CN107923804B - 具有传感器装置的机械元件和制造机械元件的方法 - Google Patents

Abstract

在包括中空轴部分并且包括用于检测作用在中空轴部分上的机械负载的传感器装置（2）的机械元件中，传感器装置（2）布置在中空轴部分中，其中，中空轴部分具有径向向内突出的第一模制件（12）和径向向内突出的第二模制件（20），并且传感器装置（2）利用在径向向内突出的第一模制件（12）和径向向内突出的第二模制件（20）之间的轴向预应力互锁地固定。在用于制作机械元件的制作方法中，在第一模制步骤中，在机械元件的中空轴部分中产生径向向内突出的第一模制件（12），在后续的传感器布置步骤中，传感器装置（2）在中空轴部分中互锁地附接在径向向内突出的第一模制件（12）上，并且在随后的固定步骤中，在中空轴部分中产生径向向内突出的第二模制件（20），传感器装置（2）通过径向向内突出的第二模制件（12）利用径向向内突出的第一模制件（12）和径向向内突出的第二模制件（20）之间的轴向预应力互锁地固定。

Description

具有传感器装置的机械元件和制造机械元件的方法

本发明涉及具有中空轴部分和用于检测影响中空轴部分的机械应力的传感器装置的机械元件，该传感器装置布置在中空轴部分中。

管状或棒状机械元件在机器和工厂构造的许多领域中用作轴或中空轴、轴或棒结构。关于在制造和组装期间作用在机械元件上的机械应力的全面和精确的知识在新的机械元件的开发阶段期间以及在机械元件的使用和整个使用寿命期间是非常有意义的。

为了测量作用在机械元件上的机械力和力矩，特别是在试验台和开发实验中，合适的传感器从外部固定在机械元件的表面上，并且传感器值被测量和评估。在许多情况下，应变计能够用于以成本有效且可靠的方式检测机械元件表面上的甚至微小的变形。

传感器值的连续监测是有益的，且有时需要例如在称重技术、负载监测以及生产控制和生产监测中进行。除了永久状态监测之外，传感器装置和应用可能性也是已知的，通过其能够检测到早期的诸如裂纹或塑性变形等结构损坏，其可能会损害机械元件的功能，或损坏和缩短机械元件的寿命和可靠性。根据传感器装置检测到的变化或结构损坏，可能在发生危急情况之前检测到机械元件即将发生的故障。

为了能够对影响机械元件的机械应力进行最可靠且精确的测量，有必要将传感器装置尽可能精确且永久地固定在机械元件上。同时，应该避免传感器设备在测量期间，在其预期的使用期间以及在制造和组装期间受到过度的应力，这可能导致不正确的测量或对传感器装置造成损坏。同时，与常规机械元件相比，传感器不应对操作和使用造成任何限制，诸如由于安装在机械元件外部的传感器或由于安装传感器可能需要的接头引起的限制。

例如，从EP 1 597 128 B1已知传感器装置布置在轴的腔中以保护其免受外部影响和环境条件的影响。传感器装置在轴的腔中被保护以防止操作性机械和示意影响以及防止任何故意的损坏。机械元件的振动和结构固有噪声能够用布置在腔中的传感器装置进行记录和评估。传感器装置在腔中的永久精确固定不是必要的，因为传感器装置不旨在测量机械元件的腔的变形。

中空轴是已知的，其中传感器装置通过粘合剂结合或压配合力锁定被固定在中空轴的内部。尽管能够相对准确地给出传感器装置在中空轴内的位置，但是以这种方式布置的传感器装置只能在有限的程度上适用于中空轴的轴向和径向变形的综合检测，因为传感器信号的可靠分析通常需要相关传感器或传感器装置在测量点处在存在预加载力的情况下固定。此外，传感器设备的布置和限定需要大量的安装工作。

因此，认为本发明的任务是以下述方式设计上述类型的机械元件，即使得传感器装置被布置为在机械元件上尽可能地被保护，并且在尽可能长的时间段内提供对作用在机械元件上的机械负载的可靠且精确的测量。

根据本发明，通过下述事实来解决这个任务：机械元件的中空轴部分具有第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构，并且传感器装置以在第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构之间的轴向预加载力形状配合地/刚性地固定。两个径向向内突出的结构能够是例如在圆柱形表面中界定中空轴部分的内部的周向凸出部。在有利的方式中，径向向内突出的结构的内径小于在轴向方向上中空轴部分两侧的相邻区域。能够通过以下方式来实现特别低的影响和损伤中空轴部分的性能：对于每个向内突出的结构，中空轴部分的两个相邻区域具有匹配的第一内径，以及在其之间形成的向内突出的结构具有小于第一内径的第二内径。

径向向内突出的结构能够具有带有渐缩或锥形侧的三角形横截面面积。还可能的是径向向内突出的结构具有非对称轮廓的横截面。

向内突出的结构能够形成一个或多个限位表面，传感器装置的相对面能够在所述限位表面上彼此接触。

传感器装置形状配合地固定在两个径向向内突出的结构之间，从而能够排除传感器装置的非期望的轴向移位。此外，通过指定在向内突出的结构的接触表面之间的距离，能够沿轴向方向在位于其间的传感器装置上施加接触压力，并且由此促使传感器装置的轴向预加载力。

轴向预加载力能够达到足够大的值，因此使得传感器装置相对于周围的中空轴部分被足够抗扭地紧紧固定，为了可靠地检测被施加的转矩和扭转负载。轴向预应力也适当地足够大以对抗在通常在预期使用期间发生的温度和机械负载作用下可能发生的蠕变效应。此外，传感器装置的预应力使得能够提供用于适当地选择和附接的传感器的测量信号，其在更广的范围内进行线性的与变形相关的测量，并且有助于精确评估。

根据本发明构思的有利设计，意图是第一径向向内突出的结构和/或第二径向向内突出的结构具有与中空轴部分的中央轴线成一定角度倾斜的限位表面。例如，限位面的角度为或限位面的倾斜度在20度和30度之间。径向向内突出的结构能够被简单且不贵地利用成角度的限位表面制作出来。此外，传感器装置的期望预应力能够借助于倾斜的限位表面在长时间内以低误差公差维持。

在旋转对称设计的机械元件的情况下，且尤其，在用于旋转的机械元件的情况下，建议第一径向向内突出的结构和/或第二径向向内突出的结构在周向方向上具有恒定的横截面面积。以这种方式，能够通过恒定或旋转对称的轮廓来减少机械元件在旋转期间失衡的风险。此外，向内突出的结构的横截面面积在周向方向上保持恒定的事实有利于传感器装置沿着中央轴线的对准，并且显著降低了在径向方向上可能作用在传感器装置上的非期望剪切力分量的风险。

为了将传感器装置尽可能抗扭地固定在中空轴部分内，意图是第一径向向内突出的结构的限位表面和/或第二径向向内突出的结构的限位表面在圆周方向上具有异型化表面，其与传感器装置形成接合。例如，在圆周方向上异型化的表面能够具有波状或齿形图案。同样可以想到，该表面具有在轴向方向上延伸的凹槽或凸出部。表面也可以被粗糙化或设置有足够不均匀或粗糙的涂层。

取决于该表面的给出的异型部，传感器装置和异型化表面之间的接合在以高的压入配合以及在适用情况下形状配合插入和固定传感器装置之后形成。通过这种接合，传感器装置在中空轴部分中抗扭地固定，使得甚至能够可靠地检测到高转矩。

为了便于传感器装置在向内突出的结构之间的插入和可靠定位，规定传感器装置具有第一端面和/或第二端面，该第一端面和/或第二端面带有周向边缘区并且带有形成在边缘区中的倒角。

为了加强和促进传感器装置和向内突出的结构之间的接合，规定传感器装置具有第一端面和/或第二端面，该第一端面和/或第二端面具有带有周向边缘区的轮廓，轮廓在圆周方向上异型化并且与第一径向向内突出的结构或第二径向向内突出的结构形成接合。在传感器装置的端面的边缘区中在圆周方向上的异型化轮廓有利地与向内突出的结构的限位表面的表面轮廓相匹配。以这种方式，能够不复杂地进行传感器装置在中空轴部分中的可靠且极其抗扭的紧固。圆周方向上的异型化轮廓可以与也是周向的倒角组合。借助于在圆周方向上的这种形状配合接合，能够实现传感器装置在中空轴部分中被抗扭地固定，并且可以用传感器装置可靠且精确地检测由扭转引起的转矩和变形。传感器装置相对于周围的中空轴部分的非期望扭动只有当从外部作用的力和转矩强迫传感器装置和相邻的径向向内突出的结构之间的形状配合接合发生塑性变形或破坏该形状配合接合时才发生。

有利的是，传感器装置具有传感器装置的第一端面和/或第二端面的周向边缘区的轮廓，其与第一或第二径向向内突出的结构的轮廓相匹配。以这种方式，可以使最大的可能接触面积成为可能，并且实现了传感器装置即使在稍微向内突出的结构的情况下也在大面积上接触这些结构的对应限位表面。

根据本发明构思的有利设计，意图是传感器装置具有至少一个变形传感器。合适的变形传感器例如是应变计布置或压电传感器或石英板传感器，其能够用于对通过机械应力产生的中空轴部分的变形进行非常低成本且精确的测量。由于在轴向方向上产生的传感器装置的预应力，所使用的各个变形传感器能够以对应的预应力操作，且因此不仅可靠地检测力矩，而且检测在轴向方向上作用的拉伸和压缩力。此外，根据引起的变形，能够在相应测量位置处在预应力作用下设置的许多变形传感器在广泛的测量范围上呈现线性并因此永久地精确评估所产生的传感器信号。

串联连接的几个压电元件传感器的布置，诸如几个具有不同切割平面的石英晶体的组合，允许检测作用力和力矩的几个不同方向的分量，并且还提供了可以省去复杂的粘合其他元件传感器（诸如应变计）的步骤的优势。

对于许多应用，建议机械元件是轴。中空轴部分也能够在轴向方向上基本上在整个轴上延伸，使得机械元件是中空轴。还可能中空轴部分在轴向方向上仅具有短的范围，其与要容纳在其中的传感器装置的尺寸相匹配，使得实心轴或实心机器元件仅受到最小机械影响。机械元件还可以是机器或系统中的棒结构的轴线或棒状部件。

本发明还涉及一种用于制作具有中空轴部分和用于测量影响中空轴部分的机械应力的传感器装置的机械元件的方法。根据本发明，在第一成型步骤中，在机械元件的中空轴部分中制作第一径向向内突出的结构。在随后的传感器布置步骤中，传感器装置被形状配合地装配在中空轴部分中的第一径向向内突出的结构上。在随后的接合步骤中，在中空轴部分中制作第二径向向内突出的结构，借助于该第二径向向内突出的结构，传感器装置利用在第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构之间的轴向预应力被形状配合地固定。

在第一成型步骤期间，能够进行成型过程以减小中空轴部分的直径。因此，传感器装置的布置和固定被集成到根据本发明的机械元件的制造过程中，其在很少额外努力的情况下是可能的。在这种情况下，传感器信号的连续检测和评估能够在将传感器装置插入中空轴部分中期间，且特别是在制作第二径向向内突出的结构期间已经发生，借助于该第二径向向内突出的结构，生成传感器装置的轴向预应力，并且传感器装置被固定在中空轴部分中。因此，能够可靠地给出传感器装置的期望预应力，并且能够检查传感器装置在中空轴部分中的功能和适当固定。

机械元件的制作能够特别低成本地进行，并且通过冷成型过程简单地制作第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构。为此目的，仅需要机械元件由适合于在径向向内突出的结构的区域中冷成型的材料制成。由于为了许多目的和应用领域机械元件能够或应由金属制成，所以这种机械元件的创新制造过程能够以有利的方式与冷成型结合使用。

根据本发明构思的特别有利的设计，意图是通过旋锻制作径向向内突出的结构。至少中空轴部分，且如果合适的话，整个机械元件通过旋锻从坯件有利地转变到期望的轮廓。为了对于传感器装置的特别简单的集成，有目的性的给坯件形成轮廓，其具有适于生产方法的外部和内部外形轮廓。为此目的，能够使用插入到腔中的芯棒，其具有端部部分的适当设计和轮廓，并且根据其在中空轴部分内的定位，影响或给出通过旋锻过程促使的径向向内突出的结构的轮廓。

为了尽可能不贵地制作向内突出的结构的限位表面的合适异型部，有利地规划，使用插入到中空轴部分中的芯棒来给出第一和/或第二径向向内突出的结构在圆周方向上的异型化轮廓。为此目的，芯棒在其端部区中具有异型部，其是向内突出的结构的期望异型部的负型。在机械元件的冷成型期间，坯件或机械元件的一些材料流动到由芯棒的端部区决定的负型中，由此制作径向向内突出的结构的对应异型部。在从中空轴部分移除芯棒之后，给出的表面轮廓保持住。

下面更详细地解释在附图中所示的创造性的以下示例。其示出：

图1至图4 在制作带有布置在其中的传感器装置的中空轴期间过程顺序的示意图，

图5 在中空轴部分的加工期间用于旋锻的机床的示意图，

图6 芯棒和根据本发明的带有布置在其中的传感器装置的中空轴部分带有在制造过程期间使用芯棒制作的异型部的中空轴部分的分解图，

图7 带有布置在其中的传感器装置以及放大器和传输装置的中空轴的示意图，

图8 在径向凹入带区域中带有多个变形传感器的传感器组件的示意且局部剖视图，

图9和图10 各自是用于在传感器装置和沿周向方向形成的周围中空轴部分之间产生形状配合的各种可能性的示意图，

图11 在圆周方向上形状配合地固定在中空轴部分的周围区域中的传感器装置的一部分的示意图，以及

图12 具有包括多个压电接触石英盘的传感器布置的不同传感器布置的示意图，其中传感器布置被布置在沿轴向方向具有有限的中空轴部分的轴中。

在图1至图4中，作为示例示出了本发明的制造过程中的不同步骤，利用其，制作了带有固定在其中的预应力传感器装置2的中空轴1。

如图1所示，管状坯件3能够用于制作。将芯棒4插入到管状坯件3中，该芯棒具有带有稍小半径的第一部分5和带有稍大半径的第二部分6。两个部分5和6的相应端部区各自具有在周向方向上异型化的倒角7和8。第一部分5的长度和两个倒角7和8之间的距离大致对应于传感器装置2在轴向方向上的长度，从而传感器装置2有利地稍长一些。

利用在图5中示例性示出的合适的机床9，位于图2右侧的坯件3的第一部分通过旋锻缩短了周长，使得外周长已经对应于中空轴1的期望轮廓。利用各个旋锻工具10（其在坯件3沿着其中央轴线11相对于机床9移位的同时摆动地作用在坯件3上）的适当相对运动，在芯棒4的前端12处制作向内突出的环状结构12。在内部区域中流动的坯件3的材料流动到芯棒4的异型化倒角7，其用作负型并且制作向内突出的结构12的倾斜接触表面13的对应异型部。接触表面13相对于中央轴线11的倾斜角度α为约21°。

通过用机床9加工坯件3，坯件3的锥形渐缩区域14在芯棒4的倒角8的区域中制作。该区域14还具有在圆周方向上的异型部，该异型部与倒角8的异型部相匹配且由此被给出。

随后，将芯棒4拉出，并将传感器装置2插入到坯件3中，直到传感器装置2的第一端面15接触向内突出的结构12。然后将第二芯棒16插入到坯件3中并按压抵靠传感器装置2的第二端面17，以便传感器装置2处于轴向预应力作用下。第二芯棒16具有对应于芯棒4的第一部分5的直径的直径。在面向传感器装置2的前端18上，芯棒16还具有倒角19，如图3所示，代替第二芯棒16，第一芯棒4也可被重新插入并按压抵靠传感器装置2的第二端面17。

带有布置在其中的传感器装置2的坯件3与芯棒16一起相对于机床9移位，同时坯件3在最初锥形渐缩区域14上通过摆动的旋锻工具10被转变成中空轴1的其最终轮廓。形成第二向内突出的结构20，其轮廓由传感器装置2的第二端面17和芯棒16的倒角19给出。向内突出的结构20的面向传感器装置2的接触表面21主要保持锥形渐缩区域14的异型部，其被转变成第二向内突出的结构20。传感器装置2在由芯棒16决定的预加载力作用下在轴向方向上形状配合地固定在第一向内突出的结构12和新形成的第二向内突出的结构20之间，由此锥形渐缩区域14到第二端面17的配合在传感器装置2中导致附加的轴向指向的力分量或预应力。图4中示出了带有固定在其中的传感器装置2的成品中空轴1，由于成型过程和由此推动的材料流动，所以传感器装置2在轴向方向上被约束和压缩，使得在减径成型过程期间产生或维持预应力。

第一径向向内突出的结构12的倾斜角度α也能够不同地被给出，因为接触表面13能够专门设计成具有可靠的形状配合的目的。另一方面，在第二向内突出的结构20的接触表面21处的倾斜角度α对于在成型过程期间的期望材料流动以及在径向作用的旋锻过程期间生成在轴向方向上作用的横向力来说也是重要并且因此应适宜地位于20°和30°之间的区域内。

由于在渐缩区域14的圆周方向上先前形成的异型部和第一向内突出的结构12的对应异型部，所以沿圆周方向的形状配合接合同时产生，并且传感器装置2在中空轴1的内部空间中抗扭地固定在两个向内突出的结构12和20之间。

传感器装置2具有合适的传感器载体22，多个变形传感器23固定在该传感器载体22上。利用变形传感器23测量的传感器值例如能够无线地传输到评估装置。

在图6中，在图2中所示的制造步骤之后，作为示例，芯棒4和坯件3以分解图示出。芯棒4的倒角7和8的异型部制作接触表面13和21的对应调整的异型部，在接触表面13和21之间传感器装置2通过形状配合以抗扭的方式固定并在轴向方向上被预加应力。

图7通过示例示出了固定在中空轴1中的两个径向向内突出的结构12和20之间的传感器装置2以及放大器和传输装置24以及用于将传感器值无线传输到外部评估装置（未示出）的天线25。放大器和传输装置24在中空轴1中布置成直接邻近于传感器装置2，并通过端面15电气连接到传感器载体22上的变形传感器23。

图8示出了传感器装置2的替代设计，其中放大和传输装置24位于传感器载体22内部的腔26内。变形传感器23，其粘附到在传感器载体22的径向凹入带区域27中的外周表面28，被电传导地连接到放大器和传输装置24。天线25在轴向方向上通过密封件29从传感器载体22引出。

为了在圆周方向上与周围的中空轴1或与径向向内突出的结构12和20的接触表面13和21实现可靠的形状配合，传感器装置2相应地在端面15和17二者上具有多个齿形或鼻形结构30。

能够以各种方式制作接触表面13和21的异型部以及在传感器装置2的端面15和17的区域中形成齿形或鼻形结构30。

在图9中示意性示出的设计示例中，使用布置在坯件3内部的芯棒4的倒角7和8的适当异型部来给出接触表面13和渐缩区域14的适当异型部，其然后被推到其上。随后插入的传感器装置2的两个端面15和17由没有坯件3硬的材料组成，使得在传感器装置2的轴向压入操作期间维持其异型部，并且促使渐缩区域14的随后改型和传感器装置2的端面15和17的适当异型部。

在图10中所示的示例性设计示例中，给出传感器装置2的端面15和17上的异型部并将其传递到径向向内突出的结构12和20的接触表面13和21。

在这两种情况下，实现如图11中所示的形状配合，其在周向方向上在端面15和17与相应分配的接触表面13和21之间存在，并且防止传感器装置2相对于周围的中空轴1非期望的扭动。为了说明的目的，在图11中仅示出了传感器装置2的在图示中右侧的局部区域。沿周向方向给出的异型部位于传感器装置2的右侧面15和径向突出的形状20的左侧接触表面21二者上，以便在传感器装置2和中空轴1之间给出形状配合介入，其分别源自两个表面。

在图12中示意性地示出的设计示例中，传感器装置2布置在轴32中的盲孔31中。传感器装置2具有带有不同的切割方向平面的多个压电石英板33，其串联连接且在轴向方向上成排布置。

Claims (9)

1.一种机械元件（1、32），其具有单件中空轴部分和用于检测影响所述中空轴部分的机械应力的传感器装置（2），其中，所述传感器装置（2）布置在所述中空轴部分中，其特征在于，所述中空轴部分具有第一径向向内突出的结构（12）和第二径向向内突出的结构（20），并且特征在于，所述传感器装置（2）利用所述第一径向向内突出的结构（12）和所述第二径向向内突出的结构（20）之间的轴向预应力被形状配合地连接，并且所述传感器装置（2）具有第一端面（15）和/或第二端面（17），所述第一端面（15）和/或所述第二端面（17）具有在圆周方向上具有异型化轮廓的周向边缘区，所述第一端面（15）和/或所述第二端面（17）在所述圆周方向上与所述第一径向向内突出的结构（12）或与所述第二径向向内突出的结构（20）形成接合，借助于在所述圆周方向上的这种接合，所述传感器装置在所述中空轴部分中被抗扭地固定，并且用所述传感器装置可靠且精确地检测由扭转引起的转矩和变形，所述第一径向向内突出的结构（12）和/或所述第二径向向内突出的结构（20）具有限位表面（13、21），其相对于所述中空轴部分的中央轴线（11）成角度倾斜，所述第一径向向内突出的结构（12）的限位表面（13）和/或所述第二径向向内突出的结构（20）的限位表面（21）在圆周方向上具有与所述传感器装置（2）形成接合的异型化表面。

2.根据权利要求1所述的机械元件（1、32），其特征在于，所述第一径向向内突出的结构（12）和/或所述第二径向向内突出的结构（20）在圆周方向上具有恒定的横截面面积。

3.根据权利要求1所述的机械元件（1、32），其特征在于，所述第一端面（15）和/或所述第二端面（17）的在所述圆周方向上具有异型化轮廓的所述周向边缘区形成接触表面，其相对于所述中央轴线（11）成角度倾斜，并且特征在于，所述传感器装置（2）的所述轴向预应力由倾斜的所述接触表面决定。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的机械元件（1、32），其特征在于，所述传感器装置（2）具有至少一个变形传感器（23）。

5.一种用于制造机械元件（1、32）的方法，所述机械元件（1、32）具有中空轴部分和布置在其中用于测量影响所述中空轴部分的机械应力的传感器装置（2），其中，在第一成型步骤中，在所述机械元件（1、32）的所述中空轴部分中形成第一径向向内突出的结构（12），其中，在随后的传感器布置步骤中，传感器装置（2）在所述中空轴部分中被形状配合地装配在所述第一径向向内突出的结构（12）上，并且所述传感器装置（2）通过轴向移位被形状配合在机床工具与所述中空轴部分之间，并且其中，在随后的接合步骤中，在所述中空轴部分中形成第二径向向内突出的结构（20），所述传感器装置（2）通过所述第二径向向内突出的结构利用所述第一径向向内突出的结构（12）和所述第二径向向内突出的结构（20）之间的轴向预应力被形状配合地连接，并且所述传感器装置（2）具有第一端面（15）和/或第二端面（17），所述第一端面（15）和/或所述第二端面（17）具有在圆周方向上具有异型化轮廓的周向边缘区，所述第一端面（15）和/或所述第二端面（17）在所述圆周方向上与所述第一径向向内突出的结构（12）或与所述第二径向向内突出的结构（20）形成接合，借助于在所述圆周方向上的这种接合，所述传感器装置在所述中空轴部分中被抗扭地固定，并且用所述传感器装置可靠且精确地检测由扭转引起的转矩和变形。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一径向向内突出的结构（12）和所述第二径向向内突出的结构（20）通过冷成型制作。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述径向向内突出的结构（12、20）通过旋锻制作。

8.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，其特征在于，在所述第一径向向内突出的结构和/或所述第二径向向内突出的结构（12、20）的圆周方向上的异型化轮廓由插入到所述中空轴部分中的芯棒（4）决定。

9.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，其特征在于，在所述第一径向向内突出的结构和/或所述第二径向向内突出的结构（12、20）的圆周方向上的异型化轮廓由所述传感器装置（2）的异型化端面（15、17）决定。

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