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 NiFe ₂ O ₄ oder ZnFe ₂ O _4, 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