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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Materialausnehmung und einem wenigstens einen Sensor aufweisenden Messelement, das kraftschlüssig in die Materialausnehmung eingepasst ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Zum Ermitteln der Beanspruchung von Bauteilen während des Betriebs werden auf das Bauteil wirkende Kräfte und Verformungen gemessen. Als Sensoren zur Erfassung von Bauteilbelastungen werden beispielsweise Kraftmessdosen oder Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Dehnungsmessstreifen werden üblicherweise direkt auf das zu messende Bauteil aufgeklebt. Allerdings ist die Befestigung derartiger Sensoren in einer Serienfertigung aufwendig, da die Dehnungsmessstreifen einzeln mit einem Kleber auf einer Oberfläche befestigt und verkabelt werden müssen.
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In der
DE 10 2011 087 471 A1 ist bereits ein Bauteil mit einem Sensor zur Messung seiner Belastung vorgeschlagen worden. Dieses Bauteil weist eine Materialausnehmung auf, in die ein dort als Materialelement bezeichnetes Messelement kraftschlüssig eingepasst ist, das einen Sensor aufweist. Das Bauteil, dessen Belastung gemessen werden soll und bei dem es sich beispielsweise um eine Welle, einen Lagerring oder dergleichen handeln kann, wird vorkonfektioniert, indem die Materialausnehmung hergestellt wird. Im Rahmen der Fertigung oder Montage des Bauteils wird dann das den Sensor aufweisende vorkonfektionierte Messelement in die Ausnehmung eingesetzt, so dass der ursprüngliche Zustand des Bauteils weitestgehend erhalten bleibt.
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Allerdings ist es wünschenswert, die Signalgüte von Messungen weiter zu verbessern. Insbesondere werden eine größere Empfindlichkeit, eine geringere Hysterese sowie eine bessere Unterscheidbarkeit unterschiedlicher Lastrichtungen gewünscht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil anzugeben, das eine bessere Unterscheidung unterschiedlicher Lastrichtungen ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor derart an oder auf dem Messelement angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Unterscheidung von Lastrichtungen erleichtert wird, wenn der Sensor bzw. dessen Messrichtung in einer bestimmten Art angeordnet ist, nämlich derart, dass die Messrichtung des Sensors mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt. Es genügt dabei, wenn die Messrichtung des Sensors näherungsweise mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt, zumal der Druckwinkel während des Betriebs in Abhängigkeit von äußeren Lasten Änderungen unterliegt.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ermöglicht die Positionierung wenigstens eines Sensors direkt in dem Kraftpfad mit maximaler Belastung. Dieser Kraftpfad mit maximaler Belastung entspricht der Wirkungslinie des Druckwinkels bzw. des Betriebsdruckwinkels. Dieser Betriebsdruckwinkel stellt sich aufgrund der äußeren Belastung des Bauteils in einem gewissen Bereich um den konstruktiv festgelegten Nenndruckwinkel ein. Durch die Erfindung wird daher ermöglicht bei Kenntnis des Druckwinkels bzw. des Betriebsdruckwinkels auf das Verhältnis zwischen Axialbelastung und Radialbelastung zu schließen. Wenn der Betrag der Belastung bekannt ist, können mittels des Messelements Radiallasten und Axiallasten getrennt bestimmt und in absoluten Größen ausgegeben werden. Vorzugsweise schließt das Bauteil die Materialausnehmung wenigstens einseitig bündig ab.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann es sich um eine Welle oder ein Lager handeln, bei der bzw. bei dem die exakte Bestimmung angreifender Axial- oder Radiallasten überwacht werden muss. Der Sensor des erfindungsgemäßen Bauteils kann ein dehnungs- oder druckempfindliches Element der folgenden Gruppe sein: Dehnmessstreifen (DMS), Dünnschicht-DMS, Piezo-Element, Piezo-Folie, Faser-Bragg-Gitter, polymerer optischer Fasersensor, Kraftmessdose.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an oder in dem Messelement des Bauteils ein weiterer Sensor um 90° gedreht zu dem ersten Sensor angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung befinden sich beide Sensoren auf derselben Ebene, wobei die beiden Sensoren um 90° zueinander gedreht angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine Temperaturkompensation eines Sensors, insbesondere eines Dehnmessstreifens. In ähnlicher Weise kann an oder in dem Messelement des erfindungsgemäßen Bauteils eine vier Sensoren umfassende Messbrücke angeordnet sein. Derartige Messbrücken, die auch als Vollbrücken bezeichnet werden, ermöglichen eine besonders genaue Erfassung einer Dehnung anhand von Widerstandsänderungen.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, dass der wenigstens eine Sensor an oder auf einer abgeschrägten Fläche des Messelements angeordnet ist, die zur Wirkungslinie des Druckwinkels ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt wird dabei, dass die abgeschrägte Fläche parallel zur Wirkungslinie des Druckwinkels ausgerichtet ist oder dass die Wirkungslinie des Druckwinkels entlang der abgeschrägten Fläche verläuft. Auf diese Weise kann eine besonders exakte Messung einer Dehnung entlang der Wirkungslinie erfolgen. Mittels des bekannten Elastizitätsmoduls des Werkstoffs des Messelements kann anhand der erfassten Dehnung die angreifende Kraft bestimmt werden. Typischerweise besteht das Messelement aus Stahl.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung können vorsehen, dass das Messelement axial oder radial oder schräg zur Axial- und/oder Radialrichtung in dem Bauteil angeordnet ist. Auf diese Weise werden verschiedene Möglichkeiten geschaffen, die eine Anpassung der Anordnung des Messelements bzw. des Sensors an unterschiedliche Kraftrichtungen ermöglichen. Für jeden Anwendungsfall kann auf diese Weise eine optimale Position des Messelements bestimmt werden.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Sensor derart an oder auf dem Messelement angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Nenndruckwinkels oder des Betriebsdruckwinkels übereinstimmt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist es auch denkbar, dass das Messelement mehrere in parallelen Ebenen angeordnete Sensoren aufweist. Auf diese Weise kann die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels erfasst werden, so dass nicht nur der Betrag der Bauteilbelastung, sondern auch deren Richtung erfasst werden kann.
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In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass eine parallele Ebene mehrere zueinander verdreht oder orthogonal angeordnete Sensoren aufweist. Die Anordnung der Sensoren in einem bestimmten Winkel ermöglicht die Erfassung der Richtung einer angreifenden äußeren Last.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Messelement eine zur Axialrichtung parallele Ebene aufweist, auf der mehrere Sensoren nebeneinander angeordnet sind. Die Sensoren können auf der Ebene nebeneinander bzw. axial hintereinander angeordnet sein, um an unterschiedlichen Stellen Messwerte zu erfassen. Die parallele Ebene kann sich dabei entweder über die gesamte Länge eines Bauteils, das beispielsweise als Welle ausgebildet sein kann, erstrecken, alternativ kann sich die parallele Ebene auch lediglich über einen Abschnitt ihrer Länge erstrecken. Selbstverständlich können die auf der parallelen Ebene angeordneten Sensoren durch weitere Sensoren ergänzt sein, beispielsweise durch einen oder mehrere Sensoren an der axialen Stirnfläche.
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Eine ähnliche Variante sieht vor, dass mehrere Sensoren auf einer Außenfläche eines zylinderförmigen Bauteils angeordnet sind, die mehreren Sensoren können entweder nebeneinander parallel zum Umfang ausgerichtet sein, sie können jedoch auch unter einem Winkel, das heißt schräg zur Umfangsrichtung angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Erfassung von Sensoren an die Wirkungslinie des Druckwinkels des Bauteils, insbesondere eines Lagers, erfolgen.
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Schließlich können zwei oder mehre Sensoren auch in zueinander um 90° gedrehten Ebenen angeordnet sein. Auf einer Ebene können dabei ein Sensor, zwei Sensoren oder mehrere, beispielsweise vier Sensoren angeordnet sein, um Störungen wie Temperatureinflüsse zu kompensieren.
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Daneben können sämtliche beschriebene Anordnungen miteinander kombiniert werden, um eine Differenzierung unterschiedlicher Lastrichtungen zu ermöglichen. Dabei ist eine Abwägung zwischen der Güte der Messsignale und den Herstellungskosten erforderlich.
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Im Rahmen der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, Sensoren, insbesondere Dehnungssensoren wie Dehnmesstreifen, orthogonal zu drücken oder zu klemmen. Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil kann dabei ein Messelement mit einer zur Axialrichtung parallelen Ebene mit orthogonal gedrückten Sensoren versehen sein, wobei das Messelement zweiteilig ausgebildet ist und ein erstes die parallele Ebene aufweisende Teil und ein zweites, dazu komplementäres Teil aufweist, wobei die Sensoren zwischen den beiden Teilen angeordnet sind. Auch dabei sind unterschiedliche Kombinationen aus verschiedenen Messebenen und Sensoren möglich, um die gewünschte Trennung von Kraftkomponenten zu ermöglichen.
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Das das erste und das zweite Teil aufweisende Messelement kann in der Mitte, entlang einer Symmetrieebene geteilt sein, so dass die Sensoren mittig angeordnet sind. Andererseits kann das Messelement auch exzentrisch geteilt sein, so dass ein Teil größer als das andere Teil ist. Bei dieser Ausgestaltung werden die Sensoren außermittig orthogonal belastet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil ein Mittel zum Nachführen einer Messebene aufweist, wobei das Mittel so ausgebildet ist, dass der Sensor in die Position des maximalen Messsignals bewegt wird. Diese sich automatisch ergebende Position ist ein Maß für den sich im Betrieb ergebenden Druckwinkel. Der Sensor kann dazu rotatorisch oder translatorisch bewegt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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2 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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3 ein Detail eines Bauteils mit einem radial angeordneten Messelement;
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4 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem schräg angeordneten Sensor;
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5 eine ähnliche Ansicht wie 1 mit eingezeichneten Wirkungslinien des Nenndruckwinkels und des Betriebsdruckwinkels;
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6–7 Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente;
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8–13 Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente, bei denen Sensoren auf einer inneren Ebene angeordnet sind;
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14–17 Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente, bei denen die Sensoren zwischen zwei Teilen des Messelements orthogonal gedrückt werden;
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18 ein Ausführungsbeispiel mit einem nachführbaren Messelement; und
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19 typische Verläufe von Sensordaten, wobei die Dehnung über der Gesamtkraft aufgetragen ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt ein Detail eines Bauteils 1, das als Wälzlager ausgebildet ist und eine zylinderförmige Materialausnehmung 2 aufweist, in der sich ein Messelement 3, das einen Sensor 4 aufweist, befindet. Der Sensor 4 ist als Dehnmessstreifen (DMS) ausgebildet und weist Kabel 5 auf, die an eine Messwerterfassungsanlage angeschlossen sind.
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Das als Wälzlager ausgebildete Bauteil 1 umfasst einen Innenring 6, einen Außenring 7 und dazwischen angeordnete Wälzkörper 8. In 1 erkennt man, dass das Messelement 3 zylinderförmig bzw. als Bolzen ausgebildet ist.
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Während des Betriebs des Wälzlagers wird dieses durch äußere Kräfte beaufschlagt. In 1 ist die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels gestrichelt dargestellt. Der Sensor 4 ist derart an dem Messelement 3 angeordnet, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie 9 des Druckwinkels übereinstimmt. Dementsprechend befindet sich der Sensor 4 direkt im Kraftfluss bzw. an der Stelle, an der der Kraftfluss maximal ist.
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Es ist möglich, einen weiteren Sensor 4 um 90° gedreht zu dem Sensor 4 auf derselben Fläche des Messelements 3 anzubringen, um eine Temperaturkompensation zu ermöglichen. Ebenso können vier derartige Sensoren, die zu einer Messbrücke (Vollbrücke) verschaltet sind, an der entsprechenden Fläche des Messelements 3 angeordnet sein.
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2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel und zeigt ein Bauteil 10, das in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel als Wälzlager ausgebildet ist. Übereinstimmende Bestandteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Der Außenring 7 weist die Materialausnehmung 2 auf, in die das Messelement 11 eingesetzt ist. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Messelement 11 eine schräge Fläche 12 auf, auf der ein Sensor 13 angeordnet ist. Der als Dehnmessstreifen ausgebildete Sensor 13 ist somit schräg bezüglich einer radialen Ebene des Bauteils 10 angeordnet. Der Sensor 13 ist so an dem Messelement 11 angeordnet, dass die Wirkungslinie 9 des Druckwinkels mit der Lage des Sensors 13 übereinstimmt. Mit der in 2 gezeigten Messanordnung kann ein genaueres Messergebnis als mit der in 1 gezeigten Messanordnung erhalten werden.
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3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel und zeigt ein Bauteil 14, das als Wälzlager ausgebildet ist und das einen mit einer Materialausnehmung 16 versehenen Außenring 15 aufweist. Die Materialausnehmung 16, in die ein Messelement 17 eingesetzt ist, ist dabei so positioniert, dass die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels einen Sensor 18 des Messelements 17 schneidet. Bei dem als Pendelrollenlager ausgebildeten Bauteil 14 ist das Messelement 17 somit radial in die Materialausnehmung 16 des Außenrings 15 eingebracht. Das Messelement 17 weist an einer Seite eine radiale Nut 61 auf, die als Führung für das Kabel 5 dient.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Wälzlager ausgebildeten Bauteils 19, bei dem eine Materialausnehmung 20 schräg in den Außenring 21 einbracht ist, so dass die Wirkungslinie 9 des Druckwinkels den Sensor 22 des Messelements 23 schneidet.
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5 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 1, für übereinstimmende Bestandteile werden daher dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Die Wirkungslinie des Nenndruckwinkels ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet und gestrichelt eingezeichnet, die Wirkungslinie des Betriebsdruckwinkels 24 ist als durchgezogene Linie gezeichnet. Der Sensor 4 kann somit auf der Wirkungslinie 24 des Betriebsdruckwinkels entsprechend einem bekannten Verhältnis von Axiallast und Radiallast positioniert werden oder entsprechend einem Betriebsdruckwinkel, der für die Auswertung von besonderem Interesse ist. In 5 erkennt man, dass die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels und die Wirkungslinie 24 des Betriebsdruckwinkels sich voneinander unterscheiden können.
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Die Messelemente oder Messbolzen können grundsätzlich in beliebiger Richtung in die Materialausnehmung eingebracht werden, wie z. B. in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 gezeigt ist.
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Bevorzugt wird dabei eine axiale Positionierung, die beispielsweise in den 1, 2 und 5 dargestellt ist, da sich dann die Signalausleitung über eine Kabelführung oder eine montierte Telemetrieeinheit oder über einen elektromagnetischen oder kapazitiven Koppler besonders einfach realisieren lässt.
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Die dehnungsmessenden Sensoren können direkt in den Kraftfluss zwischen dem Bauteil, insbesondere zwischen einem Wälzkörper und einer Mantelfläche eines Lagers eingebracht werden, ohne dass ein störender Hohlraum im Kraftflusspfad entsteht.
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Ein derartiges Beispiel zeigt 4, dort ist erkennbar, dass die Kraftflusslinie 9 direkt durch den Bereich des Messelements 23 verläuft, das mit dem Sensor 22 versehen ist. Der zwischen dem Sensor 22 und der Materialausnehmung gebildete Hohlraum liegt hingegen nicht im Kraftfluss.
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In ähnlicher Weise zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem radial eingebrachten Messelement 17, bei dem die Kraftflusslinie 9 durch einen Hohlraum verläuft, der zwischen dem inneren Ende der Materialausnehmung 16 und dem Sensor 18 gebildet ist. Das Messelement 17 liegt im Kraftfluss, obwohl ein kleiner Spalt oder Zwischenraum zwischen dem Sensor 18 und der Materialausnehmung 16 vorhanden ist.
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6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 25, das als zylinderförmiger Bolzen ausgebildet ist und grundsätzlich mit dem Messelement 3 der vorangehenden Ausführungsbeispiele übereinstimmt. An einer axialen Stirnfläche 26 des Messelements 25 ist ein als Dehnmessstreifen ausgebildeter Sensor 27 angebracht. Zusätzlich weist das Messelement 25 zwei weitere Sensoren 28, 29 auf, die im Inneren des Messelements 25 auf zu der Stirnfläche 26 parallelen Ebenen 30, 31 angeordnet sind. Sämtliche Sensoren 27, 28, 29 sind mit Kabeln oder Leitungen verbunden, die in 6 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die in mehreren in zueinander parallelen Ebenen 26, 30, 31 angeordneten dehnungsmessenden Sensoren 27, 28, 29 sind dazu geeignet, die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels zu erfassen. Somit kann nicht nur der Betrag der auf das Lager einwirkenden Lasten, sondern auch deren Richtung erfasst und unterschieden werden. Optional kann auch die in 6 verdeckte, hintere Stirnfläche einen Sensor oder mehrere Sensoren aufweisen.
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7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 32, das ähnlich wie das Ausführungsbeispiel von 6 mehrere Ebenen 26, 30, 31 aufweist, wobei Sensoren auf der Stirnfläche 26 und den inneren parallelen Ebenen 30, 31, die parallel zur Stirnfläche 26 sind, angebracht sind. Auf den Ebenen 26, 30, 31 sind jeweils zwei als DMS ausgebildete Sensoren 33, 34 angeordnet, wobei die beiden Sensoren 33, 34, die sich in derselben Ebene befinden, um 90° zueinander gedreht angeordnet sind.
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8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 37, das eine Ebene 35 aufweist, auf der mehrere Sensoren 36 in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die in 8 gezeigte Anordnung ist dazu geeignet, die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels zu erfassen, wodurch nicht nur der Betrag der Belastung eines Bauteils, beispielsweise eines Wälzlagers, sondern auch deren Richtung erfasst und unterschieden werden kann. Bei anderen Ausführungen kann sich die Ebene auch lediglich über einen Teil der Länge des Messelements erstrecken.
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9 ist eine ähnliche Darstellung wie 8 und zeigt ein Messelement 38, bei dem eine Ebene 39, auf der die Sensoren 36 angeordnet sind, sich lediglich über einen Abschnitt in Axialrichtung erstreckt.
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In ähnlicher Weise zeigt 10 das Messelement 38 von 9, das zusätzlich zu den Sensoren 36 auf der Ebene 39 einen Sensor 40 auf seiner axialen Stirnfläche 41 aufweist.
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11 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines Messelements 42, bei dem die Sensoren 43 im Inneren des Messelements 42 auf einer Ebene 44 angeordnet sind. Bezogen auf den mittleren Sensor ist der linke Sensor im Uhrzeigersinn gedreht angeordnet, der rechte Sensor ist gegen den Uhrzeigersinn gedreht auf der Ebene 44 angeordnet. Auf diese Weise können Ausrichtung und Position der Sensoren 43 an den Druckwinkel bzw. einen Druckwinkelbereich angepasst werden. Die Sensoren bzw. eine gedachte Symmetrielinie der Sensoren 43 ist bei dem Ausführungsbeispiel von 11 entlang unterschiedlicher Betriebsdruckwinkel angepasst, so dass die Wirkungslinien unterschiedlicher Betriebsdruckwinkel jeweils einen Sensor 43 schneiden.
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12 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 45, bei dem zwei Sensoren 46, 47 auf zwei zueinander um 90° gedrehten Ebenen 41, 44 angeordnet sind.
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13 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 48, bei dem auf der Stirnfläche 41 zwei um 90° zueinander versetzte Sensoren 49, 50 angeordnet sind. Zusätzlich sind auf der inneren Ebene 44 insgesamt vier Sensoren 51 in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet, wobei benachbarte Sensoren um 90° zueinander versetzt sind.
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Je nach Verschaltung können mit diesen Sensoren 51 Störungen wie Temperatureinflüsse kompensiert oder Lastrichtungen unterschieden werden.
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An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sämtliche zweckmäßigen Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele als erfindungswesentlich angesehen werden.
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14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messbolzens, der orthogonal gedrückte Sensoren 53 aufweist, die auf einer Ebene 54 im Inneren des Messelements 52 angeordnet sind. Den Sensoren 53 sind dabei Leitungen 55 für die Messwerterfassung zugeordnet.
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15 ist eine ähnliche Darstellung und zeigt das Messelement 52, das zusätzlich einen zweiten Teil 56 aufweist, der komplementär zu dem ersten in 14 gezeigten Teil ausgebildet ist, so dass die beiden Teile gemeinsam das zylinderförmige Messelement 52 bilden. Die Sensoren 53 sind auf der Trennebene 54 angeordnet, so dass sie zwischen den beiden Teilen des Messelements 52 gedrückt bzw. geklemmt sind. Bei dem Messelement 52 können unterschiedliche Messebenen und Messstellen vorgesehen sein, um eine getrennte Erfassung von Dehnungs- und Kraftkomponenten zu ermöglichen.
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16 ist eine ähnliche Darstellung wie 14 und zeigt ein Messelement 57, bei dem eine Trennebene 58 durch einen gedachten Mittelpunkt verläuft. Der zweite Teil des Messelements 57 ist somit identisch zu dem ersten Teil ausgebildet.
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17 zeigt analog zu 15 die zwischen den beiden Teilen des Messelements 57 geklemmten Sensoren 53.
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Bei dem Bauteil, das eines der beschriebenen Messelemente aufweist, kann die Messebene, das heißt die Ebene, in der sich der wenigstens eine Sensor, insbesondere der Dehnmessstreifen, befindet, nachgeführt werden, um eine Information über die Winkellager des Betriebsdruckwinkels zu erhalten. Dazu wird der die Dehnung erfassende Sensor in die Position bewegt, in der das maximale Messsignal erfasst wird. Die sich dann einstellende Lage des Messelements ist ein Maß für den Betriebsdruckwinkel. Das Messelement ist dazu mit einem Aktor gekoppelt, der dazu ausgebildet ist, das Messelement um seine Längsachse zu drehen oder entlang seiner Längsachse zu verschieben.
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18 zeigt ein Messelement 62 mit Sensoren 63, die auf einer Ebene 64 angebracht sind. Ein als Antrieb ausgebildeter Aktor 65, der als Elektromotor ausgebildet ist, ist über eine Welle 66 mit einer Spindel 67 verbunden. Die Spindel 67 kämmt mit einem daran angepassten Innengewinde 68 des Messelements 62. Mittels einer entsprechenden Steuerung (nicht gezeigt) wird das Messelement 62 jeweils mittels des Antriebs 65 in diejenige Position verschoben, bei der das von den Sensoren 63 gelieferte Messsignal maximal ist. Die Position des Messelements 62 bezogen auf einen Ausgangszustand ist dann ein Maß für den Druckwinkel. Das Messelement 62 kann in Längsrichtung verschoben werden. Es sind auch andere Ausführungen denkbar, bei denen das Messelement um seine Längsachse drehbar ist.
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Die mittels der Sensoren, insbesondere mittels der Dehnungssensoren erfassten Messdaten sind abhängig von der Lagerbelastung und der Position der Wälzkörper. Daher werden die Messwerte einer Mittelwertbildung unterzogen, die auch gleitend erfolgen kann, wodurch die Abhängigkeit der Messwerte von der Wälzkörperposition eliminiert wird. Die Fensterbreite der Mittelwertbildung wird so gewählt, dass sie mindestens der Länge einer Signalperiode eines am Sensor vorbeilaufenden Wälzkörpers entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass die einer Mittelwertbildung unterzogenen Sensordaten eine gewisse Abhängigkeit von der globalen Verformung des Lagerrings zeigen. Diese globale Verformung des Lagerrings ist abhängig von weiteren Randbedingungen, beispielsweise davon, wie das Lager eingebaut ist und durch welche äußeren Kräfte das Lager zuvor belastet war. Daher zeigt das Sensorsignal eine gewisse Hysterese, nach einer Entlastung geht das Dehnungssignal nicht vollständig bis auf einen Ausgangswert zurück. Um diese störenden Einflüsse zu minimieren, wird eine Signalverarbeitung gewählt, bei der auf eine Mittelwertbildung verzichtet wird. Bevorzugt wird dabei eine Auswertung des Signalhubs, da dadurch der Mittelwert des Rohsignals eliminiert wird. Der Signalhub mehrerer Signalperioden kann dann wiederum einer gegebenenfalls gleitenden Mittelwertbildung unterzogen werden, um Einflüsse unrunder Wälzkörperlaufbahnen oder ungleicher Wälzkörperdurchmesser zu egalisieren. Bei Anwendungen, bei denen das Lager schnell gegenüber einer Laständerung dreht, ist es vorteilhaft, die Fensterbreite der Mittelwertbildung der Signalhübe als ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Wälzkörper zu wählen. Die Auswertung des Signalhubs liefert eine höhere Empfindlichkeit als die Auswertung der durch die Mittelwertbildung bearbeiteten Sensordaten, wie in 19 gezeigt ist. Auf der waagerechten Achse ist die Gesamtkraft aufgetragen, auf der senkrechten Achse ist die Dehnung aufgetragen. Das Bezugszeichen 59 bezeichnet Sensordaten, die durch Mittelwertbildung erhalten wurden, das Bezugszeichen 60 bezeichnet Sensordaten, die durch die Auswertung des Signalhubs erhalten wurde. Die Auswertung des Signalhubs liefert eine größere Empfindlichkeit bei verringerter Hysterese. Die Mittelwertauswertung kehrt nicht vollständig zum Ausgangspunkt zurück.
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Als Hilfsmittel zur Positionierung eines Messelements oder Messbolzens kann ein Maschinenelement eingesetzt werden, das einen Anschlag zur Positionierung bezogen auf die axiale Anlagefläche eines Lagerrings besitzt. Der Rückfederweg des Messelements oder des Messbolzens kann durch eine geeignete derweg des Messelements oder des Messbolzens kann durch eine geeignete Auslegung des Anschlags vorgehalten werden. Allerdings verbleiben dabei fertigungsbedingte Toleranzeinflüsse bezüglich der Position des dehnungsmessenden Sensors in Bezug auf den Druckwinkel des Bauteils, insbesondere des Lagers.
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Eine Verringerung der verbleibenden Toleranzen kann erreicht werden, indem das Messelement nicht auf der axialen Anlagefläche (Stirnfläche) angeordnet wird, sondern indem ein Hilfsmittel in die Laufbahn des Lagerrings eingesetzt wird, dessen axiale Position vom Fertigungsdruckwinkel des Lagerrings bestimmt wird. Auf dieses Hilfsmittel wird dann das Messelement oder der Messbolzen positioniert.
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Dadurch bleiben Einflüsse von Wälzkörpern unberücksichtigt, da diese durch das Hilfsmittel ersetzt werden. Um die verbleibenden Toleranzeinflüsse zu eliminieren oder weiter zu minimieren, werden Dehnungen während des Einpressvorgangs gemessen. Dabei wird das Lager oder der Lagerring über die Wälzkörper oder über Ersatzwälzkörper belastet. Die Belastung des Lagers kann auch derart erfolgen, dass ein Betriebsdruckwinkel entsteht, der die geplante Sensorposition seitlich versetzt durchstößt. Es ist auch vorteilhaft, dass der Messbolzen oder das Messelement soweit eingepresst wird, bis die gemessene Dehnung einer zuvor ausgewählten Messstelle ein Maximum überschritten hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Materialausnehmung
- 3
- Messelement
- 4
- Sensor
- 5
- Kabel
- 6
- Innenring
- 7
- Außenring
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Wirkungslinie
- 10
- Bauteil
- 11
- Messelement
- 12
- Fläche
- 13
- Sensor
- 14
- Bauteil
- 15
- Außenring
- 16
- Materialausnehmung
- 17
- Messelement
- 18
- Sensor
- 19
- Bauteil
- 20
- Materialausnehmung
- 21
- Außenring
- 22
- Sensor
- 23
- Messelement
- 24
- Wirkungslinie
- 25
- Messelement
- 26
- Stirnfläche
- 27
- Sensor
- 28
- Sensor
- 29
- Sensor
- 30
- Ebene
- 31
- Ebene
- 32
- Messelement
- 33
- Sensor
- 34
- Sensor
- 35
- Ebene
- 36
- Sensor
- 37
- Messelement
- 38
- Messelement
- 39
- Ebene
- 40
- Sensor
- 41
- Stirnfläche
- 42
- Messelement
- 43
- Sensor
- 44
- Ebene
- 45
- Messelement
- 46
- Sensor
- 47
- Sensor
- 48
- Messelement
- 49
- Sensor
- 50
- Sensor
- 51
- Sensor
- 52
- Sensor
- 53
- Sensor
- 54
- Trennebene
- 55
- Leitung
- 56
- Teil
- 57
- Messelement
- 58
- Trennebene
- 59
- Bezugszeichen
- 60
- Bezugszeichen
- 61
- Nut
- 62
- Messelement
- 63
- Sensor
- 64
- Ebene
- 65
- Antrieb
- 66
- Welle
- 67
- Spindel
- 68
- Innengewinde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011087471 A1 [0003]
