Magnetoelastischer ringförmiger Geber zum Messen von mechanischen Kräften
Um die Lagerbelastung und Belastung eines festen Wellenendes auf umgebende Konstruktionsteile messen zu können, verfährt man im allgemeinen so, dass man im Lagergehäuse einen Geber irgendeiner Art einbaut, welcher der Einwirkung der zu messenden Kraft ausgesetzt wird. In Ausnahmefällen kann es schwer oder geradezu unmöglich sein, in einem zugänglichen Bereich einen gewöhnlichen Geber in das Lagergehäuse einzubauen. Es kann z. B. vorkommen, dass ein Lagerbock mehrere Wellen mit verschiedener Belastung trägt, und dass man wünscht, sämtliche Lagerbelastungen unabhängig voneinander zu messen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelastischen, ringförmigen Geber zum Messen von mechanischen Kräften, die winkelrecht gegen die Zentralwelle von zylindrischen Gegenständen wie Lagern, Wellenzapfen oder dergleichen wirken. Erfindungsgemäss ist er gekennzeichnet durch einen zylindrischen, ringförmigen Kern aus magnetostriktivem Material, der eine Anzahl Löcher hat, die parallel mit der Längsachse des Kerns sind und mit Wicklungen zum Erzeugen von Magnetflüssen um die Löcher im Kern herum und zum Abtasten der Magnetflussänderungen versehen sind, die im Kern entstehen, wenn er einer mechanischen Kraftbeanspruchung ausgesetzt ist.
In der beigefügten Zeichnung ist in Fig. 1 die Endansicht einer beispielsweisen Ausführungsform des Gebers nach der Erfindung dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, während die Fig. 3, 4 und 5 anhand von Beispielen zeigen, wie die Wicklungen zur Kraftmessung mit dem Geber geschaltet werden können.
Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform des Gebers besteht sein Kern aus einem zylindrischen Ring 1. Wenn der Geber dazu vorgesehen ist, die Belastung eines Kugel- oder Rollagers zu messen, wird der Innendurchmesser des Ringes gleich dem Aussendurchmesser des äusseren Lagerringes des Lagers ausgeführt. Der Geber wird dadurch als ein im Lagerbock befestigtes Futter für das Lager dienen. Der Ring 1 ist aus einer Anzahl Ringe aufgebaut, die aus einem magnetostriktiven Material, z. B.
Transformatorblech, ausgestanzt sind. In den Ringen ist eine Anzahl gleicher Löcher 2 ausgestanzt, die gleichmässig verteilt sind und deren Anzahl durch vier teilbar ist. Die Löcher sind auf einem Teilkreis verlegt, der die Ringbreite in der Mitte teilt. Wenn die Blechringe aufeinander gelegt werden, bilden sich somit axiale Kanäle im Geber.
Man denke sich den Geber durch die in Fig. 1 gezogenen Linien 7 und 8 in vier Quadranten 3, 4, 5 und 6 aufgeteilt. Jeder Quadrant ist mit einer in den Löchern angeordneten Wicklung 9, 10, 11 und 12 versehen. Die im oberen Quadranten 3 angeordnete Wicklung 9 verläuft nach unten in das zweite Loch von links und nach oben in das dritte Loch, nach unten in das vierte usw. Zwischen den Wicklungen in den verschiedenen Quadranten werden ein oder mehrere Löcher übersprungen, die zum Anbringen von zusätzlichen Verstärkungsnieten, Steuerbolzen bei der endgültigen Montage oder dergleichen verwendet werden können.
In Fig. 1 sind Einwindungs-Wicklungen gezeigt, aber da solche eine sehr niedrige Induktanz haben würden, kann man mit Vorteil ein mehrdrähtiges Kabel mit voneinander isolierten Drähten anwenden, die nach dem Wickeln so zusammengeschaltet werden, dass eine Wicklung mit mehreren Windungen erhalten wird. Dabei hat man auch die Möglichkeit, die Wicklung in zwei Teile zu teilen, die als Primär- und Sekundärwicklungen verwendet werden können.
Wenn die Wicklungen mit Strom gespeist werden, werden im Eisen um die Wicklungen herum Magnetfelder erzeugt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden die Magnetflüsse von zwei aneinander liegenden Wicklungsteilen in dem Teil des Eisenkerns, der zwischen den Löchern liegt, die die betreffenden Wicklungsteile aufnehmen, in derselben Richtung fliessen. Der Abstand zwischen den Löchern muss so klein gewählt werden, dass eine merkbare Drosselung des Magnetflusses zwischen den Löchern erhalten wird.
Wenn die den Geber beeinflussende Kraft derart wirkt, dass der obere Quadrant 3 gedrückt wird, werden die zwischen den Löchern liegenden Teile des Kerns einer Druckbeanspruchung ausgesetzt. Eine solche Belastung entsteht, wenn der Geber das Lager für die obere Walze eines Walzenpaares in einem Walzwerk trägt und das Walzgut zwischen den Walzen eingeführt wird. Der untere Quadrant des Gebers bleibt in der Hauptsache von der Belastung unbe einflusst. Bei einer solchen Krafteinwirkung steigt die Reluktanz in den Teilen zwischen den Löchern und dem oberen Quadranten 3, was zur Folge hat, dass die Induktanz der Wicklung 9 sinkt, während die Induktanz der Wicklung 11 in dem unteren Quadranten in der Hauptsache unverändert bleibt. Diese Induktanzänderung kann in vielerlei Arten abgetastet werden, von denen einige in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 hat man die früher genannte Möglichkeit ausgenützt, die aus dem mehrdrähtigen Kabel ausgeführte Wicklung in eine primäre Magnetisierungswicklung und eine sekundäre Messwicklung aufzuteilen. Die Primärwicklungen 9P und 1 1P werden über eine Reihenreaktanz 13 mit Strom der Wechselstromquelle 14 gespeist. Die Sekundärwicklungen 9S und 1 1S werden so gegengeschaltet, dass die über einem Messinstrument 15 auftretende Spannung ein Mass des Induktanzunterschieds und somit auch der auf den Geber einwirkenden Kraft ist. Bei der in Fig. 4 gezeigten Methode sind die Wicklungen 9 und 11 nicht geteilt. Die Induktanz in den beiden Wicklungen wird mit Hilfe einer Differenzschaltung 16 verglichen. Die Nullbalance ist durch eine variable Mittelanzapfung 17 in der Differenzschaltung einstellbar.
Eine dritte Möglichkeit ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Schaltung werden geteilte Wicklungen verwendet, d. h. Primär- und Sekundärwicklungen in zwei diametral gelegenen Quadranten. Die vier Wicklungen sind derart in einer Brücke geschaltet, dass die zwei Wicklungen 9P, 9S in dem einen Quadranten einander gegenüberliegen und die zwei Wicklungen im anderen Quadranten auch einander gegenüberliegen.
Zum Messen der auf den Geber wirkenden Hori- zontalkräfte wird ähnlich verfahren, indem die Induktanzänderungen der Wicklungen 10 und 12 verglichen werden. Natürlich können Kräfte mit beliebiger Richtung gemessen werden. Eine schräg gerichtete Kraft kann man sich dabei in eine vertikale Komponente, die vom oberen und unteren Quadranten gemessen wird, und eine horizontale Kraftkomponente, die vom linken und rechten Quadranten gemessen wird, aufgeteilt denken.
Um die Empfindlichkeit des Gebers zu erhöhen, kann die Form des in Fig. 1 gezeigten Ringes 1 so ge ändert werden, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Die Modifikation bedeutet, dass die Löcher 2 für die Wicklungen länglich gemacht werden, was zur Folge hat, dass die Anzahl der kraftaufnehmenden Teile zwischen den Löchern geringer wird. Die Belastung jedes der genannten Teile wird bei derselben totalen Belastung mit abnehmender Anzahl der Löcher grösser, wodurch die Empfindlichkeit des Gebers zunimmt.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung funktioniert im allgemeinen sehr befriedigend, aber in gewissen Fällen kann es vorkommen, dass der Messwert nicht ganz unabhängig von der Passung zwischen dem Geber und den anschliessenden Zylinderflächen ist. Dies kommt daher, dass z. B. einerseits nicht die ganze Vertikalkraft des belasteten Quadranten vom Geber aufgenommen wird, sondern ein gewisser Teil von den benachbarten Quadranten im wesentlichen als Schubkraft aufgenommen wird, und anderseits die Empfindlichkeit des Messquadranten am grössten in der Mitte ist, wo eine reine Druckbeanspruchung in den Messzonen erhalten wird, während die Aussenteile des Messquadranten eine niedrigere Empfindlichkeit bekommen, weil hier in den Messzonen auch eine Schubkraft erhalten wird.
In den Fällen, da der Raum in radialer Richtung nicht allzu begrenzt ist, kann der obengenannte Nachteil leicht mit einer in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform behoben werden. Bei dieser Modifikation sind die Löcher in jedem Quadranten so geformt, dass die zwischen ihnen liegenden Teile des Kerns aus zwei langgestreckten Streben bestehen, die je mit wenigstens einer Wicklung zum Erzeugen eines Magnetflusses in den Streben und zum Abtasten der Flussänderungen versehen sind, die in den Streben entstehen, wenn der Geber einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt ist. In jedem Quadranten sind die auf den beiden Streben angeordneten Teile der Wicklung so zusammengeschaltet, dass sie zusammenarbeiten, um einen Magnetfluss durch die Streben und die die Streben zusammenhaltenden Teile des äusseren und des inneren Ringteils zu treiben.
Dadurch erhält man für jeden Quadranten einen geschlossenen magnetischen Fluss, der von den Flüssen in den anderen Quadranten unbeeinflusst ist. Die Streben in einem Quadranten sind vorzugsweise einander parallel und so schwach quer zur Längsrichtung, dass sie praktisch keine Seitenkräfte aufnehmen können. Bei zweckmässiger Bemessung der acht Streben werden somit Vertikalkräfte praktisch völlig von den oberen oder unteren Streben aufgenommen, während Horizontalkräfte in entsprechender Weise von den linken oder rechten Streben aufgenommen werden. Hierdurch wird die Messzone, die aus den Streben besteht, völlig unabhängig von der Passung zwischen dem Geber und den anschliessenden Zylinderflächen.
Wenn der Geber abgeordnet ist, eine durch das zentrale Loch gehende Welle zu tragen und von dieser mit einer Kraft beeinflusst wird, die mit keiner der Streben parallel ist, werden zwei Messzonen beeinflusst. Wenn beispielsweise die genannte Kraft schräg nach unten wirkt, werden sowohl die untere als auch die linke Messzone beeinflusst, die je eine Kraftkomponente messen.
Eine Zunahme der Tragfähigkeit kann bei dieser prinzipiellen Ausführung durch Erhöhung der Anzahl der parallelen Streben in jeder der vier Richtungen erhalten werden. Fig. 8 zeigt, wie dies ausgeführt werden kann, indem die Streben in jedem Quadranten in je zwei Gruppen zusammengefasst sind und eine Wicklung um jede Gruppe aufweisen.
Bei dieser Ausführungsform wird der totale Magnetfluss von der einen Strebengruppe den äusseren und den inneren Ring passieren, weshalb der Querschnitt der beiden Ringe so berechnet werden muss, dass keine Sättigung eintritt.
Fig. 9 zeigt, wie die Streben in einem Quadranten gleichmässig verteilt werden können, wobei die Wicklung auf den Streben so angebracht ist, dass man eine sich laufend umkehrende Magnetisierungsrichtung in den Streben erhält. In diesem Fall wird die Sättigungsgefahr in den äusseren und inneren Ringen herabgesetzt, und diese können deshalb klein gehalten werden. Wenn die Empfindlichkeit erhöht werden muss, was oft bei Bandzugmessern oder Bandwaagen der Fall ist, muss die Anzahl der Streben vermindert werden. Die grösste Empfindlichkeit erhält man, wenn man nur eine Strebe pro Quadranten hat, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Dabei werden, wie aus der Figur hervorgeht, die Flüsse in den Vertikal- und Horizontalstreben zusammengeschaltet, so dass die Messung nur in einer Richtung durch Belastung der zwei magnetisierten Streben erfolgen kann, in diesem Fall der vertikalen.
Diese beiden Streben werden in derselben Richtung magnetisiert, wobei, wie ersichtlich, der Fluss in den Horizontalstreben bei unbelastetem Geber Null wird. Bei Druckbelastung der unteren Strebe wird der Fluss durch diese vermindert, während der Fluss durch die obere Strebe entweder unverändert bleibt, wenn der Aussenring eine vernachlässigbare Steifheit hat, oder etwas zunimmt. In beiden Fällen erhält man einen Differenzfluss durch die Horizontalstreben, und dieser Differenzfluss, der ein Mass der Belastung ist, kann mit Hilfe von Sekundärspulen auf den horizontalen Streben gemessen werden. Hierbei werden zweckmässig die beiden Vertikalspulen in Reihe gespeist. Anstatt den Differenzfluss direkt zu messen, kann man natürlich eine der Differenzschaltungen nach Fig. 3, 4 oder 5 benützen.
Für die Herstellung der Blechringe für die bisher beschriebenen Geber sind natürlich spezielle Stanzwerkzeuge erforderlich. Eine Modifikation, die für verschiedene Dimensionen mit vorhandenen Stanzen ausgeführt werden kann, ist in Fig. 11 gezeigt. Die äussere Kontur ist hier quadratisch gezeichnet und mit vier Befestigungslöchern 18 versehen; aber sie kann natürlich genau so gut, wie früher gezeigt, kreisförmig sein.
Beim Messen in nur einer Richtung, was ja der gewöhnlichste Fall ist, können die Geber nach Fig. 8 und 9 wie in Fig. 10 gewickelt werden, d. h. mit vier Wicklungen, die je eine Strebengruppe umschliessen, wobei die Wicklungen um die belasteten Strebengruppen in Reihe wie Primärwicklungen gespeist werden können und der Differenzfluss in den unbelasteten Strebengruppen mit den diese umgebenden Sekundärwicklungen abgetastet werden kann. In solchen Fällen müssen die inneren und äusseren Ringe so dimensioniert werden, dass die Induktion hier immer viel niedriger ist als in den messenden Streben.