WO2015018403A1 - Vorrichtung zur erfassung des drehmomentes in einer welle - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung des drehmomentes in einer welle Download PDF

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WO2015018403A1
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shaft
conductor layer
layer
resonant circuit
structuring
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Frank Benkert
Steffen Hochgräber
Stefan GLÜCK
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/106—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means
    • G—PHYSICS
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a torque introduced into a shaft.
  • Torque sensors are needed in many fields of technology. They serve to detect the actual load condition of mechanical parts, in particular rotating shafts, and thus enable a torque-optimized control of the power driving the shaft.
  • An essential field of application of the device according to the invention is the torque measurement in bottom brackets, especially for bicycles, pedelecs, e-bikes or ergometers.
  • prior art solutions use bottom bracket units with magnetic torque sensing sensors.
  • EP 1 026 492 A2 shows a torque sensor comprising an electrical oscillating circuit with a matching circuit with a converter, a surface acoustic wave component and an antenna.
  • the converter includes a capacitor having a first electrode connected to the shaft at a first attachment location and a second electrode connected to the shaft at a second attachment location with the attachment locations axially spaced apart.
  • the two electrodes are displaceable relative to each other, so that a torsion of the shaft by a torque causes a change in the resonant frequency of the resonant circuit.
  • GB 2195183 A describes the detection of a torque in a shaft based on the distortions of a passive resonant circuit.
  • the resonant circuit is mounted on a shaft and has a resonant frequency, which varies as a function of the torque.
  • With the resonant circuit is a Circuit inductively coupled, which detects fluctuations in the resonant frequency.
  • DE 10 2009 027 997 A1 shows a measuring device for the telemetric evaluation of an electrical oscillating circuit having passive sensor, which can be used for example for measuring a pressure within an exhaust system of a motor vehicle.
  • the measuring device comprises at least one oscillation source, a coupling coil and a phase detector, wherein by means of the oscillation source in a reference branch an electrical reference oscillation and in a measuring branch an electrical measuring oscillation can be generated.
  • the coupling coil is arranged in the measuring branch and can be inductively coupled to a resonant circuit coil of the sensor.
  • the phase detector detects the reference oscillation and the measuring oscillation and determines the phase difference between the reference oscillation and the measuring oscillation.
  • the object of the present invention is to provide, starting from GB 2195183 A, an improved device for detecting the torque introduced into a shaft, which is characterized by a simple structure, can be integrated with little effort on the shaft and requires a small space ,
  • the device according to the invention for detecting a torque introduced into a shaft comprises at least one passive electrical oscillating circuit arranged on the shaft with a resonant frequency which changes as a function of the torque and an evaluation unit fixed in relation to the shaft with a coil which is inductive with the resonant circuit. is actively coupled.
  • the device according to the invention is characterized in that at least one element of the passive electrical resonant circuit is realized as a multilayer coating on the shaft. Preferably implemented by several layers on the shaft all elements of the passive resonant circuit.
  • the solution proposed by the invention is not limited to the detection of torques.
  • variables such as force, bending moment and torque can be registered with a correspondingly constructed sensor, as long as they lead to an evaluable strain in the layer system.
  • inventive type of sensor d. H.
  • the structure of a passive electrical resonant circuit in a multilayer coating can also be used on planar machine elements and also stationary (not rotationally).
  • a significant advantage of the device according to the invention is that by implementing some or all of the components of the electrical resonant circuit as a multilayer coating, the resonant circuit serving as a sensor can be integrated with little effort on the shaft. For this purpose, only a corresponding coating process is required. The hitherto required effort for the wiring of the sensors is thereby preferably completely eliminated. There is no additional construction and connection technology required. As a result, work steps can be saved, for example, eliminates the contact, since the contact is already part of the multilayer coating structure. This type of realization also has the advantage that the handling is simplified, for example, there is no danger of tearing off cables or wires, which not least also increases the reliability of the measuring device.
  • the coating used for forming the passive electrical oscillating circuit comprises the following radially superimposed layers: a capacitive conductor layer having a structuring, a dielectric layer following the capacitive conductor layer, which partially also extends into cavities of the structuring the capacitive conductor layer extends and example example of titanium oxide, an inductive conductor layer having a structuring, an ohmic conductor layer and insulating layers, which are arranged between the conductor layers and on the shaft.
  • a radially extending contact for electrical contacting of the conductor layers is provided.
  • the insulating layers may for example consist of aluminum oxide or be formed as a plasma polymer layer. Insulation layers are required due to the stacked capacitive and inductive structures.
  • the conductor layers are preferably made of NiCr and have a structuring. It has proven to be useful for the capacitive conductor layer structuring in the form of running at 45 ° to the longitudinal direction of the shaft strip. For the inductive conductor layer has a structuring in the form of the axis of the shaft circumferential strip has proven. Of course, other suitable embodiments for the structuring of capacitive and inductive conductor layer are possible.
  • the inductive and / or the capacitive conductor layer are preferably designed such that the capacitance and / or inductance changes due to a mechanical force acting on the shaft.
  • the resonant frequency of electrical oscillating circuits changes, which makes it possible to draw conclusions about the acting force or the torque acting on the shaft.
  • Sensotect coating of the applicant reference is made to the so-called Sensotect coating of the applicant.
  • the ohmic conductor layer may be a separate layer or be embodied as part of the capacitive or inductive conductor layer.
  • the coating has an additional Liehe layer with high permeability and low electrical conductivity, which is adjacent to the inductive conductor layer and separated therefrom by an insulating layer.
  • This additional layer which can be embodied, for example, as a ferrite layer, serves to guide the magne- netic flow and thus to optimize the inductive coupling.
  • radially expanding flux-conducting elements can be arranged axially on the inductive conductor layer.
  • each resonant circuit is inductively coupled to one coil of the evaluation unit.
  • the coil of the evaluation unit is part of a second resonant circuit of the evaluation unit.
  • the resonant circuit can be interpreted on the shaft as an additional reactance in the resonant circuit of the evaluation, the value of which is varied by the deformation of the machine element.
  • the resonant circuit of the evaluation unit is operated as an oscillator, its resonance frequency depends on the deformation of the shaft.
  • the output signal of the oscillator can, for example, be converted into a square wave signal in order to make an evaluation as simple as possible over the period duration, for example.
  • the resonant circuit on the shaft can also be understood as an additional impedance in the evaluation unit, whose value is varied by the deformation of the shaft. In this case, any method for determining an impedance can be used for the evaluation, for example a bridge circuit.
  • the device according to the invention can preferably be installed in a bottom bracket and serve there as an alternative to the hitherto conventional magnetoelastic devices.
  • FIG. 1 shows a shaft with a resonant circuit designed as a multilayer coating in a perspective view
  • Fig. 2 the shaft with the designed as a multilayer coating
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a first embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a third embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of a fourth embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic diagram of a fifth embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 1 shows the shaft 01 with the resonant circuit 02 in a perspective view, wherein the recognizability of the individual layers are shown partially in section
  • Fig. 2 shows the shaft 01 with the resonant circuit 02 in a structural cross-sectional view (was on the representation of the circumferential curvature omitted).
  • the shaft 01 which consists for example of a chromium-alloyed bearing steel, such as 100Cr6, first carries an insulating layer 03, which is designed for example as an aluminum oxide layer or as a plasma polymer layer.
  • the insulating layer 03 joins radially outwardly a capacitive conductor layer 04, which has a structuring 05 and consists for example of NiCr.
  • the structuring 05 of the capacitive conductor layer 04 can be embodied in the form of strips running at 45 ° to the longitudinal direction of the shaft 01.
  • the capacitive conductor layer 04 is followed by a dielectric layer 06, for example of titanium oxide, which partly also extends into cavities of the structuring 05.
  • the edges of the structuring 05 represent the capacitor plates, between which dielectric 06 is located.
  • the capacity is preferably formed as a comb structure. However, it is also possible a planar arrangement in any geometry. Under the influence of force, there is a change in the geometry of the capacitive conductor layer 04. Likewise, the permittivity of the dielectric layer 06 may change.
  • the dielectric layer 06 is followed by a further insulation layer 03a.
  • This further insulation layer 03a is followed by a layer of high permeability and low electrical conductivity 07, which is designed, for example, as a ferrite layer, such as NiFe 2 O 4 or ZnFe 2 O 4 .
  • the layer with high permeability and low electrical conductivity 07 is followed by a further insulation layer 03b, which is followed by an inductive conductor layer 08.
  • the inductive conductor layer 08 may consist of NiCr and has a structuring 09.
  • the structuring 09 can be designed in the form of the axis of the shaft 01 circumferential strip. According to a preferred embodiment, a helical inductance is realized. Alternatively, however, a planetary coil or combinations of both are possible.
  • the geometry of the inductive conductor layer 08 changes.
  • the permeability of the inductive conductor layer 08 can change.
  • the inductive conductor layer 08 is followed by a final insulation layer 03c.
  • a contact 10 which serves for electrical contacting of the conductor layers 04, 08.
  • the contacting is preferably made of NiCr.
  • the layer with high permeability and low electrical conductivity 07 can also be omitted.
  • this layer 07 has the advantage that it achieves a guidance of the magnetic flux and thus optimizes the inductive coupling.
  • the ohmic conductor layer is part of the capacitive conductor layer 04 in the exemplary embodiment shown.
  • the structuring 05 also represents the ohmic component.
  • the ohmic conductor layer may also be part of the inductive conductor layer 08.
  • Embodiments are also possible in which the ohmic conductor layer is designed as a separate conductor layer.
  • the ohmic structures are preferably designed as meanders (DMS). However, any other one- or multi-dimensional geometry is possible.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a device according to the invention in a simplified block diagram.
  • the passive electrical resonant circuit 02 On the shaft 01 of the passive electrical resonant circuit 02 is arranged, which, as already described in connection with FIGS. 1 and 2, is designed as a multilayer coating.
  • the passive electrical resonant circuit consists of a resistor 1 1, a capacitor 12 and an inductor 13. By appropriate design of at least one of these elements changes its characteristic value by introducing a mechanical deformation.
  • the oscillating circuit 02 is inductively coupled to a coil 14 of an evaluation unit 15 fixed in relation to the shaft 01.
  • the resonant circuit 02 is excited by means of coil 14 of the evaluation unit 15 for oscillating in its resonant frequency.
  • a certain frequency range for example go through it by means of a sinus sweep.
  • a sinusweep is known to be a signal with a sinusoidal waveform of increasing frequency and constant amplitude. If in this case the resonant circuit 02 is excited with its resonant frequency, its energy absorption is maximal, which is clearly reflected in its power consumption. Now, if the recorded electrical power of the resonant circuit 02 monitored for example by measuring the coil current, a conclusion on the resonant frequency and thus on the mechanical deformation of the shaft and thus on the impressed into the shaft 01 torque is possible. This measuring principle is known as the DIP meter principle.
  • the evaluation unit 15 has a second resonant circuit 17 with a coil 14 and a capacitor 19.
  • the coil 14 of the second resonant circuit 17 is arranged such that it forms a transformer with the coil 13 of the arranged on the shaft 01 resonant circuit 02.
  • the resonant circuit 02 on the shaft 01 can be regarded as an additional reactance in the second resonant circuit 17 whose value is varied by the deformation of the shaft 01.
  • the second resonant circuit 17 is operated as an oscillator, its resonant frequency depends on the deformation of the shaft 01.
  • the output signal of the oscillator can preferably be converted into a square wave signal in order to make an evaluation as simple as possible over the period duration, for example.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the device according to the invention in a simplified block diagram, in which a load-dependent amplitude modulation takes place.
  • This embodiment also uses a second resonant circuit 17 in the evaluation unit 15, the coil 14 forms a transformer together with the coil 13 of the resonant circuit 02 on the shaft 01.
  • the resonant circuit 02 on the shaft 01 can be interpreted by the evaluation unit 15 as an additional impedance whose value is determined by the deformation the shaft 01 is varied.
  • known methods for determining an impedance can be used, for example bridge circuit or the like.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the device according to the invention.
  • a broadband excitation with a constant power density spectrum is coupled by means of a coil 14 of the evaluation unit 15, for example, white noise in a specific RF band. If now the signal after the coupling, for example by means of Fourier transformation, evaluated, will result in the resonant frequency of the resonant circuit 02 on the shaft 01, due to its absorption behavior at resonance, a collapse of power at resonant frequency. Since the resonance frequency is a function of the elastic deformation of the shaft
  • Fig. 7 shows a fifth embodiment of the device according to the invention.
  • this embodiment are on the shaft 01 two similar resonant circuits
  • Each of the two oscillating circuits 02 is in each case coupled to its own resonant circuit 17 of the evaluation unit 15. Adequate to the in Fig.
  • the 4 embodiment described here also takes place a load-dependent frequency modulation.
  • the two resonant circuits 17 of the evaluation unit 15 are operated as an oscillator.
  • the resonant frequency in turn depends on the deformation of the shaft 01. Due to the double execution of the oscillating circuits 02 on the shaft 01, a temperature compensation in the corresponding evaluation can be implemented. Furthermore, drifting of the characteristic values due to aging or similar effects can be compensated for, which can be correspondingly implemented in the evaluation method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle (01) eingeleiteten Drehmoments umfassend mindestens einen, auf der Welle (01) angeordneten, passiven elektrischen Schwingkreis (02) mit einer sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändernden Resonanzfrequenz sowie eine in Bezug zur Welle (01) feststehende Auswerteeinheit (15) mit einer Spule (14), welche mit dem Schwingkreis (02) induktiv gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sichdadurch aus, dass mindestens ein Teil despassivenelektrischen Schwingkreises(02) als mehrschichtige Beschichtung auf der Welle (01) realisiert ist.

Description

Vorrichtung zur Erfassung des Drehmomentes in einer Welle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle eingeleiteten Drehmomentes.
Drehmomentsensoren werden in vielen Gebieten der Technik benötigt. Sie dienen der Erfassung des tatsächlichen Belastungszustandes von mechanischen Teilen, insbesondere rotierenden Wellen, und ermöglichen so eine Drehmoment optimierte Steuerung der die Welle antreibenden Leistung. Ein wesentliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Drehmomentmessung in Tretlagern, insbesondere bei Fahrrädern, Pedelecs, E- Bikes oder Ergometern. Vorbekannte Lösungen verwenden beispielsweise Tretlagereinheiten mit magnetischen Sensoren zur Drehmomentmessung. Beispielhaft sei auf die DE 20 2010 017 366 U1 und die DE 10 2012 215 022 A1 verwiesen.
Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments elektrische Schwingkreise zu verwenden. Die EP 1 026 492 A2 zeigt einen Drehmomentsensor, umfassend einen elektrischen Schwingkreis mit einer Anpassschaltung mit einem Wandler, einem akustischen Oberflächenwellenbauelement und einer Antenne. Der Wandler beinhaltet einen Kondensator mit einer ersten Elektrode, welcher an einer ersten Befestigungsstelle mit der Welle verbunden ist, und einer zweiten Elektrode, die an einer zweiten Befestigungsstelle mit der Welle verbunden ist, wo- bei die Befestigungsstellen axial voneinander beabstandet sind. Die beiden Elektroden sind relativ zueinander verschiebbar, so dass eine Verwindung der Welle durch ein Drehmoment eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bewirkt. Die GB 2195183 A beschreibt die Erfassung eines Drehmomentes in einer Welle anhand der Verzerrungen eines passiven Schwingkreises. Der Schwingkreis ist auf einer Welle befestigt und weist eine Resonanzfrequenz auf, welche sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändert. Mit dem Schwingkreis ist eine Schaltung induktiv gekoppelt, welche Schwankungen der Resonanzfrequenz erfasst.
Die DE 10 2009 027 997 A1 zeigt eine Messeinrichtung zur telemetrischen Auswertung eines einen elektrischen Schwingkreis aufweisenden passiven Sensors, welcher beispielsweise für die Messung eines Druckes innerhalb einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Die Messeinrichtung umfasst mindestens eine Schwingungsquelle, eine Koppelspule und einen Phasendetektor, wobei mittels der Schwingungsquelle in einem Refe- renzzweig eine elektrische Referenzschwingung und in einem Messzweig eine elektrische Messschwingung erzeugbar ist. Die Koppelspule ist im Messzweig angeordnet und kann induktiv an eine Schwingkreisspule des Sensors angekoppelt werden. Der Phasendetektor greift die Referenzschwingung und die Messschwingung ab und ermittelt den Phasenunterschied zwischen Referenz- Schwingung und Messschwingung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausgehend von der GB 2195183 A eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung des in eine Welle eingeleiteten Drehmomentes zur Verfügung zu stellen, welche sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, sich aufwandsarm an die Welle integrieren lässt und einen geringen Bauraum benötigt.
Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 . Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle eingeleiteten Drehmoments umfasst mindestens einen, auf der Welle angeordneten, passiven elektrischen Schwingkreis mit einer sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändernden Resonanzfrequenz sowie eine in Bezug zur Welle feststehende Auswerteeinheit mit einer Spule, welche mit dem Schwingkreis induk- tiv gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Element des passiven elektrischen Schwingkreises als mehrschichtige Beschichtung auf der Welle realisiert ist. Vorzugsweise werden durch mehrere Schichten auf der Welle sämtliche Elemente des passiven Schwingkreises realisiert.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die durch die Erfindung vorgeschlagene Lö- sung nicht nur auf die Erfassung von Drehmomenten beschränkt ist. Ebenso lassen sich Größen wie Kraft, Biegemoment und Drehmoment mit einer entsprechend aufgebauten Sensorik registrieren, solange diese zu einer auswertbaren Dehnung im Schichtsystem führen. Weiterhin ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Art der Sensorik, d. h. der Aufbau eines passiven elektri- sehen Schwingkreises in einer mehrlagigen Beschichtung selbstverständlich auch an planaren Maschinenelementen und auch stationär eingesetzt werden kann (nicht rotativ).
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch Realisierung einiger oder aller des Komponenten elektrischen Schwingkreises als mehrschichtige Beschichtung der als Sensor dienende Schwingkreis aufwandsarm an die Welle integriert werden kann. Hierzu ist lediglich ein entsprechender Beschichtungsprozess erforderlich. Der bislang erforderliche Aufwand für die Verdrahtung der Sensorik entfällt dadurch vor- zugsweise vollständig. Es ist keine zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechnik erforderlich. Hierdurch können Arbeitsschritte eingespart werden, beispielsweise entfällt die Kontaktierung, da die Kontaktierung bereits Bestandteil des mehrschichtigen Schichtaufbaus ist. Diese Art der Realisierung hat auch den Vorteil, dass sich das Handling vereinfacht, so besteht zum Beispiel keine Ge- fahr mehr durch Abreißen von Kabeln bzw. Drähten, wodurch sich nicht zuletzt auch die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zur Ausbildung des passiven elektrischen Schwingkreises dienen- de Beschichtung folgende, radial übereinander angeordnete Schichten: eine kapazitive Leiterschicht mit einer Strukturierung, eine der kapazitiven Leiterschicht nachfolgende Dielektrikum-Schicht , welche sich teilweise auch in Hohlräume der Strukturierung der kapazitiven Leiterschicht erstreckt und beispiels- weise aus Titanoxid besteht, eine induktive Leiterschicht mit einer Strukturierung, eine ohmsche Leiterschicht sowie Isolationsschichten, welche zwischen den Leiterschichten und auf der Welle angeordnet sind. Außerdem ist eine sich radial erstreckende Kontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der Leiterschichten vorgesehen.
Die Isolationsschichten können beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen oder als Plasma-Polymerschicht ausgebildet sein. Isolationsschichten sind aufgrund der übereinander angeordneten kapazitiven und induktiven Strukturen erforderlich. Die Leiterschichten bestehen vorzugsweise aus NiCr und weisen eine Strukturierung auf. Als zweckmäßig hat sich für die kapazitive Leiterschicht eine Strukturierung in Form von unter 45° zur Längsrichtung der Welle verlaufender Streifen erwiesen. Für die induktive Leiterschicht hat sich eine Strukturierung in Form von die Achse der Welle umlaufender Streifen bewährt. Es sind natürlich auch andere geeignete Ausführungsformen für die Strukturierungen von kapazitiver und induktiver Leiterschicht möglich.
Die induktive und/oder die kapazitive Leiterschicht sind vorzugsweise derart ausgeführt, dass sich die Kapazität und/oder Induktivität infolge einer mechani- sehen Krafteinwirkung auf die Welle ändert. Durch Änderung einer dieser beiden elektrischen Kenngrößen ändert sich bekanntlich die Resonanzfrequenz von elektrischen Schwingkreisen, wodurch Rückschlüsse auf die wirkende Kraft bzw. das an die Welle angreifende Drehmoment möglich sind. Im Zusammenhang mit der Realisierung der Leiterschichten wird auf die sogenannte Sensotect-Beschichtung der Anmelderin verwiesen. Die ohmsche Leiterschicht kann eine separate Schicht sein oder als Bestandteil der kapazitiven oder induktiven Leiterschicht ausgeführt sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung eine zusätz- liehe Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit auf, welche benachbart zur induktiven Leiterschicht und von dieser durch eine Isolationsschicht getrennt, angeordnet ist. Diese zusätzliche Schicht, welche beispielsweise als Ferritschicht ausgeführt sein kann, dient zur Führung des mag- netischen Flusses und damit zur Optimierung der induktiven Kopplung. Zur weiteren Optimierung der magnetischen Flussführung können an der induktiven Leiterschicht sich radial ausdehnende Flussleitelemente axial angeordnet werden.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn auf der Welle zwei gleichartige, passive elektrische Schwingkreise angeordnet sind, wobei jeder Schwingkreis mit jeweils einer Spule der Auswerteeinheit induktiv gekoppelt ist. Eine derartige Ausführung hat den großen Vorteil, dass eine Temperaturkompensation im verwendeten Auswerteverfahren implementiert werden kann. Des Weiteren kann ein Driften der Kennwerte durch Alterung oder ähnliche Effekte kompensiert werden, was ebenfalls entsprechend im Auswerteverfahren implementiert werden kann. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule der Auswerteeinheit Bestandteil eines zweiten Schwingkreises der Auswerteeinheit. Bei dieser Ausführung kann der Schwingkreis auf der Welle als zusätzlicher Blindwiderstand im Schwingkreis der Auswerteeinheit aufgefasst werden, dessen Wert durch die Deformation des Maschinenelements variiert wird. Wird nun der Schwing- kreis der Auswerteeinheit als Oszillator betrieben, hängt dessen Resonanzfrequenz von der Deformation der Welle ab. Das Ausgangssignal des Oszillators kann beispielsweise in ein Rechtecksignal gewandelt werden, um eine Auswertung, zum Beispiel über die Periodendauer möglichst einfach zu gestalten. Der Schwingkreis auf der Welle kann jedoch auch als zusätzliche Impedanz in der Auswerteeinheit aufgefasst werden, dessen Wert durch die Deformation der Welle variiert wird. Hierbei kann jedes Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz zur Auswertung herangezogen werden, beispielsweise eine Brückenschaltung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise in ein Tretlager eingebaut sein und dort als Alternative zu den bislang gebräuchlichen magnetoelastischen Vorrichtungen dienen. Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Welle mit einem als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten Schwingkreis in perspektivischer Ansicht;
Fig. 2: die Welle mit dem als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten
Schwingkreis in einer stark vereinfachten Schnittansicht; Fig. 3: eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4: eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5: eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung;
Fig. 6: eine Prinzipskizze einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 7: eine Prinzipskizze einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Anhand der Fig. 1 und 2 soll die die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnende Ausführung eines auf einer Welle 01 als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten passiven elektrischen Schwingkreises 02 erläutert werden. Fig. 1 zeigt die Welle 01 mit dem Schwingkreis 02 in perspektivischer Ansicht, wobei zur Erkennbarkeit der einzelnen Schichten diese teilweise geschnitten dargestellt sind, während Fig. 2 die Welle 01 mit dem Schwingkreis 02 in einer strukturellen Querschnittansicht zeigt (auf die Darstellung der Umfangskrümmung wurde verzichtet). Die Welle 01 , welche beispielsweise aus einem Chrom-legierten Wälzlagerstahl, wie 100Cr6 besteht, trägt als erstes eine Isolationsschicht 03, die zum Beispiel als Aluminiumoxidschicht oder als Plasma-Polymerschicht ausgeführt ist. Der Isolationsschicht 03 schließt sich radial nach außen eine kapazitive Leiterschicht 04 an, welche eine Strukturierung 05 aufweist und beispielsweise aus NiCr besteht. Die Strukturierung 05 der kapazitiven Leiterschicht 04 kann in Form von unter 45° zur Längsrichtung der Welle 01 verlaufender Streifen ausgeführt sein. Der kapazitiven Leiterschicht 04 schließt sich eine Dielektrikum-Schicht 06, zum Beispiel aus Titanoxid, an, welche sich teilweise auch in Hohlräume der Strukturierung 05 erstreckt. Die Kanten der Strukturierung 05 stellen die Kondensatorplatten dar, zwischen denen sich Dielektrikum 06 befindet. Die Kapazität ist vorzugsweise als Kammstruktur ausgebildet. Es ist jedoch auch eine flächige Anordnung in beliebiger Geometrie möglich. Unter Krafteinfluss kommt es zu einer Änderung der Geometrie der kapazitiven Leiterschicht 04. Ebenso kann sich die Permittivität der Dielektrikum-Schicht 06 ändern.
Der Dielektrikum-Schicht 06 schließt sich eine weitere Isolationsschicht 03a an. Dieser weiteren Isolationsschicht 03a folgt eine Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07, welche beispielsweise als Ferritschicht, wie NiFe2O4 oder ZnFe2O4, ausgeführt ist. Der Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07 folgt eine weitere Isolationsschicht 03b, welcher sich eine induktive Leiterschicht 08 anschließt. Die induktive Leiterschicht 08 kann aus NiCr bestehen und weist eine Strukturierung 09 auf. Die Strukturierung 09 kann in Form von die Achse der Welle 01 umlaufender Streifen ausgeführt sein. Nach einer bevorzugten Ausführung wird eine helixförmige Induktivität realisiert. Alternativ sind jedoch auch eine Pla- narspule oder Kombinationen aus beiden möglich.
Unter Krafteinfluss ändert sich die Geometrie der induktiven Leiterschicht 08. Ebenso kann sich die Permeabilität der induktiven Leiterschicht 08 ändern. Der induktiven Leiterschicht 08 schließt sich eine abschließende Isolationsschicht 03c an. Ausgehend von der kapazitiven Leiterschicht 04 erstreckt sich in radialer Richtung bis zur induktiven Leiterschicht 08 eine Kontaktierung 10, welche zur elektrischen Kontaktierung der Leiterschichten 04, 08 dient. Die Kontaktierung besteht vorzugsweise aus NiCr.
Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07 auch entfallen. Diese Schicht 07 hat jedoch den Vorteil, dass durch diese eine Führung des magnetischen Flus- ses erreicht wird und damit die induktive Kopplung optimiert wird.
Die ohmsche Leiterschicht ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Bestandteil der kapazitiven Leiterschicht 04. Die Strukturierung 05 stellt auch den ohm- schen Anteil dar. Bei alternativen Ausführungsformen kann die ohmsche Lei- terschicht auch Bestandteil der induktiven Leiterschicht 08 sein. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen die ohmsche Leiterschicht als separate Leiterschicht ausgeführt ist. Die ohmschen Strukturen sind vorzugsweise als Mäander (DMS) ausgebildet. Es ist jedoch auch eine andere beliebige ein- oder mehrdimensionale Geometrie möglich.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild. Auf der Welle 01 ist der passive elektrische Schwingkreis 02 angeordnet, welcher, wie bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, als mehrschichtige Beschichtung ausgeführt ist. Der passive elektrische Schwingkreis besteht aus einem Widerstand 1 1 , einer Kapazität 12 und einer Induktivität 13. Durch entsprechende Gestaltung mindestens eines dieser Elemente ändert sich dessen Kennwert durch Einbringen einer mechanischen Deformation. Der Schwingkreis 02 ist mit einer Spule 14 einer in Bezug zur Welle 01 feststehenden Auswerteeinheit 15 induktiv gekoppelt. Der Schwingkreis 02 wird mittels Spule 14 von der Auswerteeinheit 15 zum Schwingen in seiner Resonanzfrequenz angeregt. Hierzu wird ein bestimmter Frequenzbereich, beispielswei- se mittels eines Sinussweeps durchfahren. Ein Sinussweep ist bekanntlich ein Signal mit einem Sinusverlauf mit ansteigender Frequenz und gleichbleibender Amplitude. Wird hierbei der Schwingkreis 02 mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, ist seine Energieabsorption maximal, was sich deutlich in seiner Leistungsaufnahme zeigt. Wird nun die aufgenommene elektrische Leistung des Schwingkreises 02 beispielsweise durch Messung des Spulenstromes überwacht, ist ein Rückschluss auf die Resonanzfrequenz und somit auf die mechanische Deformation der Welle und damit auch auf das in die Welle 01 eingeprägte Drehmoment möglich. Dieses Messprinzip ist als DIP-Meter- Prinzip bekannt.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild. Bei dieser Ausführung findet eine lastabhängige Frequenzmodulation statt. Hierzu weist die Auswerteeinheit 15 ei- nen zweiten Schwingkreis 17 mit einer Spule 14 und einer Kapazität 19 auf. Die Spule 14 des zweiten Schwingkreises 17 ist derart angeordnet, dass sie mit der Spule 13 des auf der Welle 01 angeordneten Schwingkreises 02 einen Übertrager bildet. Hierbei kann der Schwingkreis 02 auf der Welle 01 als zusätzlicher Blindwiderstand im zweiten Schwingkreis 17 aufgefasst werden, des- sen Wert durch die Deformation der Welle 01 variiert wird. Wenn nun der zweite Schwingkreis 17 als Oszillator betrieben wird, hängt dessen Resonanzfrequenz von der Deformation der Welle 01 ab. Das Ausgangssignal des Oszillators kann vorzugsweise in ein Rechtecksignal gewandelt werden, um eine Auswertung, beispielsweise über die Periodendauer möglichst einfach zu ge- stalten.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild, bei welcher eine lastabhängige Amplitudenmodulation stattfindet. Diese Ausführung verwendet ebenfalls einen zwei- ten Schwingkreis 17 in der Auswerteeinheit 15, dessen Spule 14 zusammen mit der Spule 13 des Schwingkreises 02 auf der Welle 01 einen Übertrager bildet. Der Schwingkreis 02 auf der Welle 01 kann von der Auswerteeinheit 15 als zusätzliche Impedanz aufgefasst werden, deren Wert durch die Deformation der Welle 01 variiert wird. Zur Auswertung können bekannte Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz herangezogen werden, beispielsweise Brückenschaltung o. ä. Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In den Schwingkreis 02 auf der Welle 01 wird mittels einer Spule 14 der Auswerteeinheit 15 eine breitbandige Anregung mit konstantem Leistungsdichtespektrum eingekoppelt, beispielsweise weißes Rauschen in einem bestimmten HF-Band. Wird nun das Signal nach der Kopplung, beispielsweise mittels Fou- riertransformation, ausgewertet, wird sich bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 02 auf der Welle 01 , bedingt durch dessen Absorptionsverhalten bei Resonanz, ein Einbruch der Leistung bei Resonanzfrequenz ergeben. Da die Resonanzfrequenz eine Funktion der elastischen Deformation der Welle
01 darstellt, lässt dies einen Rückschluss auf die Deformation und somit auf die verursachende Kraft zu.
Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführung sind auf der Welle 01 zwei gleichartige Schwingkreise
02 angeordnet. Jeder der beiden Schwingkreise 02 ist mit jeweils einem eige- nen Schwingkreis 17 der Auswerteeinheit 15 gekoppelt. Adäquat zu der in Fig.
4 beschriebenen Ausführung findet hier ebenfalls eine lastabhängige Frequenzmodulation statt. Natürlich sind auch die im Zusammenhang mit den anderen Ausführungen beschriebenen Auswerteverfahren möglich. Die zwei Schwingkreise 17 der Auswerteeinheit 15 werden als Oszillator betrieben. Die Resonanzfrequenz hängt wiederum von der Deformation der Welle 01 ab. Durch die zweifache Ausführung der Schwingkreise 02 auf der Welle 01 kann eine Temperaturkompensation im entsprechenden Auswerteverfahren implementiert werden. Des Weiteren kann ein Driften der Kennwerte durch Alterung oder ähnliche Effekte kompensiert werden, was entsprechend im Auswertever- fahren implementiert werden kann. Bezugszeichenliste - Welle
- Schwingkreis auf der Welle
- Isolationsschicht
- kapazitive Leiterschicht
- Strukturierung der kapazitiven Leiterschicht
- Dielektrikum-Schicht
- Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit - induktive Leiterschicht
- Strukturierung der induktiven Leiterschicht
- Kontaktierung
- Widerstand des Schwingkreises auf der Welle
- Kapazität des Schwingkreises auf der Welle
- Spule des Schwingkreises auf der Welle
- Spule der Auswerteeinheit
- Auswerteeinheit
- - - Schwingkreis der Auswerteeinheit
- - - Kapazität der Auswerteeinheit

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle (01 ) eingeleiteten Drehmoments umfassend:
-mindestens einen, auf der Welle (01 ) angeordneten, passiven elektrischen Schwingkreis (02) mit einer sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändernden Resonanzfrequenz;
-sowie eine in Bezug zur Welle (01 ) feststehende Auswerteeinheit (15) mit einer Spule (14), welche mit dem Schwingkreis (02) induktiv gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente des passiven elektrischen Schwingkreis (02) als mehrschichtige Beschichtung auf der Welle (01 ) realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ausbildung des passiven elektrischen Schwingkreises (02) dienende Beschichtung folgende Schichten aufweist:
-eine kapazitive Leiterschicht (04) mit einer Strukturierung (05);
-eine der kapazitiven Leiterschicht (04) nachfolgende Dielektrikum- Schicht (06), welche sich teilweise auch in Hohlräume der Strukturierung (05) der kapazitiven Leiterschicht (04) erstreckt;
-eine induktive Leiterschicht (08) mit einer Strukturierung (09);
-eine ohmsche Leiterschicht;
- Isolationsschichten (03), welche zwischen den Leiterschichten (04, 08) und auf der Welle (01 ) angeordnet sind;
und eine sich radial durch vorgenannten isolierende Schichten erstreckende Kontaktierung (10) zur elektrischen Kontaktierung der Leiterschichten (04, 08).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Be- schichtung weiterhin eine Schicht (07) mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit aufweist, welche benachbart zur induktiven Leiterschicht (08) und von dieser durch eine Isolationsschicht (03b) ge- trennt, angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Leiterschicht (04) und/oder die induktive Leiterschicht (08) derart ausgeführt ist/sind, dass sich die Kapazität und/oder Induktivität infolge einer mechanischen Krafteinwirkung auf die Welle (01 ) ändert. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Leiterschicht (08) eine Strukturierung (09) in Form von die Achse der Welle (01 ) umlaufender Streifen aufweist, und/oder dass die kapazitive Leiterschicht (04) eine Strukturierung (05) in Form von Streifen aufweist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschichten (04, 08) aus NiCr bestehen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschichten (03) als Plasma-Polymerschicht oder Aluminiumoxidschicht ausgeführt sind. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei gleichartige, auf der Welle (01 ) angeordnete, passive elektrische Schwingkreise (02) aufweist, wobei jeder Schwingkreis (02) mit jeweils einer Spule (14) der Auswerteeinheit (15) induktiv gekoppelt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (14) der Auswerteeinheit (15) Bestandteil eines zweiten Schwingkreises (17) der Auswerteeinheit (15) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass sie in ein Tretlager eingebaut ist.
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