Vellenoberfläche ein sehr aufwendiger Fertigungsschritt. Hinzu kommt, dass das auf der Welle aufgebrachte magnetostrîktive Material zur Erhôhung der Messempfindlichkeit unbedingt einer Wärmebehandlung unterzogen werden muss. Durch die Wärmebeha@dlung der gesamten Welle verändern sich jedoch die sechanischen Eigenschaften der Wellenoberfläche in unerwä@uchter Weise, was z. B. zu einer verringerten Lebenadauer der Welle ffihrea kann. Anfgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Messverfahren der eingangs genannten Art die Messempfindlichkeit und die Linearität des drehmementahhängigen Ausgangssignals zu erhöhen. Gleich zeitig soll eine Belastung der Welle durch eine nachträgliche Wärmebehanélung narglichst vermieden werden. Erfindungsgemäss vird dies dadurch erreicht, dass das Magnet- material xunächet auf der Oberfläche einer unmagnetischen Tragerhülse befestigt wird und die Trägerhülse mit dem Magnetmaterial dann auf die Welle aufgebracht und mit dieser kraftschlüssig verbunden wird. Die Ünteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen einer magnetostriktiven Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Im Gegensatz zu den Verfahren und Hesseinrichtungen nach dem Stand der Technik kann die mit Megnetmaterial beschichtete Trägerhülse aus ummsgnetischem Meterial als selbstandige kon strnktive Einheit zur Optimierung der Eigenschaften des Magnetmaterials einer getrennten Wärmebehandlung unterzogen werden, ohne die Eigenschaften des hochvergüteten Welienmaterials nach- teilig zu beeinflussen. Durch die optimale Ausnutzung des wärmebehandelten Magnetmaterials wird vor allem die Signalempfindlichkeit des Ausgangssignals erheblich erhöht. Ferner kann die wärmebehandelte Trägerhülse jederzeit einer anwendungsnahen Prüfung, beispielsweise hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Linearität der Torduktorkennlinie unterzogen werden, bevor die Trägerhülse auf der Welle befestigt wird. Mit der magnetisch nichtleitenden Trägerhülse wird zudem durch deren Abschirmwirkung eine Entkopplung von der gegebenenfalls ferromagnetischen Welle und eine Linearisierung des Ausgangssignals erreicht. Schliesslich vereinfacht die Verwendung einer mit Magnetmaterial beschichteten unmagnetischen Trägerhülse sowohl die Montage des Drehmomentsensors als auch einen gegebenenfalls erforderlich werdenden Austausch. Anhand der in zwei Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele wird diej Erfindung nachstehend noch näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch eine auf einer Welle befestigte Trägerhülse mit magnetischer Schicht. Figur 2 zeigt schematisch die Ausgangssignalempfindlichkeit als Funktion des Drehmoments N Bei der in Figur 1 vereinfacht dargestellten Ausführungsform ist die drehmomentübertragende Welle, z. B. eine Getriebewelle eines Kraftfahrzeugs, mit 1 bezeichnet. Die mit einem Band bzw. einer Folie aus einem hochpermeablen Magnetmaterial 2 beschichtete unmagnetische Trägerhülse 3 ist auf der Oberfläche der Welle 1 befestigt. Nicht näher dargestellt sind Messwertaufnehmer sowie Verstärkung und Anzeige des drehmomentabhängigen Ausgangs- signals. Für die unmagnetische Trägerhülse 5 kommen insbesondere Werkstoffe in Frage, die einen erheblich kleineren Elastizitätsmodul aufweisen als die Stahllegierung, aus der üblicherweise oberilachengehärtete hochvergütete Wellen bestehen. Neben hochfesten Kunststoffen sind insbesondere aushärtbare Kupferlegierungen, beispiels- weise eine Kupferlegierung mit etwa 0,3 bis 2 Gew.% Beryllium, Messing, Kobaltbasislegierungen und Aluminiumlegierungen besonders geeignet. Beim serienmässigen Einsatz von Messeinrichtungen nach der Erfindung, z. B. zur exakten Drehmomenterfassung bei automatischen Getrieben, kommt es daranf an, die mit Magnetmaterial 2 beschichtete Trägerhülse 5 möglichet ohne grossen Aufwand auf die Welle 1 aufzubringen. Eine insbesondere wegen ihres einfachen Aufbaues bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Drehmomentsensors ist daher derart ausgebildet, dass die Trägerhülse 3 mindestens einen zur Vellenachse parallelen Längs schlitz aufweist. Eine solche mehrteilige Trägerhülse erleichtert zusätzlich die Montage auf der Wellenoberfläche in besonderes vorteilhafter Veise. Im ersten Fertigungsachritt wird zunächst die Oberflache der Trägerhülse 3 alt Magnetmaterial 2 beschichtet. Hierzu wird ein streifenf6ralges Band ans einer hochpermeablen Nagnetlegierung alt einer geeigneten Verbindungstechnik auf der Oberfläche der Trägerhülse 5 befestigt. Dies kann beispielsweise durch Kleben oder Schweissen erfolgen Besonders günstige Ergebnisse ergaben kombinierte Schweiss-Klebe-Verbindungen, wobei zunächat alle Bandenden des Magnetmaterials 2 auf der Oberfläche der Trägerhülse 3 fixiert und dann mit Quer- und Ümlaufnähten punktgeschweisst wurden. Für das Punktschweissen wurde ein Neodym-YAG-Laser verwendet, wobei die Pulslänge von 0,2 bis 0,6 mss bei einer Pelarate von 20 Bs eingestellt wurde. Als Magnetmaterial 2 haben sich insbesondere amorphe Legierungen als besonders günstig erwiesen, da diese sowohl hochpermeabel als auch mechanisch hoch belastbar sind. Amorphe Magnetlegierungen lassen sich bekanntlich dadurch herstellen, dass man eine entsprechende Schmelse so rasch abkühlt, dass ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Die Legierungen können dabei gleich bei ihrer Entstehung in Form dünner Bänder gewonnen werden, deren Dicke beispielsweise einige hnnderstel Millimeter und deren Breite einige Millimeter bis zu mehreren Zentimetern betragen kann. Bekannte amorphe weichmagnetische Metallegierungen haben eine Zusammensetzung, die durch die Formel MyX100-y dargestellt werden kann, wobei M wenigstens eines der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel und X wenigstens eines der sogenannten glasbildenden Elemente Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor bedeutet und y zwischen etwa 70 und 90 % liegt. Zusätzlich zu den Metallen M können diese amorphen Legierungen noch bis zu 4 Atom% mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Chrom, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Niob, Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium und Mangan enthalten. Ferner können zusätzlich zu den glasbildenden Elementen X oder gegebenenfalls auch anstelle von diesen die Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Germanium, Zinn, Blei, Arsen, Antimon, Wismut oder Beryllium vorhanden sein. Besonders geeignet unter den amorphen Magnetlegierungen sind solche auf Koblatbasis mit einer Sättigungsmagnetostriktion Ls von -8 . 10-6 bis +8.10-6, z. B. Legierungen der Zusammen- setzung Co62 Ni15Si8B15 oder Co75Si15B10, wobei die Indizes den Gehalt der jeweiligen Legierungen an den entsprechenden Elementen in Atom- angeben. Obwohl amorphe Magnetlegierungen bereits nach ihrer Herstellung durch rasches Abkühlen einer Schmelze ausreichende magnetische Eigenschaften aufweisen, können diese durch Wärmebehandlungen zwischen der jeweiligen Curietemperatur und der jeweiligen Kristallisationstemperatur erheblich verbessert werden, d. h., die Koerzitivfeldstärke abgesenkt und die Permeabilität erhöht werden. Auf einer 60 breiten Trägerhülse 3 aus einer ausgehärteten Kupfer-Beryllium-Legierung mit etwa 2 Gew.% Beryllium wurde ein 25 wo breites und etwa 0,035 mm dickes streifenförmiges Band aus der amorphen Magnetlegierung Co62Ni15Si8B15 befestigt. Anschliessend wurden über die gesamte Flache des Bandes rasterförmig verteilte Schweisspunkte angebracht. Nach der Beschichtung der Trägerhülse 3 mit dem Megnetmaterial 2 wurde diese Anordnung einer einstündigen Wärmebehandlung im Magnetfeld zur Optimierung der Eigenschaften der Magnetschicht im Temperaturbereich von 300 bis 400 C untersten. Nach der Überprüfung der Empfindlichkeit und der Linearität der Torduktorkennlinie wurde die Trager- hülse 3 auf der Oberfläche der Welle 1 befestigt. Einen qualitativen Vergleich zwischen einem Drehmomentsensor mit einer direkt auf eine Stahlwelle aufgebrachten Schicht aus amorphem Magnetmaterial (Kurve 21) und einem Drehmomentsensor genäss der Erfindung, bei der das Magnetmaterial auf einer unmagnetischen Trägerhülse 3 befestigt ist (Kurve 22), ist in der Figur 2 dargestellt. Die Empfindlichkeit der Ausgangsspannung UA ist bei Verwendung einer mit Magnetmaterial 2 beschichteten Trägerhülse 3 insbesondere in Bereich mittlerer und höherer Drehmomente wesentlich grösser und ausserdem ist die Kennlinie linearer. Die Signalaufbereitung kann in bekannter Weise, beispielsweise nach den in der I@E-OS 29 39 566 beschriebenen Verfahren erfolgen. Es können aber auch andere geeignete Verfahren verwendet werden, alt denen ein drehmomentabhängiges Signal messbar ist.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung an einer Welle mittels eines Messwertanfnehmers unter Ausnutzung der magnefostriktiven Eigenschaften eines auf der Welle angeordneten Magnetmaterials, wobei sich zwischen der Oberfläche der Welle und dem Nagnetmaterial ein unmagnetisches Material befindet, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass - das Magnetmaterial (2) zunächst auf der Oberfläche einer unmagnetischen Trägerhülse (3) befestigt wird, - die Trägerhülse (3) mit dem Magnetmaterial (2) dann auf die Welle (1) aufgebracht und mit dieser kraftschlüssig verbunden wird. 2. Magnetostriktive Messeinrichtung zur lurchfiihrung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die unmagnetische Trägerhülse (3) aus einem Material mit einem gegenüber dem Wellenmaterial kleineren Elastizitätsmodul besteht. 3. Magnetostriktive Messeinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Trägerhülse (3) wenigstens einen zur Achse der Welle (1) parallelen Längsschlitz aufweist. 4. Magnetostriktive Messeinrichtung nach einem der Anspruche 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Trägerhülse (3) aus einer Kupferbasislegierung mit etwa 0,3 bis 2 Gew.t Beryllium besteht. 5, Magnetestriktive Messeinrichtung nach einen der Ansprüche 2 bis 4, d a lii r r ch lt g e k e n n z e i e h n e t , dass auf der unmagnetischen Trägerhülse (3) als Magnetmaterial ein Band aus einer hochpermeablen amerphen Metallegierung angeordnet ist. 6. Magnetostriktive Messeinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r e h g e k e In s e i c h n e t , dass das Band aus der amorphen Metallegierung mittels Punktschweissen und/oder mit Hilfe eines Klebemittels auf der Trägerhülse (3) befestigt ist. 7. Magnetostriktive Messeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c lt g e k e n n 1 e i c h n e t , dass das s Magnetmaterial (2) eine amorphe Metallegierung auf Kobaltbasis mit einer Sättigungsmagnetostriktion Ls von - 8.10-6 bis + 8.10-6 ist.

Inventors: BOLL, RICHARD, DR., FRIEDRICHS, MICHAEL
Applicants: VACUUMSCHMELZE GMBH
Application year: 1984
Main classification: G01L3
IPC codes: G01L3