-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Maschinenelement sowie eine mit einem derartigen Maschinenelement versehene Sensoranordnung. Das Maschinenelement ist beispielsweise als kraftübertragendes Verbindungselement, beispielsweise als Schraube, Bolzen oder Niet ausgestaltet. Es kann aber auch als Welle ausgestaltet sein, die z.B. mittels eines Wälzlagers gelagert ist.
-
Hintergrund
-
Maschinenelemente mit integrierten Sensoren, beispielsweise für eine Kraft- oder Momentenmessung sind im Stand der Technik, so beispielsweise aus der
DE 10 2012 005 614 B4 bekannt. Für die elektrische Kontaktierung eines Sensors, welcher am oder im Verbindungselement angeordnet ist, werden typischerweise zwei elektrische Signalübertragungspfade, beispielsweise für ein Massepotenzial und für eine elektrische Signalübertragung benötigt. Wenn der Sensor mit einer integrierten Elektronik ausgestattet ist, wird ggf. zusätzlich noch ein weiterer elektrischer Signalpfad für die Energieversorgung benötigt.
-
Die Implementierung einer kabelbasierten elektrischen Verbindung für einen beispielsweise im Inneren eines Maschinen- oder Verbindungselements angeordneten Sensor erweist sich mitunter als aufwendig und schwierig. Aus einem Maschinen- oder Verbindungselement herausführende Kabel erfordern eine gesonderte Handhabung und können die Einsatzmöglichkeiten des Maschinen- oder Verbindungselements einschränken.
-
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Maschinenelement bzw. eine mit einem derartigen Maschinenelement ausgestattete Sensoranordnung bereitzustellen, welche eine möglichst dauerhaltbare und zuverlässige elektrische Kontaktierung eines im Inneren des Maschinenelements angeordneten Sensors ermöglicht. Hierbei soll eine mechanische Schwächung des Maschinenelements infolge der elektrischen Kontaktierung möglichst vermieden werden. Insoweit soll insbesondere eine minimalinvasive oder mikroinvasive Kontaktierung eines in einem Hohlraum eines Maschinenelements angeordneten Sensors bereitgestellt werden. Es ist Zielsetzung, ein derart ausgestaltetes Maschinenelement vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten zuzuführen und hierfür zugänglich zu machen.
-
Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen
-
Diese Aufgabe wird mit einem Maschinenelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einer Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
-
Das insoweit vorgesehene Maschinenelement weist einen längserstreckten Grundkörper auf. Der Grundkörper weist ein erstes Längsende und ein zweites Längsende auf. Das erste Längsende ist an einem dem zweiten Längsende gegenüberliegenden Ende des Grundkörpers vorgesehen. Der Grundkörper weist ferner einen Hohlraum auf, in welchem ein elektrischer Sensor angeordnet ist. Der elektrische Sensor weist zumindest einen ersten elektrischen Kontakt und zumindest einen weiteren elektrischen Kontakt, beispielsweise einen zweiten und/oder einen dritten elektrischen Kontakt auf. Der erste elektrische Kontakt ist mit einer Innenwand des Hohlraums elektrisch verbunden.
-
Das Maschinenelement weist ferner eine elektrische Leiterstruktur auf, welche mit dem weiteren elektrischen Kontakt elektrisch verbunden ist, und welche sich vom Sensor bis zumindest zu einem von erstem Längsende und zweitem Längsende des Grundkörpers erstreckt.
-
Der Grundkörper kann aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein. Die Innenwand des Hohlraums des Grundkörpers kann beschichtungsfrei ausgestaltet sein. Mithin kann die dem Sensor zugewandte Innenwand des Hohlraums aus demselben Material wie der Grundkörper gefertigt sein. Der Hohlraum kann insbesondere als Bohrung im Inneren des Grundkörpers ausgestaltet sein. Dadurch, dass der erste elektrische Kontakt des Sensors in unmittelbarer elektrischer Verbindung mit der Innenwand des Hohlraums steht, fungiert die Innenwand des Hohlraums bzw. fungiert der einstückig mit der Innenwand ausgestaltete Grundkörper nicht nur als mechanische Tragstruktur für das Maschinenelement, sondern zugleich auch als elektrischer Leiter für den ersten elektrischen Kontakt des Sensors. Auf eine gesonderte kabelgebundene elektrische Kontaktierung des ersten elektrischen Kontakts des Sensors kann insoweit verzichtet werden.
-
Der weitere elektrische Kontakt des Sensors ist naturgemäß elektrisch isoliert vom ersten elektrischen Kontakt ausgestaltet. Die elektrische Leiterstruktur erstreckt sich typischerweise in Längsrichtung in den Hohlraum hinein. Sie kann sich vom weiteren elektrischen Kontakt des Sensors innerhalb des Hohlraums und somit innerhalb des Grundkörpers bis zu einem von erstem und zweitem Längsende des Grundkörpers erstrecken. Die elektrische Leiterstruktur erstreckt sich typischerweise ebenfalls im bzw. durch den Hohlraum des Grundkörpers. Sie kann in Axialrichtung an den im Hohlraum angeordneten Sensor angrenzen und in Axialrichtung, d. h. in Längsrichtung, mit einem Längsende des Sensors elektrisch verbunden sein.
-
Die elektrische Leiterstruktur erstreckt sich typischerweise von einem dem ersten Längsende zugewandten Ende des Sensors bis zum ersten Längsende des Grundkörpers. Gleichermaßen oder alternative hierzu kann sich die elektrische Leiterstruktur auch von einem dem zweiten Längsende zugewandten Ende des Sensors zum zweiten Längsende des Grundkörpers erstrecken. Mit anderen Worten kann die elektrische Leiterstruktur durch den Hohlraum des Grundkörpers verlaufen und eine elektrische Kontaktierung an einem Längsende oder an beiden Längsenden des Sensors bereitstellen.
-
Bei der elektrischen Leiterstruktur kann es sich typischerweise um eine elektrisch leitfähige formstabile Struktur handeln, die beispielsweise als elektrisch leitfähige Beschichtung oder als elektrisch leitfähiger Körper im oder am Hohlraum bzw. an dessen Innenwand angeordnet ist.
-
An zumindest einem von erstem und zweitem Längsende ist die elektrische Leiterstruktur von außen zugänglich, sodass beispielsweise durch Anlegen einer Kontaktklemme an den Grundkörper eine dementsprechende elektrische Kontaktierung mit dem weiteren elektrischen Kontakt des Sensors bereitgestellt werden kann. Eine kabelgebundene Kontaktierung des Sensors und eine hiermit notwendigerweise einhergehende manuelle Handhabung von mit dem Sensor verbundenen Kabeln außerhalb des Maschinenelements bzw. außerhalb des Grundkörpers kann auf diese Art und Weise umgangen werden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die elektrische Leiterstruktur vom Grundkörper elektrisch isoliert. Hierzu kann beispielsweise die Innenwand des Hohlraums des Grundkörpers in einem Bereich außerhalb des Sensors mit einer elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise in Form einer Beschichtung oder eines an der Innenwand angeordneten Isolators elektrisch isoliert sein. Alternativ ist denkbar, dass die elektrische Leiterstruktur zumindest einen elektrischen Leiter aufweist, der von einer elektrischen Isolierung umgeben ist. Dabei kann die Innenwand des Hohlraums frei von einer elektrischen Isolierung ausgestaltet sein.
-
Eine elektrische Isolierung zwischen dem Grundkörper und der elektrischen Leiterstruktur kann alsdann ausschließlich auf Basis einer elektrischen Isolierung elektrischer Leiter der elektrischen Leiterstruktur bereitgestellt werden. Dies vereinfacht die Ausgestaltung und Herstellung des Grundkörpers.
-
Nach einer Weiterbildung weist der Sensor einen zweiten elektrischen Kontakt als weiteren elektrischen Kontakt auf. Die elektrische Leiterstruktur weist einen ersten elektrischen Leiter auf, welcher mit dem zweiten elektrischen Kontakt des Sensors elektrisch verbunden ist und welcher sich vom Sensor zum ersten Längsende des Grundkörpers erstreckt. Der zweite elektrische Kontakt des Sensors ist typischerweise an einem Ende oder einer Stirnseite des Sensors angeordnet, welches oder welcher dem ersten Längsende des Grundkörpers zugewandt ist.
-
Der zweite elektrische Kontakt kann beispielsweise an einer dem ersten Längsende des Grundkörpers zugewandten Stirnfläche des Sensors ausgestaltet oder hieran angeordnet sein. Insoweit kann der erste elektrische Leiter der elektrischen Leiterstruktur eine axiale bzw. stirnseitige elektrische Verbindung mit dem Sensor in Richtung zum ersten Längsende des Grundkörpers bereitstellen. Am ersten Längsende kann der erste elektrische Kontakt aus dem Hohlraum des Grundkörpers, beispielsweise auf einer Außenseite des Grundkörpers herausgeführt sein. Dort kann der erste elektrische Kontakt außerhalb des Hohlraums und/oder an einer Außenseite des Grundkörpers anliegend anderweitig mit einem elektrischen Signalgeber und/oder elektrischen Signalempfänger verbunden werden.
-
Der erste elektrische Leiter kann insbesondere mit einer elektrischen Isolierung versehen sein, um einen elektrischen Kontakt mit der Innenwand des Hohlraums und/oder um einen elektrischen Kontakt mit dem Grundkörper zu vermeiden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor einen dritten elektrischen Kontakt als weiteren elektrischen Kontakt auf. Die elektrische Leiterstruktur weist hierbei einen zweiten elektrischen Leiter auf, welcher mit dem dritten elektrischen Kontakt elektrisch verbunden ist und welcher sich vom Sensor zum zweiten Längsende erstreckt. Der zweite elektrische Leiter kann analog zum ersten elektrischen Leiter ausgestaltet und aufgebaut sein. Der dritte elektrische Kontakt des Sensors kann beispielsweise an einem Ende oder an einer Stirnseite des Sensors vorgesehen oder angeordnet sein, welche dem zweiten Längsende des Grundkörpers zugewandt ist. Auch kann der zweite elektrische Leiter mit einer elektrischen Isolierung versehen sein, um einen elektrischen Kontakt mit der Innenwand des Hohlraums zu vermeiden. Mittels des zweiten elektrischen Leiters kann eine elektrische Verbindung zum dritten elektrischen Kontakt hergestellt werden, wobei der zweite elektrischen Leiter im Bereich des zweiten Längsendes aus dem Hohlraum des Grundkörpers herausführt. Mittels des zweiten elektrischen Leiters ist der dritte elektrische Kontakt des Sensors elektrisch von außen kontaktierbar.
-
Der Sensor weist zumindest zwei der zuvor beschriebenen ersten, zweiten und dritten Kontakte auf. Der erste elektrische Kontakt steht mit der Innenwand des Hohlraums in elektrischer Verbindung. Ist lediglich ein dritter elektrischer Kontakt vorgesehen, so steht dieser mit dem zweiten elektrischen Leiter der elektrischen Leiterstruktur in Kontakt. Der dritte elektrische Kontakt des Sensors ist bei einer derartigen Ausgestaltung am zweiten Längsende des Grundkörpers über den zweiten elektrischen Leiter elektrisch kontaktierbar. Alternativ oder ergänzend hierzu kann der Sensor den bereits erwähnten zweiten elektrischen Kontakt aufweisen, welcher mittels des ersten elektrischen Leiters am ersten Längsende des Grundkörpers für einen Signalgeber oder Signalempfänger elektrisch kontaktierbar ist.
-
Über den ersten elektrischen Kontakt, welcher sich beispielsweise entlang einer Außen- oder Umfangswandung des Sensors erstreckt, kann ein erster Signalpfad über den elektrisch leitenden Grundkörper des Maschinenelements bereitgestellt werden. Über die elektrische Kontaktierung des zweiten elektrischen Kontakts des Sensors mit dem ersten elektrischen Leiter kann ein zweiter elektrischer Signalpfad verwirklicht werden. Mit dem beispielsweise optional vorgesehenen dritten elektrischen Kontakt des Sensors, welcher mit dem zweiten elektrischen Leiter elektrisch verbunden ist, kann ein dritter Signalpfad verwirklicht werden. Die genannten Signalpfade sind hierbei voneinander elektrisch isoliert.
-
Sie können gesondert beispielsweise mit einem Massepotenzial, mit einer Versorgungsspannung und/oder mit einem oder mehreren Signalgebern und/oder Empfängern elektrisch verbunden werden, um den Sensor und/oder darin enthaltene elektronische Komponenten mit elektrischer Energie zu versorgen, mit elektrischen Steuersignalen zu beaufschlagen und/oder um elektrische Signale vom elektrischen Sensor zu empfangen und einer Weiterverarbeitung zuzuführen.
-
Das Maschinenelement kann ferner eine elektrische Leiterstruktur mit dem ersten elektrischen Leiter und mit dem zweiten elektrischen Leiter aufweisen, die sich jeweils zum ersten und zum zweiten Längsende erstrecken. So kann der Hohlraum typischerweise als längserstreckte Durchgangsöffnung oder Durchgangsbohrung durch den Grundkörper ausgestaltet sein. Mithin kann sich der Hohlraum vom ersten Längsende bis zum zweiten Längsende des Grundkörpers erstrecken. In einem vorgegebenen Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Längsende ist der elektrische Sensor im Inneren des Hohlraums angeordnet.
-
Der elektrische Sensor kann in jenem Bereich den Hohlraum vollständig ausfüllen und einen Durchgang durch den Hohlraum in Längsrichtung quasi unterbrechen. Mithin kann der Sensor den Hohlraum im Grundkörper in einen ersten Abschnitt und in einen zweiten Abschnitt unterteilen. Der erste Abschnitt erstreckt sich vom Sensor bis zum ersten Längsende des Grundkörpers. Der zweite Abschnitt erstreckt sich vom Sensor bis zum zweiten Längsende des Grundkörpers.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Grundkörper einen längserstreckten Schaftabschnitt und im Bereich des ersten Längsendes einen gegenüber dem Schaftabschnitt radial erweiterten oder radial verbreiterten Kopfabschnitt auf. Der Schaftabschnitt und der Kopfabschnitt sind typischerweise einstückig miteinander verbunden bzw. aus einem einzigen durchgehenden Werkstück gefertigt.
-
Der radial erweiterte Kopfabschnitt ermöglicht insbesondere eine axiale Anlage an einem Bauteil, um mittels des Maschinenelements beispielsweise axiale Kräfte und/oder Drehmomente zu übertragen. Der erste elektrische Leiter kann beispielsweise im Bereich einer Stirnfläche des Kopfabschnitts aus dem Hohlraum des Grundkörpers herausführen. Der erste elektrische Leiter kann insbesondere an einer außenliegenden Fläche des radial erweiterten Kopfabschnitts angeordnet sein, um eine möglichst einfache elektrische Kontaktierung mit dem zweiten elektrischen Kontakt des Sensors bereitzustellen.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Kopfabschnitt eine mit einem Drehmoment-Übertragungswerkzeug in Eingriff bringbare Schlüsselfläche oder Wirkfläche auf, welche zumindest abschnittsweise mit dem ersten elektrischen Leiter versehen ist. Der erste elektrische Leiter kann sich zumindest in einem Teilbereich der Schlüsselfläche oder Wirkfläche erstrecken. Die Integration des ersten elektrischen Leiters in die Schlüsselfläche oder Wirkfläche erweist sich im Hinblick auf eine kompakte Ausgestaltung des Maschinenelements als besonders vorteilhaft.
-
Die Schlüsselfläche kann beispielsweise als Außenvierkant oder Innenvierkant, aber auch als Außensechskant oder Innensechskant ausgestaltet sein, um eine formschlüssige drehmomentübertragende Verbindung mit dem Drehmoment-Übertragungswerkzeug bilden zu können. Die Wirkfläche kann eine anderweitige drehmomentübertragende Geometrie bzw. Formgebung, bspw. in Form als innenliegende oder außenliegenden Torx Geometrie aufweisen. Sie kann gleichermaßen mit einem Schraubwerkzeug, bspw. mit einem Torx-Schraubenzieher drehmomentübertragend in Eingriff bringbar sein.
-
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass nur ein Teilbereich der Schlüsselfläche am Kopfabschnitt des Grundkörpers mit dem ersten elektrischen Leiter versehen ist, oder dass der erste elektrische Leiter nur bereichsweise an der Schlüsselfläche des Kopfabschnitts anliegt oder hieran angeordnet ist. So kann insbesondere vorgesehen sein, einzelne Teilbereiche der Schlüsselfläche frei von elektrischen Leitern auszugestalten. Jene leiterfreien Bereiche der Schlüsselfläche können insbesondere der Drehmomentübertragung und dem drehmomentübertragenden Eingriff mit dem Drehmoment-Übertragungswerkzeug dienen, während die mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche beispielsweise eine Schlüsselweite aufweisen, die größer oder kleiner ist als die Schlüsselweite des für die Schlüsselfläche insgesamt vorgesehenen Drehmoment-Übertragungswerkzeugs.
-
Auf diese Art und Weise können mechanische Beschädigungen durch das Drehmoment-Übertragungswerkzeug am ersten elektrischen Leiter weitreichend vermieden werden. Dies ermöglicht ferner den Einsatz von vergleichsweise weichen, Materialien für den ersten elektrischen Leiter, welche sich primär durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen. Dieser kann beispielsweise ein elektrisch gut leitfähiges Metall oder eine entsprechende Metalllegierung, wie zum Beispiel Kupfer oder Messing aufweisen. Diejenigen Bereiche der Schlüsselfläche, welche mit dem ersten elektrischen Leiter versehen sind, können insoweit für die elektrische Kontaktierung optimiert sein. Typischerweise können diametral gegenüberliegende Bereiche der Schlüsselfläche jeweils mit dem ersten elektrischen Leiter versehen und beispielsweise über die Stirnfläche des Kopfabschnitts elektrisch miteinander verbunden sein.
-
So können die mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche mit einem Material versehen oder beschichtet sein, welches eine höhere Leitfähigkeit als das Material übriger Teilbereiche der Schlüsselfläche aufweist. Umgekehrt können die außerhalb des elektrischen Leiters liegenden Bereiche der Schlüsselfläche eine höhere mechanische Stabilität als die mit dem elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche aufweisen.
-
Die außerhalb des ersten elektrischen Leiters liegenden Bereiche der Schlüsselfläche können alsdann ausschließlich für die Drehmomentübertragung und für den drehmomentübertragenden Eingriff mit einem entsprechenden Werkzeug, beispielsweise mit einem Schraubenschlüssel oder Innensechskantschlüssel zum Zwecke der Drehmomentübertragung zusammenwirken. Die mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche können insbesondere durch eine geometrische Abweichung von einer regelmäßigen Vieleckstruktur der Schlüsselfläche außerhalb des Wirkungsbereichs des Drehmoment-Übertragungswerkzeugs liegen.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Schlüsselfläche an eine Außenseite oder an einer Innenseite eines im Wesentlichen regelmäßigen Vielecks ausgestaltet. Bei Vorsehen einer Schlüsselfläche mit einer Außenseite, welche typischerweise mit einem Schraubenschlüssel in Eingriff bringbar ist, können die mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche in einer Radialrichtung von der Außenseite des Vielecks hervorstehen. Insoweit können insbesondere diametral gegenüberliegende Bereiche der Schlüsselfläche, welche jeweils mit dem ersten elektrischen Leiter versehen sind, eine Schlüsselweite aufweisen, die größer ist als die betreffende Schlüsselweite des Drehmoment-Übertragungswerkzeugs.
-
Insoweit kann die Schlüsselweite der mit den ersten elektrischen Leitern versehenen Bereiche der Schlüsselfläche größer sein als die Schlüsselweite übriger, leiterfrei ausgestalteter Bereiche der Schlüsselfläche. Eine derartige Ausgestaltung verhindert das Ansetzen eines Drehmoment-Übertragungswerkzeugs an den ersten elektrischen Leiter zum Zwecke einer Drehmomentübertragung. Eine etwaige mechanische Beschädigung des elektrischen Leiters durch das Drehmoment-Übertragungswerkzeug kann auf diese Art und Weise weitreichend vermieden werden.
-
Wenn die Schlüsselfläche eine Innenseite aufweist, mithin, wenn die Schlüsselfläche beispielsweise als Innenvierkant oder Innensechskante ausgestaltet ist, können die mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche in Radialrichtung betrachtet gegenüber der Innenseite des Vielecks zurückversetzt sein. Auch hier kann die Schlüsselweite der mit dem ersten elektrischen Leiter versehenen Bereiche der Schlüsselfläche eine größere Schlüsselweite als übrige Bereiche der Schlüsselfläche aufweisen. Auch auf diese Art und Weise kann ein mechanischer Kontakt und eine dementsprechende Abrasion oder Abnutzung des ersten elektrischen Leiters im Bereich der Schlüsselfläche durch das Drehmoment-Übertragungswerkzeug weitreichend vermieden bzw. verhindert werden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Kopfabschnitt an einer dem Schaftabschnitt zugewandten Unterseite eine Kopfauflage auf, welche zumindest abschnittsweise mit dem ersten elektrischen Leiter versehen ist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der erste elektrische Leiter am ersten Längsende des Grundkörpers aus dem Hohlraum heraus, entlang einer ersten Stirnfläche in Radialrichtung zu einem Außenrand des Kopfabschnitts geführt ist, anschließend an einer Außenseite des Kopfabschnitts in Längsrichtung am Kopfabschnitt zu dessen Unterseite bzw. Kopfauflage geführt ist.
-
Eine solche Anordnung kann für bestimmte Anwendungsszenarien von Vorteil sein, nämlich wenn beispielsweise mittels des Maschinenelements zwei Bauteile miteinander verbunden werden, wobei die Kopfauflage beispielsweise an einer Öffnungsberandung eines ersten Bauteils anliegt und wobei der Grundkörper beispielsweise im Bereich des zweiten Längsendes, mithin über den Schaftabschnitt mit einem zweiten Bauteil elektrisch verbunden ist. Die beiden Bauteile sind im Bereich einer möglicherweise unmittelbaren Anlage dabei elektrisch zueinander zu isolieren. Über die mittels des Maschinenelements bzw. Verbindungselements miteinander verbundenen Bauteile kann aber alsdann eine unmittelbare elektrische Kontaktierung mit dem Sensor, mithin mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt des Sensors hergestellt werden. Eine gesonderte kabelgebundene Kontaktierung für den Sensor kann hierbei entfallen.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich der Hohlraum des Grundkörpers in Längsrichtung vom Schaftabschnitt bis in eine erste Stirnfläche am ersten Längsende des Grundkörpers. Auf diese Art und Weise kann der erste elektrische Leiter vom elektrischen Sensor bis in oder an die erste Stirnfläche des Grundkörpers geführt werden. Er kann an der ersten Stirnfläche radial nach außen bis hin in eine sich in etwa parallel zur Stirnfläche, aber axial hierzu versetzte Kopfauflage geführt werden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite elektrische Leiter an einer zweiten Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet, welche sich am zweiten Längsende des Grundkörpers befindet. Der zweite elektrische Leiter kann ferner auch von der zweiten Stirnfläche hervorstehen.
-
Des Weiteren kann hierbei vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschnitt des zweiten elektrischen Leiters entgegen der Wirkung eines Rückstellelements in Richtung zum ersten Längsende beweglich am Grundkörper angeordnet ist. Insbesondere kann der zweite elektrische Leiter als federbeaufschlagter Kontaktstift ausgestaltet sein, welcher von der zweiten Stirnfläche des Grundkörpers hervorsteht und welcher entgegen der Wirkung eines insoweit als Feder ausgestalteten Rückstellelements in Richtung zum ersten Längsende beweglich am Grundkörper angeordnet ist.
-
Ist das Maschinenelement beispielsweise als Verbindungselement, so zum Beispiel als Schraube, Niet oder Bolzen ausgestaltet und erreicht das Verbindungselement beispielsweise eine vorgesehene Montagestellung an einem Bauteil, kann vorgesehen sein, dass der mit dem Rückstellelement mechanisch gekoppelte zweite elektrische Leiter mit einem dementsprechend am Bauteil vorgesehenen elektrischen Anschluss, d.h. mit einem Gegenkontakt in eine elektrische Kontaktstellung gelangt.
-
Je nach Beschaffenheit und Toleranzen der miteinander zu verbindenden Bauteile kann die Lage bzw. die axiale Position der zweiten Stirnfläche des Grundkörpers relativ zum betreffenden Bauteil variieren. Mittels des beweglich am Grundkörper angeordneten zweiten elektrischen Leiters können entsprechende Montage- oder Bauteiltoleranzen kompensiert werden, um stets eine zuverlässige elektrische Kontaktierung vom bauteilseitigen Gegenkontakt zum zweiten elektrischen Leiter bereitstellen zu können.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Sensor infolge einer plastischen Deformation des Grundkörpers klemmend im Hohlraum des Grundkörpers fixiert. Der Sensor kann kraftschlüssig und/oder formschlüssig im Hohlraum des Grundkörpers fixiert sein. Der Sensor kann insbesondere durch die plastische Deformation des Grundkörpers auch mit einer axialen Vorspannung beaufschlagt sein. Insoweit ist der Sensor beispielsweise als Kraftsensor ausgestaltet. Er kann beispielsweise ein oder mehrere piezokristalline und/oder piezokeramische Schichten aufweisen, mittels derer in Abhängigkeit einer auf den Sensor einwirkenden radialen und/oder axialen Kraft der jeweiligen Kraft entsprechende elektrische Spannungssignale generierbar sind, die mittels eines elektrischen Signalempfängers auswertbar sind.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Maschinenelement als kraftübertragendes Verbindungselement oder als drehmomentübertragende Welle ausgestaltet. Das Verbindungselement kann beispielsweise in Form einer Schraube, eines Bolzens oder eines Niets ausgestaltet sein, welcher in einem oder in mehreren miteinander zu verbindenden Bauteilen anordenbar ist. Die insoweit kabelfreie elektrische Kontaktierung des im Hohlraum des Grundkörpers angeordneten Sensors erweist sich für eine drehbar gelagerte Welle als besonders vorteilhaft, da hier eine kabelgebundene elektrische Kontaktierung aufgrund der Drehbarkeit der Welle gegenüber einem Lager ohnehin nicht infrage käme.
-
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner eine Sensoranordnung mit zumindest einem ersten Bauteil, welches eine Durchgangsöffnung aufweist. Die Sensoranordnung weist ferner ein zuvor beschriebenes Maschinenelement auf, welches in der Durchgangsöffnung angeordnet ist und welches zumindest bereichsweise von einer Innenwand der Durchgangsöffnung elektrisch isoliert ist. Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das Maschinenelement die Durchgangsöffnung durchsetzt. Bei einer Ausgestaltung des Maschinenelements in Form eines Verbindungselements kann das erste Bauteil mithilfe des Verbindungselements beispielsweise mit einem zweiten Bauteil verbunden werden. Bei einer Ausgestaltung des Maschinenelements als Welle kann das erste Bauteil zumindest ein Lager aufweisen, an welchem sich die Welle drehbar abstützt oder an welchem die Welle drehbar gelagert ist.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Sensoranordnung umfasst diese ferner ein zweites Bauteil auf, welches eine Aufnahme für das Maschinenelement aufweist, wobei die Aufnahme fluchtend zur Durchgangsöffnung des ersten Bauteils angeordnet ist und wobei die Aufnahme mit dem Grundkörper mechanisch und/oder elektrisch verbindbar ist.
-
Wenn das Maschinenelement als Verbindungselement ausgestaltet ist, kann es über seinen Grundkörper mechanisch und elektrisch mit der Aufnahme des zweiten Bauteils verbunden sein, während der Grundkörper des Maschinenelements elektrisch von der Durchgangsöffnung des ersten Bauteils isoliert ist. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise der erste elektrische Kontakt des Sensors mit dem zweiten Bauteil elektrisch verbunden sein. Der zweite oder dritte elektrische Kontakt kann an einem ersten oder zweiten Längsende des Grundkörpers aus dem Hohlraum herausgeführt und gesondert entweder mit einem Signalgeber oder Signalempfänger, alternativ auch mit dem ersten Bauteil elektrisch verbunden werden.
-
Bei einer elektrischen Verbindung des ersten Bauteils beispielsweise mit dem zweiten elektrischen Kontakt des Sensors ist typischerweise eine elektrische Isolierung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil vorgesehen. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil, welche mittels des Verbindungselements miteinander verbindbar sind, können hierbei als elektrisch leitende Struktur für den ersten und/oder den zweiten elektrischen Kontakt des Sensors fungieren.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind das zweite Bauteil und das erste Bauteil mittels einer elektrischen Isolierung voneinander elektrisch isoliert. Dies ist, wie bereits erwähnt, insbesondere dann von Vorteil, wenn der erste elektrische Kontakt des Sensors über den Grundkörper des Verbindungselements mit dem zweiten Bauteil elektrisch verbunden ist und wenn der zweite elektrische Kontakt des Sensors über die aus dem ersten Längsende des Grundkörpers herausführende elektrische Verbindungsstruktur mit einer dem zweiten Bauteil abgewandten Seite des ersten Bauteils elektrisch verbunden ist. Die mittels des Verbindungselements miteinander mechanisch verbundenen Bauteile können alsdann unmittelbar als elektrische Kontakte für den im Inneren des Grundkörpers angeordneten Sensor fungieren.
-
Figurenliste
-
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer mit einem Maschinenelement versehenen Sensoranordnung im Querschnitt,
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mit einem Maschinenelement versehenen Sensoranordnung,
- 3 eine isolierte perspektivische schematische Darstellung eines Kopfabschnitts des Maschinenelements mit einem daran angeordneten ersten elektrischen Leiter,
- 4 eine Darstellung gemäß 3 von oben betrachtet,
- 5 eine weitere Ausführungsform eines Kopfabschnitts des Maschinenelements von oben betrachtet,
- 6 eine weitere Ausgestaltung des Maschinenelements in Form einer Welle,
- 7 eine vergrößerte schematische Darstellung der Anordnung des Sensors im Hohlraum des Grundkörpers und
- 8 eine vergrößerte isolierte Darstellung des als Verbindungselement ausgestalteten Maschinenelements gemäß 1.
-
Detaillierte Beschreibung
-
In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Sensoranordnung 1 gezeigt, mittels welcher ein erstes Bauteil 2 mit einem zweiten Bauteil 4 verbindbar ist. Die Sensoranordnung 1 umfasst das erste Bauteil 2, das zweite Bauteil 4 und ein als Verbindungselement 30 ausgestaltetes Maschinenelement 10. Das Verbindungselement 30 ist dabei als Schraube ausgestaltet. Es weist einen Grundkörper 11 mit einem längserstreckten Schaftabschnitt 31 und einen demgegenüber radial verbreiterten Kopfabschnitt 32 auf. Die Struktur des Verbindungselements 30, mithin des insoweit ausgestalteten Maschinenelements 10 ist insbesondere in 8 im Detail gezeigt.
-
Der zum Beispiel monolithisch ausgestaltete Grundkörper 11 weist einen längserstreckten Hohlraum 12 auf, der sich von einem ersten Längsende 14 bis zu einem zweiten Längsende 15 des Grundkörpers 11 erstreckt. Der Grundkörper 11 weist ferner ein mit dem Kopfabschnitt 30 versehenes erstes Längsende 14 auf. Der Grundkörper 11 kann insbesondere aus einem elektrisch leitenden Metall gefertigt sein, bzw. hieraus bestehen.
-
Der Hohlraum 12 erstreckt sich vollständig durch den Grundkörper 11. Er kann beispielsweise als Durchgangsbohrung den Grundkörper 11 in Längsrichtung vollständig durchsetzen. Alternativ zur gezeigten Ausgestaltung kann der Hohlraum 12 auch als Sacklochbohrung im Grundkörper 11 ausgestaltet sein. Alsdann wäre der Hohlraum 12 nur in Richtung zu einem von erstem und zweiten Längsende 14, 15 offen und dementsprechend zugänglich.
-
Im Inneren des Hohlraums 12 ist ein Sensor 50 angeordnet. Er kann insbesondere infolge plastischer Deformation des Grundkörpers, beispielsweise infolge einer Kalt- oder Warmumformung des Grundkörpers 11 im Hohlraum 12 eingeklemmt sein. Es ist hierbei denkbar, dass der Sensor 50 radial nach innen gerichteten Klemmkräften ausgesetzt ist. Alternativ oder ergänzend können aber auch lediglich punktuell oder bereichsweise an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Sensors 50 lokale radial nach innen gerichtete Verprägungen in den Hohlraum 12 hineinragen, welche zu einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Fixierung des Sensors 50 im Hohlraum 12 führen.
-
Der Sensor 50 ist als elektrischer Sensor ausgestaltet. Er kann beispielsweise als Kraftmesssensor oder als Torsions- bzw. Drehmomentsensor ausgebildet sein. Der Sensor 50 kann zum Beispiel eine oder mehrere piezokristalline oder piezokeramische Schichten aufweisen, mittels derer eine auf den Sensor 50 einwirkende Kraft in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.
-
Wie insbesondere in 7 gezeigt, weist der Sensor 50 einen ersten elektrischen Kontakt 51 auf, welcher beispielsweise an einem Außenumfang des Sensors 50 oder eines Sensorgehäuses angeordnet ist. Der Sensor 50 kann beispielsweise eine zylindrische oder rohrförmige Geometrie aufweisen, wobei der erste elektrische Kontakt 51 am Außenumfang der Zylindermantelfläche angeordnet ist. Infolge der Anordnung des Sensors 50 im Hohlraum 12 gelangt der erste elektrische Kontakt 51 in unmittelbarer Kontaktstellung mit der Innenwand 13 des Grundkörpers 11. Auf diese Art und Weise kann eine unmittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 51 und dem Grundkörper 11 hergestellt werden.
-
Der Sensor 50 weist im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest noch einen weiteren elektrischen Kontakt 52, 53 auf. Ein zweiter elektrische Kontakt 52 befindet sich an einer Stirnseite des Sensors 50 oder des entsprechenden Sensorgehäuses. Ein dritter elektrischer Kontakt 53 befindet sich in einer gegenüberliegenden Stirnseite des Sensors 50, bzw. des Sensorgehäuses. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich der zweite elektrische Kontakt 52 an einer dem ersten Längsende 14 zugewandten Seite des Sensors 50. Der dritte elektrische Kontakt 53 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des Sensors 50, welche dem zweiten Längsende 15 des Grundkörpers 11 zugewandt ist. Über die zweiten und dritten elektrischen Kontakte 52, 53 kann eine weitere elektrische Kontaktierung des Sensors 50 in Axial- bzw. Längsrichtung erfolgen.
-
Hierzu ist eine elektrische Leiterstruktur 20 vorgesehen, die im Inneren des Hohlraums 12 angeordnet ist. Über die elektrische Leiterstruktur 20 kann zumindest einer von zweitem elektrischem Kontakt 52 und drittem elektrischem Kontakt 53 mit zumindest einem von erstem Längsende 14 und zweitem Längsende 15 des Grundkörpers 11 mechanisch verbunden bzw. in den Bereich der entsprechenden Längsenden 14, 15 geführt werden. In einem Anwendungsbeispiel, wie dies in den 1 und 2 gezeigt ist, können nur Längsenden 14, 15 von außen oder anderweitig, durch entsprechende Gegenkontakte, beispielsweise im zweiten Bauteil, elektrisch verbunden werden.
-
Die elektrische Leiterstruktur 20 weist in dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei separate elektrische Leiter 21, 22 auf. Der erste elektrische Leiter 21 ist mit dem zweiten elektrischen Kontakt 52 des Sensors 50 elektrisch verbunden. Der erste elektrische Leiter 21 erstreckt sich insoweit in Längsrichtung des Hohlraums 12 vom zweiten elektrischen Kontakt 52 zum ersten Längsende 14 des Grundkörpers 11. Der erste elektrische Leiter 21 kann einen Metallkörper, beispielsweise einen Kupferkörper oder Kupferkern aufweisen, der beispielsweise mit Ausnahme einer zum zweiten elektrischen Kontakt 52 hin ausgerichteten Kontaktfläche mit einer elektrischen Isolierung versehen ist. Gleichermaßen kann auch der zweite elektrische Leiter 22 als Metallkörper ausgestaltet sein, welcher mit dem gegenüberliegenden dritten elektrischen Kontakt 53 elektrisch verbunden ist.
-
Der zweite elektrische Leiter 22 ragt zumindest bis an eine Stirnfläche 25 des Grundkörpers 11 heran oder steht sogar bereichsweise von der zweiten Stirnfläche 25 hervor. Der erste elektrische Leiter 21 ragt ebenfalls bis an eine erste Stirnfläche 24 im Bereich des ersten Längsendes 14 heran. In der in den 1, 2, 6 und 8 gezeigten Ausgestaltung weist der erste elektrische Leiter 21 eine im Querschnitt T-förmige oder pilzförmige Gestalt auf. Er erstreckt sich bereichsweise über die erste Stirnfläche 24 im Bereich des Kopfabschnitts 32 des Verbindungselements 30.
-
Der erste elektrische Leiter 21 erstreckt sich insbesondere von einem radial mittigen Bereich aus dem Hohlraum 12 radial nach außen zu einer Außenseite des Kopfabschnitts 32. Wie insbesondere im Zusammenhang mit den 3 und 4 dargestellt, kann der erste elektrische Leiter 21 zwei diametral entgegengesetzte Leiterabschnitte 41, 42 aufweisen, die sich parallel und entlang der Stirnfläche 24 des Kopfabschnitts 32 von Hohlraum 12 bis an einen Außenrand des Kopfabschnitts 32 erstrecken. Am Außenrand des Kopfabschnitts gehen die Leiterabschnitte 41, 42 in eine außenliegende Schlüsselfläche 34 des Kopfabschnitts 32 über, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist.
-
Der Kopfabschnitt 32 ist hierbei beispielsweise mit einer als Außensechskant ausgestalteten Schlüsselfläche versehen. Der erste elektrische Leiter 21 kann über die radial nach außen verlaufenden Leiterabschnitte 41, 42 mit im Bereich der Schlüsselfläche 34 liegenden Kontaktbereich 43, 44 verbunden sein. Grundsätzlich ist es ausreichend und sogar von Vorteil, wenn lediglich ein Teilbereich der Schlüsselfläche 34 mit einem Kontaktbereich 43, 44 versehen ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei diametral gegenüberliegende Bereiche der Schlüsselfläche 34 mit Kontaktbereichen 43, 44 versehen, welche beide mit dem elektrischen Leiter 21 verbunden oder einstückig hiermit ausgestaltet sind.
-
Insoweit sind die beiden Kontaktbereiche 43, 44 redundant ausgeführt. Sollte einer der Kontaktbereiche 43, 44 beschädigt sein, so kann über den anderen Kontaktbereich 44, 43 nach wie vor eine elektrische Kontaktierung mit dem Sensor 50 bereitgestellt werden. Die Schlüsselweite D1 der insoweit an der Schlüsselfläche 34 vorgesehenen Kontaktbereiche 43, 44 kann im Vergleich zu einer Schlüsselweite D2 von leiterfreien Bereichen der Schlüsselfläche 34 größer oder kleiner ausgebildet sein.
-
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schlüsselweite D1 größer ist als eine Schlüsselweite D2 zwischen zwei weiteren diametral gegenüberliegenden leiterfreien Abschnitten der Schlüsselfläche 34. Auf diese Art und Weise kann effektiv verhindert werden, dass ein Werkzeug mit einer Schlüsselweite D2 drehmomentübertragend mit den Kontaktbereichen 43, 44 in Eingriff gebracht wird. Etwaige Beschädigungen der Kontaktbereiche 43, 44 durch ein mit einer Gegen-Schlüsselfläche versehenen Werkzeug können auf diese Art und Weise effektiv vermieden werden.
-
In 5 ist eine alternative Ausgestaltung einer Schlüsselfläche 36 im Bereich des Kopfabschnitts 32 dargestellt. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 4 weist die Schlüsselfläche 36 eine Innenseite in Form eines regelmäßigen Vielecks, bspw. in Form eines Sechsecks auf. Insoweit ist die Schlüsselfläche 36 als Innensechskant ausgestaltet. Sie kann alternativ natürlich auch als Innenvierkant oder gemäß beliebiger weiterer Schlüsselflächengeometrien konfiguriert sein. Auch hier sind zwei diametral gegenüberliegende Kontaktbereiche 43, 44 mit Kontaktbereichen 43, 44 versehen, die über den Boden 45 der Innensechskant-Schlüsselfläche 36 mit dem ersten elektrischen Leiter 21 elektrisch verbunden oder einstückig hiermit ausgestaltet sind.
-
Die mit dem elektrischen Leiter 21 versehenen Bereiche der Schlüsselfläche 36, mithin die Kontaktbereiche 43, 44 sind in Radialrichtung von der Außenseite einer regelmäßigen Sechseckstruktur zurückversetzt angeordnet, das heißt, sie befinden sich radial außerhalb einer regelmäßigen Sechseckstruktur. Auf diese Art und Weise kann ein mechanischer Kontakt zwischen den Kontaktbereichen 43, 44 mit einem Sechskantschlüssel, welcher mit der Schlüsselfläche 36 in Eingriff bringbar ist, effektiv vermieden werden. Die gestrichelte Linie 48 stellt insoweit eine gedachte Gegen-Schlüsselfläche eines mit der Schlüsselfläche 36 in Eingriff bringbaren Werkzeugs dar. Auch hier ist die Schlüsselweite D1 zwischen den Kontaktbereichen 43, 44 etwas größer gewählt als die Schlüsselweite D2 der eigentlichen Sechskantstruktur.
-
Wie ferner in den 1, 2 und 8 gezeigt, kann über den ersten elektrischen Leiter 21, insbesondere über die radial nach außen verlaufenden Leiterabschnitte 41, 42 und die sich hieran anschließenden Kontaktbereiche 43, 44 eine elektrische Kontaktierung mit dem zweiten elektrischen Kontakt 52 des Sensors 50 von außerhalb des Verbindungselements 30 erfolgen, ohne dass hierfür eine kabelgebundene Verbindung für den Sensor 50 notwendig wäre. Die elektrische Leiterstruktur 20, mithin der erste elektrische Leiter 21 und der zweite elektrische Leiter 22 können beispielsweise als Metalleinleger gefertigt sein, welcher passgenau in den Hohlraum 12 einsetzbar ist. Der erste elektrische Leiter 21 und/oder der zweite elektrische Leiter 22 können beispielsweise klebend am Grundkörper 11 befestigt sein. Sie können aber auch klemmend im oder am Grundkörper fixiert sein.
-
Der elektrische Leiter 21 kann hierbei zumindest an seiner dem Kopfabschnitt 32 zugewandten Innenseite und/oder an einer der Innenwand 30 des Hohlraums 12 zugewandten Außenseite mit einer elektrischen Isolierung 40 versehen sein. Die elektrische Isolierung 40 kann beispielsweise auf den elektrischen Leiter 21 aufgeklebt sein. Auch kann der elektrische Leiter 21 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, beispielsweise mit einer Beschichtung aus Aluminiumoxid oder dergleichen elektrisch isolierenden Beschichtungsmaterialien versehen sein. Anderweitige Isoliermaterialien, wie zum Beispiel isolierende Lacke sind ebenfalls denkbar.
-
Ergänzend oder alternativ hierzu kann natürlich auch eine dem ersten elektrischen Leiter 21 zugewandte Außenseite des Kopfabschnitts 32 mit einer elektrischen Isolierung versehen sein. Beispielsweise kann der gesamte Kopfabschnitt 32 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, mit einem elektrisch isolierenden Lack oder mit einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff oder Elastomer versehen sein. Ein hiermit vergleichbarer Aufbau kann gleichermaßen für den zweiten elektrischen Leiter 22 und für den Hohlraum 12 des Grundkörpers 11 vorgesehen sein. Der zweite elektrische Leiter 22 kann gleichermaßen einen elektrisch leitenden Kern aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie zum Beispiel aus Kupfer oder Messing aufweisen, der mit einer elektrisch isolierenden Ummantelung versehen ist.
-
Lediglich in einem an den Sensor 50 angrenzenden Bereich kann der elektrische Leiter 22 freiliegend mit dem dritten elektrischen Kontakt 53 verbunden sein. Selbiges gilt für das nach unten ragende stirnseitige Ende des ersten elektrischen Leiters 21, welches in mit dem zweiten elektrischen Kontakt 52 des Sensors 50 elektrisch kontaktierbar ist.
-
Bei der Sensoranordnung 1 gemäß 1 weist der längserstreckte Schaftabschnitt 31 des Verbindungselements 30 ein Außengewinde 16 auf, welches mit einem Innengewinde 8 einer Aufnahme 5 des zweiten Bauteils 4 in Eingriff bringbar ist. Das erste Bauteil 2 weist eine Durchgangsöffnung 3 auf, die mit einer elektrischen Isolierung 40 versehen ist. Die elektrische Isolierung kann hier als isolierende Manschette die gesamte Durchgangsbohrung 3 in Längsrichtung durchsetzen und ferner an einer dem zweiten Bauteil 4 abgewandten Seite des ersten Bauteils eine flanschartige Erweiterung 47 mit einer Radialerstreckung, die größer ist als die Radialerstreckung des Kopfabschnitts 32 des Verbindungselements 30. Auf diese Art und Weise kann der elektrisch leitende Grundkörper 11 des Verbindungselements 30 vom ersten Bauteil 2 elektrisch isoliert sein.
-
Es ist ferner denkbar, dass das erste Bauteil als elektrischer Isolator ausgestaltet ist. In diesem Falle könnte die gesonderte Isolierung 40 mitsamt Erweiterung 47 entfallen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem das erste Bauteil 2 elektrisch leitend ist, ist ferner eine weitere Isolierung 40 im aneinander angrenzenden Bereich von erstem Bauteil 2 und zweitem Bauteil 4 vorgesehen. Die Isolierung 40 kann als Beschichtung an zumindest einem der Bauteile 2, 4 vorgesehen sein. Sie kann aber auch als separater isolierender Einleger oder als Zwischenschicht aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.
-
Die Durchgangsöffnung 3 ist typischerweise gewindefrei ausgestaltet. Der Kopfabschnitt 32 weist eine in 8 gesondert dargestellte Kopfauflage auf, die zur Übertragung einer in Längsrichtung bzw. Axialrichtung wirkenden Kraft auf das erste Bauteil 2 dient sobald das beispielsweise in Form einer Schraube ausgestaltete Verbindungselement 30 in das Gewinde 8 der Aufnahme 5 des zweiten Bauteils 4 eingeschraubt wird. Im Zuge der schraubenden Befestigung gelangt das Verbindungselement 30 in seine in 1 dargestellte Endlage in Bezug auf die Aufnahme 5 des zweiten Bauteils 4.
-
Weil jene Endlage in Abhängigkeit der Dicke und der Bauteiltoleranzen des Verbindungselements 30 und des ersten Bauteils 2 variieren kann, ist für die elektrische Kontaktierung des zweiten elektrischen Leiters 22 mit einem im Boden der Aufnahme 5 vorgesehenen Gegenkontakt 46 ein Rückstellelement 26, beispielsweise in Form eines Federkontakts vorgesehen. Der Federkontakt bzw. das Rückstellelement 36 kann als federbelasteter Kontaktpin aufseiten des Gegenkontakts 46 und/oder an der zweiten Stirnfläche 25 des Verbindungselements 30 angeordnet sein. Das Rückstellelement 26 in der Schnittstelle zwischen dem zweiten elektrischen Leiter 22 und dem Gegenkontakt 46 stellt zumindest innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs stets eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Leiter 22 und dem Gegenkontakt 46 her, sobald das Verbindungselement 30 seine in den 1 und 2 gezeigte Endlage erreicht.
-
Bei der Ausgestaltung gemäß 1 ist der erste elektrische Leiter 21 vom ersten Bauteil 2 elektrisch isoliert. In der Ausgestaltung gemäß 2 ist der erste elektrische Leiter 21 um den Kopfabschnitt 32 bereichsweise herumgeführt. Die Kontaktbereiche 43, 44 erstrecken sich hier bis in die mit dem ersten Bauteil 2 in unmittelbaren Kontakt gelangende Kopfauflage 35. Auf diese Art und Weise kann über den ersten elektrischen Leiter 21 eine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 52 des Sensors 50 und dem ersten Bauteil 2 bereitgestellt werden. Der erste elektrische Kontakt 51 des Sensors 50 ist ohnehin über den Grundkörper 11 und dessen Gewindekopplung mit der Aufnahme 5 mit dem zweiten Bauteil 4 in elektrischem Kontakt. Der Grundkörper 11 kann insbesondere im Bereich seines Gewindes 16 frei von einer elektrischen Isolierung, mithin beschichtungsfrei ausgestaltet sein.
-
Bei der Ausgestaltung gemäß 2 sind das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 4 über eine dazwischenliegende elektrische Isolierung 40 voneinander elektrisch isoliert. Des Weiteren ist die Durchgangsöffnung des ersten Bauteils 2 ebenfalls mit einer elektrischen Isolierung 40 versehen, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem Grundkörper 11 zu vermeiden. Des Weiteren ist die gesamte Außenseite des Kopfabschnitts 32 mit einer elektrischen Isolierung 40 versehen, welche sich zwischen dem Grundkörper und dem ersten elektrischen Leiter 21 befindet. Auf diese Art und Weise wird eine elektrische Kontaktierung des ersten elektrischen Leiters 21 mit dem Grundkörper 11 vermieden. Die den Kopfabschnitt 32 umgeben elektrische Isolierung 40 kann als isolierende Beschichtung oder als isolierender Lack ausgestaltet sein.
-
Mittels des Sensors 50 sind beispielsweise in Axialrichtung über das Verbindungselement 30 zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 4 übertragbare Kräfte messbar. Über den ersten elektrischen Kontakt 51, mithin über das zweite Bauteil 4, kann beispielsweise ein Massepotenzial am Sensor 50 anliegen. Über die weiteren elektrischen Kontakte 52, 53 können alsdann elektrische Signale als auch eine elektrische Versorgungsspannung übertragen werden.
-
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Maschinenelements 10 in Form einer drehmomentübertragenden Welle 130 gezeigt. Die Welle 130 weist, ebenso wie bereits zum Verbindungselement 30 beschrieben, einen Grundkörper 11 mit einem Hohlraum 12 sowie mit einem ersten Längsende 14 und mit einem zweiten Längsende 15 auf. Im Ausführungsbeispiel der 6 befindet sich im Inneren des Hohlraums 12 der bereits beschriebene Sensor 50, welcher über einen ersten elektrischen Kontakt 51 mit dem Grundkörper 11 verbunden ist. Stirnseitig in den Hohlraum 12, welcher als Sackloch ausgestaltet, erstreckt sich die elektrische Leiterstruktur 20 mit einem ersten elektrischen Leiter 21, welcher mittels einer Isolierung 40 vom Grundkörper 11 elektrisch isoliert, aber mit dem zweiten elektrischen Kontakt 52 des Sensors an dessen dem ersten Längsende 14 zugewandten Ende elektrisch verbunden ist.
-
Die Welle 130 ist z.B. mittels eines Wälzlagers drehbar gelagert. Das Wälzlager weist in der dargestellten Ausführungsform ein erstes, bzw. linkes Lager 140 und ein zweites, bzw. rechtes Lager 150 auf. Das linke Lager 140 weist einen am Bauteil 2 angeordneten Außenring 141 und einen an einer Außenseite des Grundkörpers 11 angeordneten Innenring 142 auf. Gleichermaßen verhält es sich mit dem weiteren Lager 150. Dieses weist ebenfalls einen an der Innenseite der Durchgangsöffnung 3 des Bauteils 2 angeordneten Außenring 151 sowie einen außen am Grundkörper 11 angeordneten Innenring auf. Das Lager 140 weist einen oder mehrere Wälzkörper 143 auf. Das Lager 150 weist einen oder mehrere Wälzkörper 153 auf. Die Wälzkörper 143 befinden sich zwischen dem Außenring 141 und dem Innenring 142. Die Wälzkörper 153 befinden sich zwischen dem Außenring 151 und dem Innenring 152.
-
Der Innenring 142 ist in elektrischer Verbindung mit dem Grundkörper 11. Über den, bzw. die Wälzkörper 143 erfolgt sodann eine elektrische Kontaktierung mit dem Außenring 141 und mit dem Bauteil 2. Im Unterschied hierzu ist der Innenring 152 des Lagers 150 mit dem ersten elektrischen Leiter 21 verbunden. Der elektrische Leiter 21 als auch der Innenring 152 sind über eine elektrische Isolierung 40 vom Grundkörper 11 elektrisch isoliert. Sie sind jedoch beide am Grundkörper 11 angeordnet. Über die Wälzkörper 153 erfolgt eine weitere elektrische Kontaktierung des Innenrings 152 und hiermit auch des zweiten elektrischen Kontakts 52 mit dem Außenring 151 des Lagers 150. Der Außenring 151 ist zwar mechanisch ebenfalls am Grundkörper 11 angeordnet. Er ist jedoch über eine weitere elektrische Isolierung 40 von diesem elektrisch isoliert. Mittels eines Abgriffs am Außenring 151, welcher vorliegend nicht explizit dargestellt ist, kann der zweite elektrische Kontakt 52 des Sensors 50 von außerhalb der Welle 150 elektrisch verbunden und dementsprechend kontaktiert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Objekt
- 3
- Durchgangsöffnung
- 4
- Objekt
- 5
- Aufnahme
- 6
- Hohlraum
- 8
- Gewinde
- 10
- Maschinenelement
- 11
- Grundkörper
- 12
- Hohlraum
- 13
- Innenwand
- 14
- Längsende
- 15
- Längsende
- 16
- Gewinde
- 20
- elektrische Leiterstruktur
- 21
- elektrischer Leiter
- 22
- elektrischer Leiter
- 24
- Stirnfläche
- 25
- Stirnfläche
- 26
- Rückstelleelement
- 30
- Verbindungselement
- 31
- Schaftabschnitt
- 32
- Kopfabschnitt
- 34
- Schlüsselfläche
- 35
- Kopfauflage
- 36
- Schlüsselfläche
- 40
- Isolierung
- 41
- Leiterabschnitt
- 42
- Leiterabschnitt
- 43
- Kontaktbereich
- 44
- Kontaktbereich
- 45
- Boden
- 46
- Gegenkontakt
- 47
- Erweiterung
- 48
- Schlüsselfläche
- 50
- Sensor
- 51
- elektrischer Kontakt
- 52
- elektrischer Kontakt
- 53
- elektrischer Kontakt
- 130
- Welle
- 140
- Lager
- 141
- Außenring
- 142
- Innenring
- 143
- Wälzkörper
- 150
- Lager
- 151
- Außenring
- 152
- Innenring
- 153
- Wälzkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012005614 B4 [0002]
