4 wichtige Technologien zur Drehmomentmessung in Serienanwendungen.

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Posted by Steffen Witzemann - 17 April, 2018

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Viele verschiedene Sensoren haben sich in unseren Anwendungen manifestiert und sind nicht mehr wegzudenken. Es gibt jedoch in verschiedenen Bereichen noch nicht gelöste Aufgaben. So ist in der Medizintechnik die nicht invasive Erfassung von Blutdruckdaten ein bisher unzufrieden stellend gelöstes Problem. Im Bereich von Industrieanwendungen gilt die Drehmomentmessung als Königsdisziplin für die Sensorik. Es gibt verschiedene Lösungen mit unterschiedlichen Ansätzen, um das Drehmoment zu messen. Im Folgenden gehen wir auf die verschiedenen Möglichkeiten näher ein.

1. Drehmomentmessung mit DMS auf der Messwelle (Dehnungsmessstreifen)

2. Drehmomentmessung mit einem Dehnmessstreifen Messflansch

3. Passiver magnetostriktiver Drehmomentsensor

4. Aktive magnetisch induktive Drehmomentsensoren

5. Drehmomentsensoren in Prüfstands- und Serienanwendungen

Drehmomentmessung mit DMS auf der Messwelle (Dehnungsmessstreifen)

Der Dehnungsmessstreifen (DMS) wird seit 40 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt und hat seine Produktreife in verschiedenen Einsatzgebieten erreicht. Die Drehmomentmessung mittels DMS ist in vielen Bereichen etabliert, dazu wird der DMS auf die Messwelle geklebt, um dort die Krafteinwirkung auf die Messwelle durch eine Veränderung des Widerstandes zu messen. Um mit dieser Messmethode gute Messresultate zu erzielen, ist eine sehr genaue Ausrichtung des DMS in Bezug auf die Drehrichtung der Messwelle notwendig. Zusätzlich gilt die Schnittstelle zwischen dem DMS und der Messwelle als kritische Stelle, da der Kleber die physikalische Verdrehung der Welle auf den DMS überträgt. Verändert sich diese mechanische Kraftübertragung aufgrund von Alterungseffekten des verwendeten Klebers findet das Auswirkungen auf die Qualität des Messignals. Außerdem muss die Spannungsversorgung für den DMS und die Signalerfassung als elektrische Schnittstelle über die rotierende Welle übertragen werden. Dazu können entweder Schleifkontakte oder sogenannte Telemetriesysteme verwendet werden, die mittels drahtloser Übertragung die erfassten Messdaten übermitteln und gleichzeitig notwendige Energie für den DMS zur Verfügung stellen. Diese Drehmomentsysteme haben eine hohe Präzision sind aber in der Anschaffung und Unterhalt sehr teuer was wiederum ein Hindernis für den hochvolumigen Einsatz in der Serie darstellt.

 

Drehmomentmessung mit einem Dehnmessstreifen Messflansch

Neben der direkten Applikation des DMS auf die drehende Welle, gibt es Systeme bei denen ein DMS Messflansch zum Einsatz kommt. Der DMS Messflansch wird zwischen zwei Wellenenden fest montiert und liegt somit im Kraftfluss der Übertragungswelle. Um diesen DMS Messflansch zu integrieren, ist es notwendig dass die verwendete Welle unterbrochen wird und die Messwelle mit Anschlussnuten versehen ist. Dies bedeutet einen sehr großen Aufwand für die Integration des Drehmomentsensors. Weiterhin stellt diese Messmethode hohe Anforderungen an die Parallelität von Messflansch und Messwelle, da bereits geringe Abweichungen zu Querbelastungen führen können, die das Drehmomentsignal bereits signifikant verfälschen. Trotz der etablierten Technologie und den präzisen Messungen, die hier ermöglicht werden, stellt der Integrationswand und der notwendige Platzbedarf jede Anwendung vor eine Herausforderung. Zusätzlich sind die Systeme sehr aufwändig hergestellt, was den Einsatz in einer Serie aufgrund der hohen Stückpreise uninteressant macht.

 

Passiver magnetostriktiver Drehmomentsensor

Eine Technologie, die es seit ca. 15 Jahren gibt, deren verwendeter Messeffekt allerdings bereits einige Jahrhunderte bekannt ist, ist die Drehmomentmessung mittels Magnetostriktion. Bei dieser Technologie wird ein bei ferromagnetischen Materialien vorhandener Effekt ausgenutzt, der dazu führt, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Volumen und der makroskopischen Magnetisierung eines Materials. Durch die Einwirkung von Drehmomenten auf eine ferromagnetische Welle ändern sich deren Volumen und damit die makroskopische Magnetisierung. Die Veränderung der Magnetisierung kann durch den Einsatz von GMR (Giant Magneto Resistance), Flux Gates oder Hall Sensoren gemessen werden. Um diesen sehr kleinen Messeffekt in eine robuste Anwendung zu überführen, werden die Wellen vormagnetisiert. Diese Vormagnetisierung führt dazu, dass die Messsignale größer werden und damit ein verbessertes Signal zu Rauschverhalten erwartet werden kann. Mit dieser Messmethode existiert die Möglichkeit kontaktlos an der Welle Drehmomente zu messen. Durch den Einsatz von Magnetfeldsensoren und die sehr kleinen Signalpegel sind diese Drehmomentsensoren leider sehr anfällig auf Störeinflüsse von außen. So können bereits kleinste Änderungen des Erdmagnetfeldes oder durch einen Elektromotor erzeugte Magnetfelder das Messsignal verändern, d.h. der Aufwand der gemacht werden muss, um das Sensorsignal vor Störeinflüssen zu schützen ist sehr groß. Eine zusätzliche Herausforderung ist die Magnetisierung der Welle. Diese basiert auf einer umständlichen Methode, da die Welle in verschiedene Magnetmuster eingeteilt werden muss, d.h. der Prozess dafür ist sehr aufwändig. Eine weitere Herausforderung ist die Alterung bzw. zeitliche Veränderung des Magnetfeldes. Eine zeitliche Abschwächung des Magnetfeldes führt zu einer Veränderung der Sensitivität und damit zu einem Fehler im Signal.

 Lesen Sie hier wie Elektrifizierung die Mobilität revolutioniert und welche  Rolle die Drehmomentsensorik spielt!

Aktive magnetisch induktive Drehmomentsensoren

Aufbauend auf dem Prinzip der passiven Magnetischen Drehmomentsensoren gibt es die aktiven magnetisch induktiven Drehmomentsensoren. Diese Technologie basiert darauf, dass die Messung der Magnetostriktion nicht bei einer bereits vormagnetisierten Welle geschieht, sondern das Magnetfeld bei jeder Messung aktiv erzeugt, in die Welle eingekoppelt wird und die resultierenden Magnetfelder gemessen werden. Auch bei dieser aktiven Magnetisierung der Welle muss das verwendete Material ferromagnetischer Basis entsprechen. Der Vorteil dieser ständigen Aufmagnetisierung der Welle ist, dass das Magnetfeld nicht altert und der Sensor eine Information über die Magnetfeldstärke hat. Durch diese aktive Magnetisierung sind die magnetischen Flüsse deutlich größer und damit das resultierende Signal zu Rausch Verhalten sehr viel besser. Dies trägt wesentlich zu einer Störunempfindlichkeit bei. Auch kann mit dieser aktiven Magnetisierung und z.B. mit einem Ferrit ein räumlich und zeitlich sehr definiertes Magnetfeld in die Welle eingeprägt werden. Diese Form der Drehmomentmessung ist wie die passive Technologie berührungslos und kann auf sehr engem Bauraum in eine Kundenanwendung integriert werden. Durch den Einsatz von einer hoch integrierten Schaltung und Planarspulen als Induktivität entsteht ein sehr robuster und zuverlässiger Sensor.

 

 

Drehmomentsensoren in Prüfstands- und Serienanwendungen

Es gibt weitere Methoden um Drehmomente an rotierenden Wellen zu messen, die jedoch noch in ihren technologischen Kinderschuhen stecken und hier nicht erwähnt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die herkömmlichen Drehmomentsensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen ihre Einsatzberechtigung haben, wenn es darum geht sehr präzise zu messen, wie z.B. in Prüfstandsanwendungen. Für Serienanwendungen ist der Einsatz von Drehmomentsensoren auf magnetischer Basis sicherlich der richtige Ansatz. Hierbei hat der Einsatz von aktiven magnetisch induktiven Drehmomentsensoren deutliche Vorteile in Bezug auf Robustheit und die Integration in Kundenanwendungen.

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Lesen Sie außerdem mehr über: "Drehmomentsensor Predictive Maintenance",  "Drehmomentmessung Lenksystem" und "Wie regelt man mit einem Drehmomentsensor das Kennfeld vom Motor"!

Topics: Drehmomentsensor, Drehmomentsensor Funktionsweise

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