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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenelementanordnung mit einem ersten Maschinenelement und mit einem gegenüber dem ersten Maschinenelement angeordneten zweiten Maschinenelement. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Lageranordnung mit einem ersten Lagerring und mit einem gegenüber dem ersten Lagerring rotierbaren zweiten Lagerring. Die Maschinenelementanordnung bzw. die Lageranordnung umfasst eine Messanordnung zur Messung einer auf das erste Maschinenelement bzw. auf den ersten Lagerring wirkenden Kraft und/oder eines auf das erste Maschinenelement bzw. auf den ersten Lagerring wirkenden Momentes.
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Die
EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
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Die
US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
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Aus der
EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.
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Aus der
DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt.
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Die
US 7,308,835 B2 zeigt einen Drehmomentsensor mit einem magnetoelastischen Ring, welcher drei umlaufende Magnetisierungsbereiche aufweist, welche entgegengesetzte Polaritäten besitzen.
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Die
JP 4910535 B2 lehrt einen Sensor zur Bestimmung eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes, welcher ein U-förmiges Element aus einem magnetostriktiven Material umfasst. Der durch das U-förmige Element gebildete Hohlraum ist mit einem nicht-magnetostriktiven Material gefüllt.
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Aus der
EP 2 799 827 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, bei welchem Magnetfeldsensoren im Innenraum einer Hohlwelle angeordnet sind. Die Hohlwelle weist umlaufende Magnetisierungen mit entgegengesetzten Polaritäten auf.
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Die
DE 10 2011 078 819 A1 zeigt einen geteilten Wankstabilisator mit einem Sensor zur Ermittlung eines im Wankstabilisators wirkenden Drehmomentes. Der Sensor umfasst einen magnetisch kodierten Primärsensor, der aus einer auf dem Wankstabilisator sitzenden Hülse gebildet sein kann. Alternativ kann der magnetisch kodierte Primärsensor durch eine Hülse gebildet sein, die in einem Hohlraum eines hohlen Flansches des Wankstabilisators eingebracht ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, das Messen von Kräften und Momenten an einer Maschinenelementanordnung; die beispielsweise ein Stehlagergehäuse oder eine Welle umfasst, oder insbesondere an einer Lageranordnung robuster und aufwandsärmer realisieren zu können.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Maschinenelementanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 3.
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Die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung umfasst ein erstes Maschinenelement und ein gegenüber dem ersten Maschinenelement angeordnetes zweites Maschinenelement. Das zweite Maschinenelement steht mit dem ersten Maschinenelement in einem mechanischen Eingriff, sodass eine Kraft und/oder ein Moment zwischen den beiden Maschinenelementen übertragbar ist. Die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Messung einer auf das erste Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder eines auf das erste Maschinenelement wirkenden Momentes. Die Messanordnung umfasst mindestens einen Ring aus einem magnetostriktiven Material und einen gegenüber dem Ring angeordneten Magnetfeldsensor. Der Ring sitzt auf dem ersten Maschinenelement und ist durch eine Permanentmagnetisierung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor ist zur Messung eines durch die Permanentmagnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Grundsätzlich kann der Ring eine beliebige Position auf dem ersten Maschinenelement aufweisen. Der Ring kann beispielsweise teilweise oder vollumfänglich magnetisiert sein.
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Das erste Maschinenelement ist bevorzugt durch ein Stehlagergehäuse gebildet, welches das zweite Maschinenelement trägt. Das erste Maschinenelement ist alternativ bevorzugt durch eine Welle gebildet, welche beispielsweise im zweiten Maschinenelement gelagert wird. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung für beliebige Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau verwendbar. Grundsätzlich können das erste Maschinenelement und das zweite Maschinenelement beliebige Formen aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Maschinenelementanordnung ist bevorzugt durch eine Lageranordnung gebildet. Dabei stellt das erste Maschinenelement einen ersten Lagerring dar, während das zweite Maschinenelement einen zweiten Lagerring darstellt. Die nachfolgend in Bezug auf die Lageranordnung und deren ersten Lagerring sowie deren zweiten Lagerring angegebenen Merkmale sind insoweit auch bevorzugte Merkmale der erfindungsgemäßen Maschinenelementanordnung sowie deren ersten Maschinenelement und deren zweiten Maschinenelement.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung dient primär zum rotativen Lagern eines rotierenden Maschinenelementes gegenüber einem weiteren Maschinenelement. Hierfür umfasst die Lageranordnung einen ersten Lagerring und einen gegenüber dem ersten Lagerring rotierbaren zweiten Lagerring. Insoweit stellt die erfindungsgemäße Lageranordnung ein rotatives Lager dar. Auf die Lageranordnung, insbesondere auf den ersten Lagerring, wirkt mindestens eine Kraft und/oder mindestens ein Moment. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf den ersten Lagerring, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich der erste Lagerring zumeist geringfügig verformt.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Messung der auf den ersten Lagerring wirkenden Kraft und/oder des auf den ersten Lagerring wirkenden Momentes. Die auf den ersten Lagerring wirkende Kraft bzw. das auf den ersten Lagerring wirkenden Moment kann unmittelbar oder mittelbar auf den ersten Lagerring wirken.
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Die Messanordnung umfasst mindestens einen Ring aus einem magnetostriktiven Material und einen gegenüber dem Ring angeordneten Magnetfeldsensor, d. h. dass der Magnetfeldsensor in der Nähe des Ringes benachbart zum Ring angeordnet ist. Diese Messanordnung beruht auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Der Ring bildet einen Primärsensor innerhalb der Messanordnung und stellt daher einen Messring dar. Hierfür sitzt der Ring auf dem ersten Lagerring, sodass die auf den ersten Lagerring wirkende Kraft und/oder das auf den ersten Lagerring wirkende Moment auch zu Spannungen im Ring führt. Zudem ist der Ring durch eine Permanentmagnetisierung magnetisiert. Die mechanischen Spannungen im Ring führen gemeinsam mit der Permanentmagnetisierung aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes zu einem Magnetfeld, welches außerhalb des Ringes messbar ist. Der Magnetfeldsensor ist zur Messung des durch die Permanentmagnetisierung und durch die Kraft bewirkten Magnetfeldes bzw. des durch die Permanentmagnetisierung und durch oder das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Folglich bildet der Magnetfeldsensor einen Sekundärsensor innerhalb der auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messanordnung. Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine permanent magnetisierte Ring dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglicht. Der Magnetfeldsensor ist zumindest zur Messung einer Komponente des bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass das Anordnen des Ringes auf dem ersten Lagerring eine sichere Messung der auf die Lageranordnung wirkenden Kräfte und Momente ermöglicht.
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Der mindestens eine permanent magnetisierte Ring ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand nach außerhalb des Ringes bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Ringes messbar ist.
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Die mindestens eine Permanentmagnetisierung ist bevorzugt umlaufend um die Achse ausgerichtet, sodass sie in tangentialer Richtung ausgebildet ist. Der Ring kann auch mehrere der umlaufenden Permanentmagnetisierungen aufweisen, welche als Spuren ausgebildet sind, wobei die Polarität der mehreren umlaufenden Permanentmagnetisierungen abwechselnd ausgerichtet sein kann.
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Der mindestens eine Ring ist bevorzugt kreisringförmig. Bei besonderen Ausführungsformen kann der Ring beispielsweise auch ellipsenförmig oder ovalförmig sein. Auch kann der Ring Ecken aufweisen. Grundsätzlich kann der Ring eine beliebige Form aufweisen.
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Der Ring weist in seiner Umlaufrichtung bevorzugt einen rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt liegt in einer Ebene, welche auch eine Achse des ersten Lagerringes umfasst.
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Der Ring kann auf einem äußeren oder auf einem inneren Umfang des ersten Lagerringes sitzen. Sitzt der Ring auf einem inneren Umfang des ersten Lagerringes, so ist er beispielsweise in den ersten Lagerring eingespannt.
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Der erste Lagerring und/oder der zweite Lagerring weist bevorzugt eine hohlzylindrische Form bzw. einen zylindrische äußere Form oder eine zylindrische innere Form auf. Alternativ bevorzugt weisen der erste Lagerring und/oder der zweite Lagerring eine konische äußere Form oder eine konische innere Form auf. Grundsätzlich kann die Form des ersten Lagerringes und/oder des zweiten Lagerringes von der zylindrischen Form bzw. von der hohlzylindrischen Form abweichen.
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Bei einfachen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sitzt der Ring auf einem zylinderförmigen oder hohlzylinderförmigen Abschnitt des ersten Lagerringes. Folglich muss der erste Lagerring keine besonderen Eigenschaften zur Aufnahme des Ringes besitzen. Somit kann es sich bei dem durch den ersten Lagerring und den zweiten Lagerring gebildeten Lager um ein Lager gemäß dem Stand der Technik handeln.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sitzt der mindestens eine Ring in einer umlaufenden Vertiefung, die im ersten Lagerring ausgebildet ist. Die umlaufende Vertiefung ist bevorzugt kreisringförmig. Die umlaufende Vertiefung weist in ihrer Umlaufrichtung bevorzugt einen rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Grundsätzlich kann die umlaufende Vertiefung einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt liegt in einer Ebene, welche auch eine Achse der umlaufenden Vertiefung und des ersten Lagerringes umfasst. Die umlaufende Vertiefung gewährleistet einen sicheren Sitz des Ringes. Die umlaufende Vertiefung kann radial nach innen oder radial nach außen ausgerichtet, d. h. geöffnet sein. Die umlaufende Vertiefung ist somit in einer inneren Mantelfläche oder in einer äußeren Mantelfläche des ersten Lagerringes ausgebildet. Bei weiteren Ausführungsformen ist die umlaufende Vertiefung in axialer Richtung ausgerichtet, d. h. geöffnet. Der erste Lagerring kann auch mehrere der Vertiefungen aufweisen. Die Vertiefungen können auch mit umfänglichen Absätzen versehen sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung ragt der mindestens eine Ring in radialer Richtung aus der umlaufenden Vertiefung heraus. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lagerringes füllt der Ring die umlaufende Vertiefung vollständig aus und verschließt die Vertiefung bündig.
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Bei besonderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sitzt der Ring formschlüssig auf einer in radialer Richtung auf dem ersten Lagerring ausgebildeten umlaufenden Stufe. An dieser umlaufenden Stufe ändert sich ein Durchmesser des ersten Lagerringes, wobei es sich bei diesem Durchmesser um einen Innen- oder Außendurchmesser handeln kann. Der Ring sitzt auf axial beachbaren Abschnitten des ersten Lagerringes, zwischen denen die Stufe ausgebildet ist. Diese Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung erlauben auch die Messung einer auf den ersten Lagerring wirkenden Scherung oder eines auf den ersten Lagerring wirkenden Schubes. Bevorzugt weist der erste Lagerring mehrere der umlaufenden Stufen auf, auf denen jeweils einer der mehreren Ringe sitzen kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfassen mehrere der Ringe; besonders bevorzugt mindestens drei der Ringe, d. h. mindestens drei der Messringe. Die mehreren Ringe sind in axialer Richtung bevorzugt benachbart zueinander angeordnet. Bevorzugt sitzt jeder der mehreren Ringe in einer einzelnen der mehreren umlaufenden Vertiefungen auf dem ersten Lagerring.
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Der mindestens eine Ring sitzt bevorzugt fest auf dem ersten Lagerring. Der mindestens eine Ring sitzt bevorzugt kraftschlüssig auf dem ersten Lagerring. Der mindestens eine Ring ist bevorzugt stoffschlüssig mit dem ersten Lagerring verbunden. Grundsätzlich kann der Ring beliebig mit dem ersten Lagerring verbunden sein. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der mindestens eine Ring als ein integrativer Bestandteil des ersten Lagerringes ausgebildet.
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Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt in radialer Richtung beabstandet zum Ring angeordnet. Der Magnetfeldsensor weist in axialer Richtung bevorzugt eine gleiche Position wie der Ring auf.
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Der Magnetfeldsensor weist zum Ring einen Abstand auf, der bevorzugt kleiner als eine Breite oder eine Höhe des Ringes ist. Grundsätzlich kann der Magnetfeldsensor eine beliebige Position gegenüber dem Ring aufweisen.
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Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt innerhalb einer Auswerteelektronik angeordnet, die bevorzugt verkapselt ist.
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Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt jeweils durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung bilden der erste Lagerring und der zweite Lagerring einen Innenring und einen Außenring aus. Bevorzugt ist der erste Lagerring durch den Außenring gebildet. Bevorzugt ist der zweite Lagerring durch den Innenring gebildet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung umfassen weiterhin Wälzkörper, die zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordnet sind. Somit handelt es sich bei dem durch den ersten Lagerring, den zweiten Lagerring und die Wälzkörper gebildeten Lager um ein Wälzlager.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist bevorzugt zur Lagerung eines Rades eines Fahrzeuges ausgebildet. Hierzu ist der erste Lagerring oder der zweite Lagerring bevorzugt einstückig mit einer Radnabe ausgebildet. Bevorzugt ist der als Innenring ausgebildete zweite Lagerring einstückig mit der Radnabe ausgebildet. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Lageranordnung für eine beliebige Lageranwendung auch außerhalb der Fahrzeugtechnik geeignet.
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Der mindestens eine Ring besteht bevorzugt aus einem magnetoelastischen Material. Der mindestens eine Ring besteht bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material. Der mindestens eine Ring besteht bevorzugt aus einem Stahl, besonders bevorzugt aus einem Werkzeugstahl. Der Werkzeugstahl enthält bevorzugt Nickel, Chrom und/oder Molybdän. Bei dem Werkzeugstahl handelt es sich beispielsweise um 45NiCrMo16.
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Der erste Lagerring und der zweite Lagerring bestehen bevorzugt aus einem Stahl, besonders bevorzugt aus einem Werkzeugstahl.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung;
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2 eine seitliche Ansicht eines Stehlagergehäuses einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschinenelementanordnung;
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3 einen Messring der in 1 gezeigten Lageranordnung im Detail;
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4 eine alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes;
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5 eine weitere alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes;
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6 eine weitere alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes;
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7 eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten Messringes; und
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8 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung in Form eines Radlagers.
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1 eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung. Die Lageranordnung umfasst einen Außenring 01 und einen Innenring 02, zwischen denen Wälzkörper 03 in Form von Kugeln angeordnet sind. Somit handelt es sich bei der gezeigten Ausführungsform der Lageranordnung um ein rotatives Wälzlager. Auf den Außenring 01 ist ein Messring 04 aus einem magnetostriktiven Werkzeugstahl, wie beispielsweise 45NiCrMo16 aufgespannt. Der Messring 04 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Radial beabstandet zum Messring 04 ist ein Magnetfeldsensor 06 einschließlich einer Auswertelektronik angeordnet. Der Magnetfeldsensor 06 mit der Auswertelektronik ist an einem Chassis (nicht dargestellt) befestigt.
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2 zeigt eine seitliche Ansicht eines Stehlagergehäuses einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschinenelementanordnung. Es ist wiederum der Außenring 01 mit dem darauf aufgespannten Messring 04 dargestellt.
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3 zeigt den in 1 gezeigten Messring 04 im Detail. Es ist insbesondere die Anordnung des Messringes 04 auf dem Außenring 01 dargestellt. Der Messring 04 sitzt in einer umlaufenden Nut 07, die in einer äußeren Mantelfläche des Außenringes 01 ausgebildet ist. Der Messring 04 füllt die umlaufende Nut 07 vollständig aus und ragt aus dieser heraus. Der Messring 04 ist kraftschlüssig mit einem Boden und/oder Seiten der umlaufenden Nut 07 verbunden.
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4 zeigt eine alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes 04. Bei dieser alternativen Anordnung überragt der Messring 04 die Nut 07 nicht, sondern schließt bündig mit der äußeren Mantelfläche des Außenringes 01 ab. Der Messring 04 ist kraftschlüssig mit einem Boden und/oder Seiten der umlaufenden Nut 07 verbunden.
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5 zeigt eine weitere alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes 04. Bei dieser alternativen Anordnung weist der Außenring 01 keine Nut auf. Somit sitzt der Messring 04 auf der zylinderförmigen Mantelfläche des Außenringes 01.
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6 zeigt eine weitere alternative Anordnung des in 3 gezeigten Messringes 04. Bei dieser alternativen Anordnung weist die Nut 07 einen trapezförmigen Querschnitt auf.
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7 zeigt eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten Messringes 04. Bei dieser Ausführungsform weist der Außenring 01 eine umlaufende Stufe 08, welcher der Messring 04 mit seinem Querschnitt folgt. Diese Ausführungsform erlaubt die Messung von Scherung und Schubkräften.
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8 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung in Form eines Radlagers eines Fahrzeuges. Der Außenring 01 ist an einem Radträger 11 des Fahrzeuges befestigt. Der Innenring 02 ist einstückig mit einer Radnabe 12 ausgebildet, an welcher eine Felge 13 eines Rades befestigt ist. Mithilfe des Messringes 04 und des Magnetfeldsensors 06 können Kräfte, welche auf den Außenring 01 wirken, gemessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Außenring
- 02
- Innenring
- 03
- Wälzkörper
- 04
- Messring
- 05
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- 06
- Magnetfeldsensor mit Auswertelektronik
- 07
- Nut
- 08
- umlaufende Stufe
- 09
-
- 10
-
- 11
- Radträger
- 12
- Radnabe
- 13
- Felge
