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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Kraft- bzw. Drehmomentmessung für ein zylinderförmiges Maschinenelement. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Maschinenelementanordnung mit einer derartigen Messanordnung. Das Maschinenelement kann beispielsweise eine Welle sein. In einem speziellen Einsatzfall ist die Messanordnung für eine Nachrüstung an einer Anhängekupplung eines Kraftfahrzeugs angepasst.
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In der
DE 36 17 426 ist eine Anhängevorrichtung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welche einen im Bereich eines hinteren Stoßfängers des Kraftfahrzeugs befestigten Kugelhals mit Kugelkopf umfasst. Am Kugelhals bzw. Kugelkopf sind Dehnungsmessstreifen zum Messen der Stützlast befestigt.
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Die
DE 10 2011 117 519 A1 zeigt eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug mit einem einen Kupplungsarm umfassenden Kuppelträger, an dessen freiem. Ende ein Kuppelelement zum Anhängen eines Anhängers angeordnet ist. Der Kuppelträger ist mit einer am Zugfahrzeug befestigten bzw. befestigbaren Halterung fest oder lösbar verbunden. Die Anhängerkupplung umfasst weiterhin einen Kraftsensor zur Erfassung einer auf die Anhängerkupplung einwirkenden Kraft, wenn der Anhänger an die Anhängekupplung angekuppelt ist. Der Kraftsensor ist ein auf Druck bzw. Zug empfindlicher Verformungssensor, welcher an einem Anbringungsort am Kuppelträger oder der Halterung angeordnet ist.
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Die
DE 10 2006 030 001 A1 beschreibt ein Regel- und Steuersystem in einem Fahrzeugverbund, bestehend aus einem Zugfahrzeug und einem über eine Anhängerkupplung verbundenen Anhänger. Das System umfasst eine Sensorik im Zugfahrzeug zum Erfassen von den Fahrzustand beschreibenden Fahrzustandsgrößen, welche einem Steuergerät zuzuführen sind. Im Steuergerät werden aus den Fahrzuständen Signale erzeugt, die mindestens einer Signalverarbeitungseinheit zuführbar sind. Die Sensoreinheit ist als eine in der Anhängerkupplung-angeordnete Belastungssensoreinrichtung ausgebildet, die die auf die Anhängekupplung wirkende Belastung in mindestens einer Richtung erfasst. Als Belastungssensoren können Dehnungsmesstreifen oder Kraftmessbolzen Einsatz finden.
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Aus der
DE 10 2012 208 492 A1 ist ein Maschinenelement bekannt, welches an seiner Oberfläche eine Dehnungsmessstreifenanordnung aufweist. Zur Realisierung der Dehnungsmessstreifenanordnung werden an der Oberfläche des Maschinenelements eine verformungssensitive Messschicht und eine darüber liegende Schutzschicht aufgebracht.
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Die
WO 2011/104291 A1 zeigt eine Kraftmess-Hülse in deren äußere Mantelfläche Ausnehmungen eingebracht sind, in welchen jeweils ein Dehnungsmessstreifen befestigt ist. An der inneren Mantelfläche sind mindestens zwei Auflager angebracht, die als eine konzentrische Kraftübertragungsfläche mit zueinander beabstandeten Ringsegmenten ausgebildet sind.
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US 4,510,814 A zeigt einen induktiven Kraftsensor, ein sogenannter „snap-in LVDT” Sensor, welcher einfach beispielsweise an einer Anhängerkupplung montiert und entfernt werden kann.
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Die vorbekannten Lösungen basieren zum einen darauf, dass Dehnungsmessstreifen direkt am Maschinenelement angebracht werden. Eine nachträgliche Ausrüstung eines bereits im Einsatz befindlichen Maschinenelements mit derartiger Kraft- bzw. Drehmomentmesstechnik kann unter Umständen problematisch sein, wenn das Maschinenelement schwer zugänglich ist und somit eine exakte Positionierung der Dehnungsmessstreifen unmöglich bzw. nur mit großem Aufwand realisierbar ist. Andere Lösungen verwenden Kraftmess-Hülsen, die auf das Maschinenelement aufgeschoben werden müssen, was bei eingebauten Maschinenelementen ebenfalls Schwierigkeiten bereiten könnte.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Kraftmessanordnung zur Verfügung zu stellen, welche aufwandsarm an einem Maschinenelement, insbesondere an ein bereits an seinem Einsatzort befindliches Maschinenelement, montiert werden kann. Darüber hinaus soll eine Maschinenelementanordnung zur Verfügung gestellt werden, welche eine derartige Kraftmessanordnung beinhaltet.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Messanordnung gemäß Anspruch 1 sowie eine Maschinenelementanordnung gemäß Anspruch 8.
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Die erfindungsgemäße Messanordnung dient zur Kraftmessung bzw. Drehmomentmessung bei zylinderförmigen Maschinenelementen, wie beispielsweise Wellen u. ä. Bauteilen. Die Messanordnung umfasst ein spielfrei an der Oberfläche des Maschinenelements befestigbares zylinderförmiges Gehäuse. Das Gehäuse weist eine vernachlässigbare Steifigkeit auf. Es besteht aus zwei durch ein Gelenk miteinander verbundenen Gehäusehälften. Durch das Gelenk wird ein relatives Schwenken der Gehäusehälften um eine Achse ermöglicht. Am Gehäuse ist mindestens ein Sensor zur Kraft.- bzw. Drehmomentmessung angeordnet. Der Sensor kann als ein an der Innenoberfläche des Gehäuses angeordneter Dehnungsmessstreifen ausgeführt sein. Alternativ kann eine Biegung bzw. Verdrehung des Gehäuses mittels magnetoresistiver Sensoren ermittelt werden, um hieraus die auf das Maschinenelement wirkende Kraft bzw. das Drehmoment zu bestimmen. Der Sensor kann auch als piezoelektrischer Sensor ausgeführt sein.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung ist darin zu sehen, dass sie sich besonders gut zur Nachrüstung an Maschinenelementen mit Messfunktionalität eignet. Mittels Gelenk können die beiden Gehäusehälften in eine geöffnete Montagestellung geschwenkt werden. Das geöffnete Gehäuse lässt sich in der geöffneten Montagestellung problemlos am Maschinenelement positionieren und wird anschließend durch Schwenken der Gehäusehälften in seinen geschlossenen Zustand überführt. Hierbei ist sicherzustellen, dass die beiden Gehäusehälften im geschlossen Zustand des Gehäuses bündig aufeinanderliegen. In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die beiden Gehäusehälften durch einen mechanischen Verschluss miteinander verbunden sind. Hierdurch erfolgt eine sichere Fixierung der beiden Gehäusehälften. Die beiden Gehäusehälften können mittels Schrauben miteinander verbunden sein. Alternativ kann der mechanische Verschluss beispielsweise auch ein Klippverschluss sein. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Verschlussarten erfolgen, andere geeignete Verschlussmöglichkeiten sind natürlich möglich.
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Die Verwendung eines wieder lösbaren Verschlusses hat den Vorteil, dass die Messanordnung bedarfsweise aufwandsarm demontiert werden kann bzw. dass Wartungsarbeiten durchgeführt werden können.
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Dadurch, dass das Gehäuse eine vernachlässigbare Steifigkeit aufweist, können die am zu überwachenden Maschinenelement auftretenden Kräfte anhand der Verformung des Gehäuses ermittelt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet eine im Gehäuse angeordnete interne Auswerteeinheit zur Auswertung der durch den Sensor erfassten Daten. Eine interne Auswerteeinheit hat den Vorteil, dass die Sensordaten vor Ort einer ersten Auswertung zugeführt werden können. Durch die innerhalb des Gehäuses vorgenommen Anordnung von Sensor und Auswerteeinheit werden nur kurze Verbindungsleitungen zwischen Sensor und Auswerteeinheit benötigt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausstattung der Messanordnung mit einer Funkschnittstelle erwiesen. Mittels Funkschnittstelle können die durch den Dehnungsmessstreifen erfassten Daten und/oder die Daten der internen Auswerteeinheit an eine externe Auswerteeinheit übermittelt werden. Die externe Auswerteeinheit ist vorzugsweise ein Mobiltelefon mit Computerfunktionalität, insbesondere ein Smartphone. Durch die Funkschnittstelle wird kein zusätzlicher Verkabelungsaufwand zum Anschließen einer externen Auswerteeinheit benötigt. Außerdem kann ein bereits vorhandenes Interface zum Informationsaustausch genutzt werden, beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle, wodurch Kosten reduziert werden können.
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Die Messanordnung ist vorzugsweise mit zwei Dehnungsmessstreifen ausgestattet, welche um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht das Erfassen von Belastungen in allen drei Raumrichtungen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist im Gehäuse eine Spannungsversorgungseinheit angeordnet, welche zur Versorgung des Sensors und der internen Auswerteeinheit dient.
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Die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung umfasst ein zylinderförmiges Maschinenelement und eine das Maschinenelement umfänglich umgebende Messanordnung. Die Messanordnung beinhaltet ein spielfrei an der Oberfläche des Maschinenelements befestigtes zylinderförmiges Gehäuse. Um die auftretenden Kräfte bzw. Drehmomente mit Hilfe der Verformung des Gehäuses ermitteln zu können, ist es wesentlich, dass die Kontaktflächen des Gehäuses flächig, fest und spielfrei an der Oberfläche des Maschinenelements anliegen. Das Gehäuse besitzt eine im Bezug zum Maschinenelement vernachlässigbare Steifigkeit und weist zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Gehäusehälften auf. Durch das Gelenk wird ein relatives Schwenken der Gehäusehälften um eine Achse ermöglicht. Am Gehäuse ist mindestens ein Sensor zur Kraft- bzw. Drehmomentmessung angeordnet.
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Das Maschinenelement ist vorzugsweise eine Welle oder ein ähnliches Bauteil. Es kann beispielsweise auch ein Kugelhals einer Anhängerkupplung sein. Die genannten Maschinenelemente dienen lediglich als Ausführungsbeispiele. Andere Maschinenelemente sind durchaus möglich.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung der x-z-Ebene einer Anhängerkupplung mit erfindungsgemäßer Messanordnung;
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2 eine Darstellung der x-y-Ebene der Anhängerkupplung;
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3 eine Darstellung der y-z-Ebene der Anhängerkupplung;
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4 ein Gehäuse der erfindungsgemäßen Messanordnung in einem geöffneten Montagezustand;
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5 eine schematische Darstellung der zur Auswertung der Messung dienenden Komponenten;
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6 eine externe Auswerteeinheit.
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Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Darstellungen einer Anhängerkupplung 01 mit einer erfindungsgemäßer Messanordnung 02. Die erfindungsgemäße Messanordnung 02 ist an einem Kugelhals 03 der an einem Fahrzeug 06 befestigten Anhängerkupplung 01 angeordnet. Der Kugelhals 03 stellt beispielhaft ein Maschinenelement dar, an welchem auftretende Kräfte erfasst werden sollen. Die Messanordnung umfasst zunächst ein zylinderförmiges Gehäuse 04, welches im Detail in 4 dargestellt ist. Das Gehäuse 04 besteht aus zwei Gehäusehälften 05, welche durch ein Gelenk 07 miteinander verbunden sind. Mittels Gelenk 07 können die Gehäusehälften 05 relativ zueinander um eine Achse geschwenkt werden, um das Gehäuse 04 von seinem geschlossenen Zustand in seinen geöffneten Zustand und umgekehrt zu überführen.
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In 4 ist das Gehäuse 04 im geöffneten Zustand dargestellt, in welchem es an dem zu überprüfenden Maschinenelement, im gezeigten Ausführungsbeispiel am Kugelhals 03, montiert werden kann. Die Flächen 08 der Gehäusehälften 05 liegen nunmehr nicht mehr bündig aufeinander, sondern weisen einen Abstand zueinander auf. Der Öffnungswinkel α des Gehäuses 04 ist so zu wählen, dass er eine problemlose Montage des Gehäuses 04 am Maschinenelement ermöglicht wird. Nach Montage des Gehäuses 04 am Kugelhals 03 werden die Gehäusehälften 05 aufeinander zu bewegt, so dass die Flächen 08 abschließend wieder bündig aufeinanderliegen. Die beiden Gehäusehälften 05 sind vorzugsweise über einen mechanischen Verschluss (nicht dargestellt) miteinander verbunden. Der mechanische Verschluss kann beispielsweise als Schraubverschluss, Klippverschluss o. ä. ausgeführt sein. Mittels Verschluss werden die Gehäusehälften 05 in ihrer Lage zueinander fixiert, so dass sichergestellt ist, dass sie stets bündig aufeinanderliegen.
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An der Innenoberfläche des Gehäuses 04 ist ein als Dehnungsmessstreifen 09 (1 und 2) ausgeführter Sensor angeordnet, mit welchem die Kräfte in z-Richtung (Stützlast) erfasst werden können. Bei alternativen Ausführungsformen können auch zwei um 90° zueinander versetzt angeordnete Dehnungsmessstreifen 09 zum Einsatz kommen, um hierdurch eine Vermessung in allen drei Raumrichtungen zu ermöglichen. Der Dehnungsmessstreifen 09 kann als DMS-Dünnschicht-Sensor ausgeführt sein.
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Das Gehäuse 04 weist eine im Bezug zum Kugelhals 03 vernachlässigbare Steifigkeit auf. Um die auftretenden Kräfte mit Hilfe der Verformung des Gehäuses 04 ermitteln zu können, ist es elementar, dass die Kontaktflächen 10 des Gehäuses 04 flächig, fest und spielfrei an der Oberfläche des Kugelhalses 03 anliegen. Anhand der Verformung des Gehäuses 04, welche durch die Dehnungsmessstreifen 09 ermittelt wird, können mit Hilfe der Steifigkeit des Gesamtsystems aus Messanordnung 02 und Anhängerkupplung 01 die auftretenden Kräfte ermittelt werden.
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Im Gehäuse 04 befinden sich weiterhin auch eine Spannungsversorgung und zur Verarbeitung der Sensordaten benötigte Komponenten 11, wie Messverstärker und Mikrocontroller. Somit stehen sämtliche Funktionalitäten an der Messstelle zur Verfügung. Durch die Integration aller für die Messung, Versorgung und Auswertung erforderlichen Baugruppen innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 04 steht eine äußerst kompakte Baueinheit zur Verfügung, welche aufwandsarm in bereits bestehende Anordnungen integriert werden kann. 5 zeigt eine schematische Darstellung der zur Auswertung der Messungen dienenden Komponenten.
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Das Gehäuse 04 ist vorzugsweise mit einer Funkschnittstelle, wie beispielsweise Bluetooth, ausgestattet. Über die Funkschnittstelle können die von den Dehnungsmessstreifen 09 erfassten Daten bzw. die intern bereits entsprechend aufbereiteten Daten an eine externe Auswerteeinheit 12 übermittelt werden. Die externe Auswerteeinheit 12 ist bevorzugt ein Mobiltelefon mit Computerfunktionalität, insbesondere ein Smartphone.
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6 zeigt eine derartige externe Auswerteeinheit 12. Mittels externer Auswerteeinheit 12 kann die aktuelle Last an der Anhängerkupplung an den Nutzer weitergegeben werden. Des Weiteren können in der externen Auswerteeinheit 12 zusätzliche Daten zur Verfügung stehen. Im beschriebenen Anwendungsbeispiel Anhängerkupplung können beispielsweise Informationen zu Fahrzeugmodellen und maximal zulässigen Lasten abgespeichert sein. Mit Hilfe dieser Zusatzinformationen kann beispielsweise die Zulässigkeit der aktuellen Last überprüft werden. Falls eine Überschreitung der maximal zulässigen Last ermittelt wurde, kann mittels externer Auswerteeinheit 12 eine optische oder akustische Warnung an den Fahrzeugnutzer ausgegeben werden. Bislang war hierzu eine Anbindung mittels Kabel an die Fahrzeugelektronik erforderlich.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Messanordnung bei einer Anhängerkupplung. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um eine beispielhafte Einsatzmöglichkeit. Andere Anwendungen an Kraft belasteten Maschinenelementen sind natürlich möglich. So kann die Messanordnung beispielsweise bei Wellen oder ähnlichen Maschinenelementen zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Anhängerkupplung
- 02
- Messanordnung
- 03
- Kugelhals
- 04
- Gehäuse
- 05
- Gehäusehälften
- 06
- Fahrzeug
- 07
- Gelenk
- 08
- Flächen der Gehäusehälften
- 09
- Dehnungsmessstreifen
- 10
- Kontaktflächen des Gehäuses
- 11
- Komponenten zur Verarbeitung der Sensordaten
- 12
- externe Auswerteeinheit
