DE102011087471A1

DE102011087471A1 - Bauteil mit Sensor zur Messung seiner Belastung

Info

Publication number: DE102011087471A1
Application number: DE102011087471A
Authority: DE
Inventors: Jens Heim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Materialausnehmung (12) und mit einem Materialelement (1), das zumindest einen Sensor enthält (2), wobei das Materialelement (1) in die Materialausnehmung (12) kraftschlüssig eingepasst ist. Die Materialausnehmung (12) wird dabei durch das Materialelement (1) wenigstens einseitig bündig abgeschlossen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Sensor zur Messung von Bauteilbelastungen.
Hintergrund der Erfindung
Zur Ermittlung der Beanspruchung von sich im Betrieb befindlichen Bauteilen werden regelmäßig die auf das Bauteil wirkenden Kräfte und insbesondere die Verformungen des Bauteils gemessen.
Sensoren zur Erfassung von Bauteilbelastungen sind hinlänglich bekannt. Hierfür werden beispielsweise Kraftmessdosen oder Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Dehnungsmessstreifen werden üblicherweise direkt auf das zu messende Bauteil aufgeklebt. Die Befestigung eines Sensors und gegebenenfalls das Aushärten eines notwendigen Klebers erfordern in einer Serienfertigung nicht unerhebliche Änderungen. Für groß bauende Bauteile ist ein direktes Bestücken mit hohem Aufwand und damit mit hohen Kosten verbunden. Bei einer notwendigen Handmontage leiden die Zuverlässigkeit und die Wiederholbarkeit der Bestückung. Um die Sensoren an geeigneten Stellen mit ausreichendem Messeffekt zu positionieren, müssen zudem mitunter Ausnehmungen wie Nuten oder Bohrungen in das Bauteil eingebracht werden. Diese Ausnehmungen können sich jedoch nachteilig auf die Materialeigenschaften, z. B. die Steifigkeit, und die Lebensdauer des Bauteils auswirken.
Zudem muss die Oberfläche des zu sensierenden Bereichs meist auch eine hohe Güte, z. B. im Hinblick auf Rauheit oder Reinheit aufweisen, um einen vorbeschriebenen Sensor dort zur Messung stabil montieren zu können. In manchen Fällen ist der Ort der gewünschten Sensoraufbringung einer Bearbeitung bzw. Herstellung der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit gar nicht zugänglich oder die entsprechende Bearbeitung lässt sich nur aufwändig realisieren.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit einem Sensor bereitzustellen, welches einfacher und kostengünstiger in der Herstellung bzw. Montage ist. Zudem sollen die Funktion des Bauteils und der ursprüngliche Zustand des Bauteils möglichst erhalten bleiben.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Demnach umfasst das erfindungsgemäße Bauteil eine Materialausnehmung und ein Materialelement, das zumindest einen Sensor enthält. Das Materialelement ist in die Materialausnehmung kraftschlüssig eingepasst. Die Materialausnehmung wird durch das Materialelement wenigstens einseitig bündig abgeschlossen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Sensoren zur Messung einer Bauteilbelastung erst spät im Fertigungsprozess aufgebracht werden sollten, um den Fertigungsprozess nicht grundlegend ändern zu müssen. Weiter geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass es in einem automatisierten Fertigungsverfahren einfacher und kostengünstiger ist, kleine Teile anstelle von groß bauenden Bauteilen zu bestücken. Daher sieht die Erfindung vor, die Sensoren auf kleine Teile, nämlich auf Materialelemente aufzubringen, die – dann mit dem Sensor bestückt – spät im Fertigungsprozess in eine Materialausnehmung des Bauteils eingepasst werden. Dadurch, dass die Materialelemente kraftschlüssig eingepasst werden und die Materialausnehmung wenigstens einseitig bündig abschließen, erlaubt es die Erfindung, die Materialeigenschaften des Bauteils im Wesentlichen unverändert zu lassen.
Die klein bauenden Materialelemente können einfach und kostengünstig mit einer gewünschten Oberflächengüte und Reinheit hergestellt werden. Nach Einbringung in die Materialausnehmung behält das Bauteil im Wesentlichen seine gewünschten Eigenschaften. Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, Materialelemente mit gegenüber dem Bauteil verbesserten Eigenschaften herzustellen bzw. einzusetzen.
Das Bauteil kann nur eine Materialausnehmung und ein Materialelement enthalten. In Abhängigkeit von den zu messenden Belastungen können aber auch mehrere Ausnehmungen mit mehreren Materialelementen vorgesehen sein. Das jeweilige Materialelement kann mit einem einzigen Sensor zur Messung, aber auch mit mehreren gleichen oder unterschiedlichen Sensoren auch auf mehr als einer Fläche bestückt sein. Als Sensoren können verschiedene Belastungssensoren eingesetzt sein. Insbesondere sind Dehnungs-, Kraft- oder Drucksensoren verwendet.
Die Materialelemente können zylinder- oder keilförmig ausgebildet sein oder jede andere Geometrie aufweisen. Um beispielsweise Fertigungstoleranzen auszugleichen, können die Einpresselemente auch konisch ausgeführt sein.
Dabei ist das Materialelement so ausgelegt, dass es aufgrund der kraftschlüssigen Einpassung nicht frei wird. Über die kraftschlüssige Einpassung sind auch die auf das Bauteil wirkenden Kräfte von dem Materialelement aufgenommen und messbar. Gegebenenfalls ist das Materialelement durch eine zusätzliche Verbindung, wie beispielsweise eine Schraub-, Kleb-, oder Schweißverbindung, zu sichern.
Eventuell entstehende Zwischenräume zwischen dem Bauteil und dem Materialelement können mit einer Vergussmasse ausgefüllt sein. Dies kann den Sensor und eventuell vorhandende Leitungen schützen und als zusätzliche Versteifung dienen.
Das Materialelement kann teilweise oder vollständig aus dem gleichen Material bestehen wie das zu messende Bauteil. Es ist aber insbesondere auch möglich, einen für die Anbringung des Sensors vorteilhaften Werkstoff mit höheren Anforderungen an dessen Reinheitsgrad und Oberflächengüte zu verwenden. Zur Vereinfachung der Oberflächenbearbeitung und zur Verhinderung von plastischen Deformationen am Ort der Sensor-Anbringung kann das Materialelement an einer oder mehreren Oberflächen zusätzlich auch gehärtet oder durchgehärtet sein.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Sensoren auf einfache Weise auch in das Bauteil und damit an geeignete Stellen mit ausreichendem Messeffekt eingebracht werden können. Durch die kraftschlüssige Einpassung des Materialelements in die Materialausnehmung des Bauteils werden die bei Belastung resultierenden Zug-, Druck- und Schubspannungen von dem Materialelement aufgenommen und von dem am Materialelement angebrachten Sensor entsprechend erfasst. Ferner wird dadurch der ursprüngliche Zustand des Bauteils annähernd wiederhergestellt.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch den mindestens einseitig bündigen Abschluss des Materialelements mit der Materialausnehmung die ursprüngliche Oberflächenstruktur des Bauteils wiederhergestellt wird. Auf diese Weise ist ein für den Betrieb oder die Funktion des Bauteils – insbesondere ein für Funktionsflächen – störender Materialüberstand oder eine Materialaussparung vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil als ein Wälzlager ausgebildet. Neben den Standardbauformen wie beispielsweise einem Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager, Rillenkugellager oder einem zweireihigem Schrägkugellager kommen auch Sonderbauformen in Betracht. Das Wälzlager ist insbesondere in einem Radlager für ein Kraftfahrzeug, oder als ein groß bauendes Lager der Welle in einem Schiffsantrieb oder in einer Windkraftanlage eingesetzt. Das oder jedes Materialelement kann an einer beliebigen belasteten Stelle am Wälzlager eingesetzt sein.
In zweckmäßiger Ausführung weist das Wälzlager einen Außenring und einen Innenring auf, wobei das Materialelement in eine Materialausnehmung am Innen- und/oder am Außenring eingepasst ist. Das Materialelement kann nur im Außenring in eine Materialausnehmung eingepasst sein. Es kann aber auch nur im Innenring ein Materialelement eingepasst sein. Möglich ist es auch, dass sowohl in eine Materialausnehmung im Außenring, als auch in eine Materialausnehmung im Innenring jeweils ein Materialelement eingepasst ist. Des Weiteren können Außenring und/oder Innenring auch mehrere Materialausnehmungen mit der entsprechenden Anzahl an Materialelementen aufweisen.
In vorteilhafter Anordnung, bei welcher der Außenring und/oder der Innenring für die Wälzkörper eine Laufbahn mit besonderer Materialeigenschaft, z. B. hinsichtlich Härte oder Verschleißbeständigkeit, aufweisen, ist das Materialelement in eine Materialausnehmung in der Laufbahn des Außenrings und/oder des Innenrings eingepasst. Unter der Laufbahn wird diejenige Fläche eines Außen- oder Innenrings verstanden, die mit den Wälzkörpern in Kontakt steht. Zweckmäßigerweise bildet dabei zumindest ein Teil der Oberfläche des Materialelements einen Teil der Laufbahn des Außenrings und/oder des Innenrings. Auf diese Weise kann die auf die Laufbahn wirkende Belastung erfasst werden, wobei die Laufbahneigenschaften durch den Einbau des Sensors im Wesentlichen nicht verändert werden. Das den Sensor tragende Materialelement weist gegenüber der Laufbahn dieselben oder verbesserte Eigenschaften auf. Die im Bereich der Wälzkörper und der Laufbahn eines Lagerrings wirkenden Belastungen werden unmittelbar vom Materialelement aufgenommen und mittels Sensor gemessen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Materialelement mit einem Sensor und Mitteln zur Signalverarbeitung und Signalübermittlung,
2 in schematischer Darstellung ein Wälzlager mit eingepasstem Materialelement und
3 in schematischer Darstellung ein Wälzlager mit eingepasstem Materialelement in einer alternativen Ausführungsform.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein zylinderförmiges Materialelement 1, welches zu einer kraftschlüssigen Einpassung in eine entsprechend große Materialausnehmung ausgebildet ist. Auf der Oberfläche des Materialelements 1 ist ein Sensor 2 angebracht. Der Sensor 2 ist verbunden mit Mitteln 3 zur Signalverarbeitung und Signalkonditionierung 3. Die Mittel 3 sind mit einem Transceiver 4 zur Übermittlung der gemessenen Daten verbunden. Das Materialelement 1 ist massiv aus einem Material gegebener Zusammensetzung und Eigenschaften gefertigt.
In 2 ist ausschnitthaft als Bauteil ein Wälzlager 5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Von dem Wälzlager 5 sind ein Lagerring 10 und ein Wälzkörper 11 gezeichnet. In eine Materialausnehmung 12 des Lagerrings 10 ist ein konisches Materialelement 1, welches mit einem Sensor 2 bestückt ist, eingepasst. Das Materialelement 1 ist dabei mit dem Lagerring 10 kraftschlüssig verbunden und schließt die Materialausnehmung 12 einseitig bündig ab. Der Sensor 2 liegt hier im Inneren des Lagerrings 10. Ein Bohrungskanal 13 durch das Materialelement 1 dient der Entlüftung beim Einpressen und einer Kabeldurchführung.
In 3 wird eine weitere Ausführungsform eines Wälzlagers 5 ausschnitthaft gezeigt. Das Materialelement 1 mit einem Sensor 2 ist wiederum kraftschlüssig in einem zu messenden Lagerring 10 eingepasst. In der hier dargestellten Variante schließt das Materialelement 1 die Materialausnehmung 12 beidseitig bündig ab. Ein Teil der Oberfläche des Materialelements 1 bildet hierbei zugleich einen Teil der Laufbahn des Lagerrings 10, auf welcher die Wälzkörper 11 umlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Materialelement
2: Sensor
3: Mittel zur Signalverarbeitung und -konditionierung
4: Transceiver
5: Wälzlager
10: Lagerring
11: Wälzkörper
12: Materialausnehmung
13: Bohrungskanal

Claims

Bauteil mit einer Materialausnehmung (12) und mit einem Materialelement (1), das zumindest einen Sensor (2) enthält, wobei das Materialelement in die Materialausnehmung (12) kraftschlüssig eingepasst ist und die Materialausnehmung (12) wenigstens einseitig bündig abschließt.
Bauteil nach Anspruch 1, welches als Wälzlager (5) ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 2, wobei das Wälzlager (5) einen Außenring (10) und einen Innenring (10) aufweist, und wobei das Materialelement (1) in eine Materialausnehmung (12) im Außenring (10) und/oder in eine Materialausnehmung (12) im Innenring (10) eingepasst ist.
Bauteil nach Anspruch 3, bei dem der Außenring (10) und/oder der Innenring (10) eine Laufbahn aufweisen, wobei das Materialelement (1) in eine Materialausnehmung (12) in der Laufbahn des Außenrings (10) und/oder des Innenrings (10) eingepasst ist, und wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Materialelements (1) einen Teil der Laufbahn des Außenrings (10) und/oder des Innenrings (10) bildet.