Momentes

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein hohles Maschinenelement zur Übertra- gung einer Kraft und/oder eines Momentes, welches eine Komponente einer Anord- nung zur Messung der wirkenden Kraft bzw. des wirkenden Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes bildet. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, die das erfindungsge- mäße hohle Maschinenelement umfasst.

Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Ketten- blattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Be- reich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.

Die US 6,490.934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Mes- sung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromag netischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.

Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelas- tischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.

Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor be- kannt.

Die US 7.308.835 B2 zeigt einen Drehmomentsensor mit einem magnetoelastischen Ring, welcher drei umlaufende Magnetisierungsbereiche aufweist, welche entgegen- gesetzte Polaritäten besitzen. Die JP 4910535 B2 lehrt einen Sensor zur Bestimmung eines auf eine Welle wirken- den Drehmomentes, welcher ein U -förmiges Element aus einem magnetostriktiven Material umfasst. Der durch das U -form ige Element gebildete Hohlraum ist mit einem nicht-magnetostriktiven Material gefüllt. Das U -form ige Element ist durch eine radiale Druckspannung und ggf. durch eine Elektronenstrahlschweißverbindung mit der Welle verbunden.

Aus der EP 2 799 827 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, bei welchem Magnetfeldsensoren im Innenraum einer Hohlwelle angeordnet sind. Die

Hohlwelle weist umlaufende Magnetisierungen mit entgegengesetzten Polaritäten auf.

Die DE 10 201 1 078 819 A1 zeigt einen geteilten Wankstabilisator mit einem Sensor zur Ermittlung eines im Wankstabilisators wirkenden Drehmomentes. Der Sensor um- fasst einen magnetisch kodierten Primärsensor, der aus einer auf dem

Wankstabilisator sitzenden Hülse gebildet sein kann. Alternativ kann der magnetisch kodierte Primärsensor durch eine Hülse gebildet sein, die in einem Hohlraum eines hohlen Flansches des Wankstabilisators eingebracht ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Kräften und/oder Momenten an einem hohlen Maschinenelement zu er- höhen. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein hohles Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten neben- geordneten Anspruch 10.

Das erfindungsgemäße hohle Maschinenelement dient primär zur Übertragung min- destens einer Kraft und/oder mindestens eines Momentes. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist gering ^f ügig verformt. Das Maschmenelement erstreckt sich in einer Achse, wobei die Achse bevorzugt auch eine Rotationsachse des Maschinenelementes bildet.

Das Maschinenelement ist hohl, da es einen sich zumindest teilweise in der Achse er- streckenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist insbesondere im Bereich der Achse ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich der Hohlraum über mehr als die Hälfte der axia- len Länge des Maschinenelementes. Der Hohlraum ist bevorzugt an einem axialen Ende des Maschinenelementes offen. Er weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf.

Das hohle Maschinenelement ist als eine Komponente einer Anordnung zur Messung der mindestens einen wirkenden Kraft bzw. des mindestens einen wirkenden Momen- tes ausgebildet. Diese Messung beruht auf dem invers-magnetosthktiven Effekt. Somit besteht eine sekundäre Funktion des hohlen Maschinenelementes darin, dass es ei- nen Primärsensor innerhalb der Anordnung zur Messung der mindestens einen wir- kenden Kraft bzw. des mindestens einen wirkenden Momentes bildet. Hierfür umfasst das hohle Maschinenelement zumindest einen Magnetisierungsbereich für eine Mag- netisierung, der aus einem magnetostriktiven Material besteht. Durch die Magnetisie- rung sowie durch die Kraft bzw. durch das Moment ist ein mittels der Anordnung messbares Magnetfeld hervorrufbar.

Der mindestens eine permanent oder temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des hohlen Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt mag- netisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magneti- sierungsbereiches messbar ist. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich stellt ei- nen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar

Der Magnetisierungsbereich ist zum Hohlraum hin ausgerichtet, sodass er eine Innen- seite des Maschinenelementes bildet. Somit ist der Magnetisierungsbereich radial in- nenliegend angeordnet Der Magnetisierungsbereich bildet keine radiale Außenseite des Maschinenelementes Der Magnetisierungsbereich bildet e-nen integra en Be- standteil des hohlen Maschinenelementes. Erfindungsgemäß weist der Magnetisierungsbereich einen mittleren axialen Abschnitt auf, in welchem der Magnetisierungsbereich radial beabstandet zu einem ferromagne- tisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes und/oder radial beabstandet zu einem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes angeordnet ist. Der fer- romagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes bzw. der thermisch leit- fähige Bereich des Maschinenelementes ist vom Magnetisierungsbereich verschie- den. Der ferromag netisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes ist magne- tisch leitfähig. Die thermische Leitfähigkeit des thermisch leitfähigen Bereiches des Maschinenelementes beträgt mindestens 0.1 W/(m-K). Bevorzugt ist der ferromag ne- tisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes auch thermisch leitfähig, sodass der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes und der ther- misch leitfähige Bereich des Maschinenelementes identisch sind. Alternativ ist der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes nicht ferromagnetisch und be- steht bevorzugt aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem faserverstärk- ten Kunststoff. Der axial mittlere Abschnitt weist eine axiale Länge auf. die bevorzugt mindestens die Hälfte, besonders bevorzugt mindestens zwei Drittel der axialen Län- ge des Magnetisierungsbereiches beträgt. In dem axiat mittleren Abschnitt kontaktiert der Magnetisierungsbereich den ferromagnetisch ausgebildeten Bereich bzw. den thermisch leitfähigen Bereich nicht, da dazwischen zumindest weitestgehend ein radi- aler Abstand ausgebildet ist. Der radiale Abstand ist bevorzugt umfänglich ausgebil- det Der radiale Abstand ist bevorzugt über die gesamte axiale Länge des axial mittle- ren Abschnittes ausgebildet. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes besteht darin, dass durch eine einfache konstruktive Maßnahme die Messbarkeit des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft bzw. durch das Moment bewirkten Magnet- feldes deutlich verbessert ist. Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich stellen zwei Bereiche des hohlen Maschinenelementes dar. die einen Kompositaufbau des hohlen Maschinenelementes bilden. Alternativ stellen der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich zwei Bereiche des hohlen Maschinenelementes dar. die einen Kompositaufbau des hohlen Maschinenelementes bilden.

Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 %, be- sonders bevorzugt mehr als 2 % des radialen Abstandes zwischen dem ferromagne- tisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes und der Achse.

Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem thermisch leitfä- higen Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 %, besonders bevorzugt mehr als 2 % des radialen Abstandes zwischen dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes und der Achse.

Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 mm: weiter bevorzugt mehr als 2 mm. Der radiale Abstand zwi- schen dem Magnetisierungsbereich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt weniger als 10 mm. Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes beträgt bevorzugt mehr als 1 mm: weiter bevorzugt mehr als 2 mm. Der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenele- mentes beträgt bevorzugt weniger als 10 mm.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem fer- romagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Abschnittes konstant

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ändert sich der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbe- reich und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes in- nerhalb des axial mittleren Abschnittes in axialer Richtung, wobei diese Änderung be- vorzugt linear ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Masch inenele- mentes ist der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbereich und dem ther- misch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Ab- schnittes konstant.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ändert sich der radiale Abstand zwischen dem Magnetisierungsbe- reich und dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes innerhalb des axial mittleren Abschnittes in axialer Richtung, wobei diese Änderung bevorzugt linear ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes umgibt der ferromagnetisch ausgebildete Bereich den Magnetisierungsbereich umfänglich. Bevorzugt umschließt der ferromagnetisch ausgebildete Bereich den Magnetisierungsbereich umfänglich. Dabei ist der ferromagnetisch ausgebildete Be- reich radial außen angeordnet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes umgibt der thermisch leitfähige Bereich den Magnetisierungsbereich umfäng- lich. Bevorzugt umschließt der thermisch leitfähige Bereich den Magnetisierungsbe- reich umfänglich. Dabei ist der thermisch leitfähige Bereich radial außen angeordnet

Der Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes ist bevorzugt rotationssymmet- risch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Symmetrie- achse des Magnetisierungsbereiches bildet. Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes ist bevorzugt ro- tationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Symmetrieachse des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches des Maschinenele- mentes bildet. Der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes ist bevorzugt rotations- symmetrisch ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine Sym- metrieachse des thermisch leitfähigen Bereiches des Maschinenelementes bildet.

Das erfindungsgemäße hohle Maschinenelement ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Achse auch gleichzeitig eine Symmetrieachse bildet.

Der Magnetisierungsbereich besitzt bevorzugt die Grundform eines Hohlzylinders: insbesondere die Grundform einer Hülse. Die Achse des Maschinenelementes bildet auch die Achse des Hohlzylinders.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der Magnetisierungsbereich an zwei den axial mittleren Abschnitt ein- schließenden axialen Positionen jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ferro- magnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden. Folglich ist der Magnetisierungsbereich bevorzugt an seinen axialen Enden fest mit dem ferro- magnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden, sodass die von außen auf das Maschinenelement wirkende Kraft bzw. das von außen auf das Maschinenelement wirkende Moment jedenfalls auch auf den Magnetisierungsbereich wirkt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist der Magnetisierungsbereich an zwei den axial mittleren Abschnitt ein- schließenden axialen Positionen jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ther- misch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes verbunden. Folglich ist der Mag- netisierungsbereich bevorzugt an seinen axialen Enden fest mit dem thermisch leitfä- higen Bereich des Maschinenelementes verbunden, sodass die von außen auf das Maschinenelement wirkende Kraft bzw. das von außen auf das Maschinenelement wirkende Moment jedenfalls auch auf den Magnetisierungsbereich wirkt.

Die die Grundform des MagnetiSierungsbereiches bildende Hülse weist an einem oder an beiden ihrer axialen Enden bevorzugt eine radial nach innen oder radial nach au- ßen ragende ringförmige Verstärkung auf. über die sie fest mit dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes verbunden ist. Durch die eine ring- förmige Verstärkung bzw. durch die beiden ringförmigen Verstärkungen kann die radi- ale Beabstandung im axial mittleren Abschnitt aufwandsarm gewährleistet werden, da der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des Maschinenelementes lediglich mit einer zylinderförmigen inneren Wandung ausgebildet werden muss.

Die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse weist an einem oder an beiden ihrer axialen Enden bevorzugt eine radial nach innen oder radial nach au- ßen ragende ringförmige Verstärkung auf. über die sie fest mit dem thermisch leitfähi- gen Bereich des Maschinenelementes verbunden ist. Durch die eine ringförmige Ver- stärkung bzw. durch die beiden ringförmigen Verstärkungen kann die radiale

Beabstandung im axial mittleren Abschnitt aufwandsarm gewährleistet werden, da der thermisch leitfähige Bereich des Maschinenelementes lediglich mit einer zylinderför- migen inneren Wandung ausgebildet werden muss.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils durch eine Verbindung fest mit dem ferromagnetisch ausgebil- deten Bereich des Maschinenelementes bzw. mit dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes verbunden. Die beiden festen Verbindungen können jeweils an einer Außenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebil- det sein. Die beiden festen Verbindungen können jeweils durch einen Stoffschluss. durch einen Kraftschluss oder durch einen Formschluss gebildet sein. Bevorzugt sind die beiden Verbindungen jeweils durch eine Schweißverbindung, durch eine Wider- standschweißverbindung, durch eine Kondensatorimpulsschweißverbindung oder durch eine Aufschrumpfverbindung gebildet. Der Formschluss ist bevorzugt durch ei- ne Verzahnung, beispielsweise durch eine Radialverzahnung gebildet Grundsätzlich können die beiden festen Verbindungen von unterschiedlicher Art sein oder auch je- weils durch eine Kombination von Verbindungsarten gebildet sein.

Bei bevorzugten Ausfuhrungsformen des erf.ndungsgemaßen hohler" Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils fest im ferromag netisch ausgebildeten Bereich des Maschinen- elementes eingespannt. Diese beiden Einspannungen können jeweils an einer Au- ßenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebildet sein Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist die die Grundform des Magnetisierungsbereiches bildende Hülse an ihren axialen Enden jeweils fest im thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes eingespannt Diese beiden Einspannungen können jeweils an einer Außenseite, an einer Stirnseite oder an einer Innenseite der Hülse ausgebildet sein.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes weist der ferromag netisch ausgebildete Bereich zumindest dort, wo er den Magnetisierungsbereich umgibt, die Grundform eines Hohlzylinders auf, innerhalb dessen der Magnetisierungsbereich angeordnet ist. Der die Grundform des ferromag- netisch ausgebildeten Bereiches bildende Hohlzylinder weist einen Innendurchmesser auf. der bevorzugt größer als der Außendurchmesser des Magnetisierungsbereiches ist. damit der Magnetisierungsbereich radial beabstandet zu dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich des Maschinenelementes angeordnet ist. Die Differenz der ge- nannten Durchmesser bestimmt den radialen Abstand. Der Innendurchmesser des die Grundform des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches bildenden Hohlzylinders ist bevorzugt mehr als 2 mm. weiter bevorzugt mehr als 4 mm größer als der Außen- durchmesser des Magnetisierungsbereiches.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes weist der thermisch leitfähige Bereich zumindest dort, wo er den Magnetisie- rungsbereich umgibt, die Grundform eines Hohlzylinders auf. innerhalb dessen der Magnetisierungsbere'ch angeordnet ist. Der die Grundform des thermisch leitfähigen Bereiches bildende Hohlzylinder weist einen Innendurchmesser auf. der bevorzugt größer als der Außendurchmesser des Magnetisierungsbereiches ist. damit der Mag- netisierungsbereich radial beabstandet zu dem thermisch leitfähigen Bereich des Ma- schinenelementes angeordnet ist Die Differenz der genannten Durchmesser be- stimmt den radialen Abstand Der Innendurchmesser des die Grundform des tner- misch leitfahigen Bereiches bildenden Hohlzylinders ist bevorzugt mehr ais 2 mm. weiter bevorzugt mehr als 4 mm größer als der Außendurchmesser des Magnetisie- rungsbereiches.

Der Magnetisierungsbereich ist innerhalb des axial mittleren Abschnittes bevorzugt vollständig umfänglich radial beabstandet zu dem ferromag netisch ausgebildeten Be- reich des Maschinenelementes angeordnet.

Der Magnetisierungsbereich ist innerhalb des axial mittleren Abschnittes bevorzugt vollständig umfänglich radial beabstandet zu dem thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes angeordnet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich ein magnetisch isolierender Ab- Standshohlraum angeordnet Der Abstandshohlraum weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf, dessen Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm. weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt. Im Abstandshohlraum befindet sich bevorzugt ein Gas. wie z. B. Luft, oder ein Vakuum. Das Gas bzw. das Vakuum ist magnetisch nicht leitend und nicht magnetostriktiv.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem ferromagnetisch ausgebildeten Bereich eine magnetisch isolieren- de Abstandsschicht angeordnet. Die Abstandsschicht besteht aus einem magnetisch nicht leitenden und bevorzugt nicht magnetostriktiven Material. Die Abstandsschicht besteht bevorzugt aus einem thermisch isolierenden Material. Der Magnetisierungsbe- reich. die Abstandsschicht und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bilden somit bevorzugt drei aufeinanderfolgende Schichten eines Schichtaufbaus des Maschinen- elementes.

Die Abstandsschicht weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf dessen

Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm weiter bevorzugt mindestens 2 mm betragt Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem thermisch leitfähigen Bereich ein thermisch isolierender Abstandshohlraum angeordnet. Der Abstandshohlraum weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf. dessen Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm, weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt. Im Abstandshohlraum befindet sich bevorzugt ein Gas. wie z. B. Luft, oder ein Vakuum. Das Gas bzw. das Vakuum ist thermisch nicht bzw. kaum leitend.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Ma- schinenelementes ist zwischen dem Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt und dem thermisch leitfähigen Bereich eine thermisch isolierende Abstands- schicht angeordnet. Die Abstandsschicht besteht aus einem thermisch nicht leitenden Material, dessen Wärmeleitfähigkeit bevorzugt weniger als 0,1 W/(m K): weiter bevor- zugt weniger als 0,05 W/(m-K) beträgt. Der Magnetisierungsbereich, die Abstands- schicht und der thermisch leitfähige Bereich bilden somit bevorzugt drei aufeinander- folgende Schichten eines Schichtaufbaus des Maschinenelementes.

Die Abstandsschicht weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders auf. dessen

Wanddicke bevorzugt mindestens 1 mm, weiter bevorzugt mindestens 2 mm beträgt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die kleiner ist als die Wanddicke des ferromagnetisch ausgebildeten Be- reiches in diesem axialen Abschnitt. Weiter bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbe- reich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als halb so groß wie die Wanddicke des ferromagnetisch ausgebildeten Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist Besonders bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als 20 % der Wanddicke des ferro- magnetisch ausgebildeten Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenele- mentes besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die kleiner ist als die Wanddicke des thermisch leitfähigen Bereiches in diesem axialen Abschnitt. Weiter bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Abschnitt eine Wanddicke, die weniger als halb so groß wie die Wanddicke des thermisch leitfähigen Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist. Be- sonders bevorzugt besitzt der Magnetisierungsbereich in dessen axial mittleren Ab- schnitt eine Wanddicke, die weniger als 20 % der Wanddicke des thermisch leitfähi- gen Bereiches in diesem axialen Abschnitt ist.

Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich des hohlen Maschinenelementes bzw. der thermisch leitfähige Bereich des hohlen Maschinenelementes bildet besonders bevor- zugt eine Hauptkomponente des Maschinenelementes, welche für die originäre Funk- tion des Maschinenelementes zur Übertragung der mindestens einen Kraft und/oder des mindestens einen Momentes ausgebildet ist. Der Magnetisierungsbereich bildet hingegen einen Primärsensor der Anordnung zur Messung der wirkenden Kraft oder des wirkenden Momentes.

Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich, d h die Hauptkomponente des Maschi- nenelementes weist eine Magnetostriktivität auf. die bevorzugt kleiner als die

Magnetostriktivität des Magnetisierungsbereiches ist. Der ferromagnetisch ausgebilde- te Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschinenelementes weist besonders be- vorzugt keine oder nur eine kleine Magnetostriktivität auf.

Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschi- nenelementes besteht bevorzugt aus einem Stahl. In diesem Fall stellt der ferromag- netisch ausgebildete Bereich gleichzeitig auch den thermisch leitfähigen Bereich des Maschinenelementes dar.

Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Zumindest weisen der Mag- netisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich Ausdehnungskoef- fizienten auf. die sich bevorzugt um weniger als 10 % voneinander unterscheiden.

Der MacjnetiS:erur.gsbe ^r eicn und ae.' ferromagiietiscn ausgebildete Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Elastizitätsmodul auf. Zumindest weisen der Magnetisie- rungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich Elastizitätsmodule auf. die sich bevorzugt um weniger als 30 % voneinander unterscheiden.

Der Magnetisierungsbereich und der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bestehen bevorzugt überwiegend aus demselben Stoff, welcher bevorzugt durch Eisen gebildet ist.

Der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Zumindest weisen der Magnetisie- rungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich Ausdehnungskoeffizienten auf. die sich bevorzugt um weniger als 10 % voneinander unterscheiden.

Der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich weisen bevorzugt einen gleichen Elastizitätsmodul auf Zumindest weisen der Magnetisierungsbereich und der thermisch leitfähige Bereich Elastizitätsmodule auf. die sich bevorzugt um weniger als 30 % voneinander unterscheiden.

Der ferromagnetisch ausgebildete Bereich bzw. der thermisch leitfähige Bereich, d. h. die Hauptkomponente des Maschinenelementes ist bevorzugt axial länger als der Magnetisierungsbereich. Beispielsweise ist der Magnetisierungsbereich in Form einer hülsenartigen inneren Schicht axial einseitig im Maschinenelement ausgebildet.

Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt magnetisch leitend. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magne- tisiert sein. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt jedoch durch mindestens eine Permanentmagnetisierung permanentmagnetisiert. sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist Bei alternativen Ausführungsformen ist der Magnetisierungsbereich temporär magnetisierbar. beispielsweise durch einen Elektromagneten oder durch einen Dauermagneten, welcher eine Komponente der Anordnung zur Messung der Kraft und/oder des Momentes bildet. Der Magnetisie- rungsbereicn muss n.cht vollständig durcn die Permarentmagnetisierung magnetisiert sein bzw. vollständig temporär magnetisierbar sein. Es können somit magnetisch neutrale Abschnitte des Magnetisierungsbereiches vorhanden sein, beispielsweise als axiale Abschnitte

Die mindestens eine Permanentmagnetisierung ist bevorzugt umlaufend um die Ach- se ausgerichtet, sodass sie in tangentialer Richtung ausgebildet ist. Der Magnetisie- rungsbereich kann auch mehrere der umlaufenden Permanentmagnetisierungen auf- weisen, welche als Spuren ausgebildet sind, wobei die Polarität der mehreren umlau- fenden Permanentmagnetisierungen abwechselnd ausgerichtet sein kann. Das Maschinenelement weist bevorzugt die äußere Grundform eines Prismas oder ei- nes Zylinders auf. wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeord- net ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die äußere Grundform eines geraden Kreiszylinders auf, wo- bei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausfüh- rungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Insofern sich der Hohlraum über die gesamte axiale Länge des Maschinenelementes erstreckt, besitzt es bevorzugt die Form eines Hohlzylinders.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine partiell hohle Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine zumindest partiell hohle Schaltgabel oder durch einen Hohl- flansch gebildet. Die partiell hohle Welle, die Hohlwelle, die partiell hohle Schaitgabel bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momen- te ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein Grundsätzlich kann das hohle Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.

Die angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die tangentiale Richtung und die radiale Richtung sind auf die Achse des hohlen Maschinenelementes bezo- gen.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraf: und'oder eines Mo- mentes an dem erfindungsgemäßen hohlen Maschirienelement. Die Kiaft bzw. das Moment wirkt auf das hohle Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Span- nungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die An- ordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, der in dem Hohlraum des Maschinenelementes angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekun- därsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht. Die erfindungsgemäße Anordnung dient bevorzugt zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einer der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemä- ßen hohlen Maschinenelementes. Das Maschinenelement bzw dessen bevorzugte Ausführungsform bildet eine Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Der Magnetfeldsensor ist alternativ bevorzugt durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersen- sor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, inso- fern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.

Weitere Einzelheiten. Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, un- ter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen.

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hohlen

Maschinenelementes:

Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen hohlen

Maschinenelementes. Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen

Masch:nene!ementes. Fig. 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes: und

Fig 5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen

Maschinenelementes.

Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in Form eines Hohlflansches in einer Querschnittsansicht. Das hohle Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse 01. Das hohle Maschinenele- ment ist rotationssymmetrisch um die Achse 01 ausgebildet.

Das hohle Maschinenelement umfasst eine ferromagnetische Hauptkomponente 02 aus einem Stahl, sodass diese auch einen thermisch leitfähigen Bereich des hohlen Maschinenelementes darstellt. Die ferromagnetische Hauptkomponente 02 ist dazu ausgebildet, die vom hohlen Maschinenelement zu übertragenden Kräfte und/oder Momente aufzunehmen und weiterzuleiten.

Die ferromagnetische Hauptkomponente 02 ist überwiegend hohlzylindrisch ausgebil- det, wobei im Inneren der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 ein hülsenartiger Magnetisierungsbereich 03 angeordnet ist. der ebenfalls einen Bestandteil des hohlen Maschinenelementes bildet Im Inneren des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03 ist ein zylinderförmiger Hohlraum 04 ausgebildet, der auch einen Hohlraum des Maschinenelementes bildet und in welchem ein Magnetfeldsensor (nicht gezeigt) an- geordnet ist.

Der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 weist an einem ersten axialen Ende eine ringförmige Verstärkung 06 auf. welche radial nach außen gerichtet ist Der hülsenar- tige Magnetisierungsbereich 03 weist an einem zweiten axialen Ende eine ringförmige Verstärkung 07 auf. welche radial nach innen gerichtet ist. Der hülsenartige Magneti- sierungsbereich 03 ist ausschließlich über die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 mit der ferromagnetische Hauptkomponente 02 mechanisch fest verbunden Die mecha- nischen Verbindungen können auf einem Stoff-. Kraft- oder Formschluss beruhen. Da die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenartigen Mag- netisierungsbereiches 03 angeordnet sind, werden die auf die ferromagnetische Hauptkomponente 02 wirkenden Kräfte und/oder Momente weitestgehend auch auf den hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 übertragen.

Zwischen den ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenar- tigen Magnetisierungsbereiches 03 ist ein axial mittlerer Abschnitt 08 vorhanden, in welchem zwischen dem hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 und der ferromag- netischen Hauptkomponente 02 eine magnetisch isolierende Abstandsschicht 09 an- geordnet ist. Statt der magnetisch isolierenden Abstandsschicht 09 kann dort auch ein magnetisch isolierender Abstandshohlraum (nicht gezeigt) angeordnet sein.

Das hohle Maschinenelement weist keinen Hinterschnitt auf. sodass der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 bei der Fertigung des Maschinenelementes problemlos in die ferromagnetische Hauptkomponente 02 eingeführt und dort befestigt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 1 ge- zeigten Ausführungsform fehlt die ringförmige Verstärkung 07 am zweiten axialen En- de des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03. Stattdessen weist die ferromag- netische Hauptkompnnente 02 an riiesor axialen Position eine ringförmige Verstär- kung 1 1 auf. um den hülsenartigen Magnetisierungsbereich 03 dort von außen einzu- spannen. Somit weist d.e ferromagnetische Hauptkomponente 02 im Bereich der nng- förmigen Verstärkung 1 1 einen kleineren Innendurchmesser auf, um den hülsenarti- gen Magnetisierungsbereich 03 fest aufzunehmen, was eine Alternative zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform darstellt, bei welcher der hülsenartige Magnetisie- rungsbereich 03 die ringförmige Verstärkung 07 aufweist, die von innen durch die fer- romagnetische Hauptkomponente 02 fest aufgenommen wird.

Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen hohlen

Maschinerielementes in einer Querschn iisansicht Diese Ausfuhrungsfomi gleicht zu- nächst der in Fig. 2 gezeigten Ausfühiunyssfomi. Im Unterschied zu der in Fig 2 ge- zeigten Ausführungsform ist die Abstandsschicht 09 nicht hohlzylinderförmig. sondern hohlkegelstumpfförmig ausgebildet. Somit ändert sich der Abstand zwischen dem hül- senartigen Magnetisierungsbereich 03 und der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 in axialer Richtung.

Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 3 ge- zeigten Ausführungsform weist der hülsenartige Magnetisierungsbereich 03 die in Fig. 1 gezeigte ringförmige Verstärkung 07 am zweiten axialen Ende auf. die jedoch stirnseitig mechanisch fest mit der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 verbun- den ist. Die mechanischen Verbindungen können beispielsweise durch Widerstands- schweißverbindungen oder durch Kondensatorimpulsschweißverbindungen gebildet sein.

Fig. 5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hohlen Maschinenelementes in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zu- nächst der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 4 ge- zeigten Ausführungsform sind die ringförmigen Verstärkungen 06. 07 an den axialen Enden des hülsenartigen Magnetisierungsbereiches 03 zusätzlich durch formschlüssi- ge Verbindungen 12 mechanisch fest mit der ferromagnetischen Hauptkomponente 02 verbunden.

Bezuqszeichenliste

01 Achse

02 ferromag netische Hauptkomponente aus Stahl

03 hülsenartiger Magnetisierungsbereich

04 zylinderförmiger Hohlraum

05

06 ringförmige Verstärkung

07 ringförmige Verstärkung

08 axial mittlerer Abschnitt

09 magnetisch isolierende Abstandsschicht 10

11 ringförmige Verstärkung

12 formschlüssige Verbindung