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Die Erfindung betrifft elastische Zahnkränze einer Klauenkupplung zur Verbindung zweier Wellen.
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Elastische Klauenkupplungen werden der Antriebstechnik eingesetzt, um die Drehmomentübertragung zwischen Antrieb und Arbeitsmaschine zu ermöglichen.
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Das Drehmoment wird dabei durch formschlüssig ineinandergreifende Kupplungsklauen an den Naben übertragen. Um Wellenfluchtungsfehler auszugleichen und Drehmomentstöße und Schwingungen zu reduzieren wird zwischen den Kupplungsklauen ein elastischer Zwischenkörper in Form eines Zahnkranz es eingesetzt. Als Material hierfür wird hauptsächlich ein thermoplastisches Polyurethan (TPU) verwendet.
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So ist durch die Druckschrift
DE 43 07 365 A1 eine elastische Klauenkupplung mit einem Zahnkranz als Zwischenglied bekannt. Diese umfasst weiterhin Hilfsringe zur Positionierung der Klauenenden.
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Weiterhin sind durch die Druckschriften
EP 2 053 258 A2 und
DE 100 51 434 A1 eine Baureihe von Adaptervorrichtungen und eine Adaptervorrichtung bekannt, wobei zum Verbinden einer eintreibenden Welle mit einer anzutreibenden Einrichtung eine Adapterwelle, ein Zwischenstück und eine Subkomponente vorgesehen sind. Das Zwischenstück und die Subkomponente weisen mindestens drei Klauen auf. Das Zwischenstück ist zwischen den Klauen der Subkomponente und den Klauen der Adapterwelle vorgesehen.
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Der Zahnkranz verschleißt während des Betriebs. Ursächlich hierfür sind Reibung zwischen dem Zahnkranz und den Klauen, mechanische und thermische Belastung sowie Alterungsprozesse des Materials. Bei erhöhtem Verschleiß zwischen den Wartungsintervallen kann die Kupplung durch Zerstörung des Zahnkranzes und/oder metallischem Kontakt der Klauen komplett versagen, wodurch benachbarte Maschinenteile und Baugruppen beschädigt werden können. Ursachen für beschleunigten Verschleiß können Veränderungen der Betriebsparameter der Kupplung sein, welche nicht rechtzeitig erkannt werden. Hierzu zählen beispielsweise eine erhöhte Umgebungstemperatur und plötzliche Medieneinwirkung durch Leckagen oder Schwingungen im Antriebssystem, welche zu einer unzulässigen Selbsterwärmung der Kupplung führen.
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Eine Verschleißüberwachung erfolgt durch regelmäßige Inspektion der Kupplung in Form einer Sichtkontrolle. Gegebenenfalls kann der Verschleißzustand des Zahnkranzes mittels einer Fühllehre (Spiel zwischen Zahn und Klaue) überprüft werden, wobei das Spiel zwischen Zahn und Klaue gemessen wird. Je nach Einsatz sollte mindestens eine jährliche Sichtkontrolle erfolgen. Beim Einsatz in Ex-Schutzbereichen ist je nach Kategorie eine häufigere Wartung vorgeschrieben. Eine Temperaturüberwachung im Betrieb ist nur durch extern angebrachte Sensoren und nur auf der Außenseite der Klauenkupplung möglich. Um ein Versagen zu vermeiden, wird der Zahnkranz in regelmäßigen Intervallen ausgetauscht. So kann der Zahnkranz zu früh oder zu spät gewechselt werden, wodurch hohe Kosten entstehen. Des Weiteren kann ein plötzlicher Kupplungsausfall zu Anlagenschäden und/oder Stillstandszeiten führen.
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Die Druckschrift
DE 199 57 062 A1 offenbart eine Kupplung, eine Baureihe von Kupplungen und ein Verfahren zur Steuerung des Drehmomentenflusses bei einer Kupplung mit einer ersten Übertragungskette für den Drehmomentenfluss. Bei Verschleiß oder Ausfall eines Teiles der ersten Übertragungskette ist eine zweite Übertragungskette für den Drehmomentenfluss verfügbar, welche aus einer Passfeder in einer Passfedernut ausgebildet ist. Die Passfedernut ist wesentlich größer als die darin befindliche Passfeder, so dass im Normalbetrieb kein Drehmoment übertragen wird. Erst bei Zerstörung der ersten Übertragungskette wird darüber ein Drehmoment übertragen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elastischen Zahnkranz einer Klauenkupplung zur Verbindung zweier Wellen zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die elastischen Zahnkränze einer Klauenkupplung zur Verbindung zweier Wellen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Zahnkranz überwachbar ist.
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Dazu weist der elastische Zahnkranz wenigstens eine Sensoreinrichtung mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung des Verschleißes des Zahnkranzes und wenigstens einem Temperatursensor auf, wobei der Sensor zur Erfassung des Verschleißes ein die Verdrehung von mit den durch die Klauenkupplung miteinander verbundenen Wellen bestimmender Sensor ist. Die Sensoreinrichtung ist mit wenigstens einem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches weiterhin mit einem Sender elektromagnetischer Wellen oder einem Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen verbunden ist.
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Der Zahnkranz der Klauenkupplung als Maschinenelement kann so vorteilhafterweise einfach in Echtzeit und/oder automatisch in Intervallen mittels der Sensoreinrichtung überwacht werden. Natürlich kann das auch individuell geschaltet erfolgen. Der Betriebszustand und der Verschleißzustand der Klauenkupplung können mittels der Daten der Sensoreinrichtung in Verbindung mit dem Sender elektromagnetischer Wellen oder dem Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen drahtlos an eine Schnittstelle übergeben werden. Einem Nutzer können so der Verschleißzustand und die Kupplungstemperatur angezeigt werden. Darüber hinaus können die Daten auch über ein Datennetzwerk einem externen Datenverarbeitungssystem zugeführt werden, welches die Daten automatisch beispielsweise mit Grenzwerten vergleicht und eine Abweichung registriert und/oder signalisiert.
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Die Daten werden in Abhängigkeit der Zeit verarbeitet, so dass auch Wartungsintervalle oder Austauschintervalle dem tatsächlichen Verschleiß angepasst werden können. Damit kann eine Anlage bei plötzlich auftretendem erhöhten Verschleiß rechtzeitig still gesetzt werden.
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Es ist eine permanente Kontrolle des Zahnkranzes möglich. Somit kann die Lebensdauer des Maschinenelements effizient ausgenutzt werden. Der Temperatursensor gibt dem Nutzer zusätzlich Informationen darüber, ob die Belastung oder die Umgebungstemperatur zu hoch ist. So kann der Nutzer Maßnahmen einleiten, bevor die Klauenkupplung übermäßig verschlissen ist. Durch plötzliche Änderungen der Kupplungstemperatur ist in manchen Fällen auch ein Rückschluss auf Fehler im Betriebsverhalten der Anlage möglich.
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Der Zahnkranz ist dazu so ausgestaltet, dass er mit handelsüblichen Naben kompatibel ist und an den Naben selbst keine Anpassungen erforderlich sind. Dadurch können bereits im Feld befindliche Kupplungen mit den Zahnkränzen mit der Sensoreinrichtung nachgerüstet werden.
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Der Verschleiß des Zahnkranzes wird bestimmt, indem die Verdrehung der Kupplungsnaben zueinander im Betrieb gemessen wird. Ausgehend von einer Nullposition mit einem lastfreien neuen Zahnkranz verdrehen sich die Naben umso mehr zueinander, je stärker der Zahnkranz belastet wird und je größer der Verschleiß am Zahnkranz ist. Zieht man von der Gesamtverdrehung der Naben zueinander die elastische Verformung durch Drehmomentbelastung ab, erhält man den Verschleiß des Zahnkranzes.
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Kernstück des Zahnkranzes ist die darin verbaute Elektronikeinheit, welche die Sensoren, das Datenverarbeitungssystem und den Sender elektromagnetischer Wellen oder den Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen zur drahtlosen Kommunikation enthält. Zur Energieversorgung kann weiterhin eine Batterie oder ein Akkumulator als ein Bestandteil der Elektronikeinheit vorhanden sein. Als Bauraum kann dazu eine Durchgangsbohrung in der Mitte des Zahnkranzes zur Verfügung stehen.
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Der Temperatursensor dient der Überwachung der allgemeinen Betriebstemperatur der Klauenkupplung. Darüber hinaus wird eine zu hohe Selbsterwärmung des Zahnkranzes bei überhöhter dynamischer Belastung frühzeitig erkannt. Dazu kann sich der Temperatursensor vorteilhafterweise in der Mitte des Zahnes oder im Bereich des Zahnfußes befinden.
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Die Sensoreinrichtung, das Datenverarbeitungssystem und der Sender elektromagnetischer Wellen oder der Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen können ein Bestandteil eines Transponders sein. Der Transponder kann dazu ein passiver Transponder oder ein aktiver Transponder sein. Der aktive Transponder besitzt eine Energiequelle als Batterie oder Akkumulator. Der Akkumulator kann dazu auch durch die induktive Kopplung zwischen dem Sendeempfänger des Transponders und eines Sendeempfängers außerhalb der Klauenkupplung ohne Datenübertragung geladen werden. Grundlage dazu ist die induktive Kopplung zwischen den Sendeempfängern, auch als RFID (radio-frequency indification) bekannt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 angegeben.
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Der Sensor zur Erfassung des Verschleißes kann ein kapazitiver Näherungsschalter und/oder ein Hall-Effekt-Sensor sein. Die Verschleißüberwachung erfolgt durch den Näherungsschalter. Dieser ist radial im Bereich des Zahnfußes positioniert, so dass sich ein elektrisches Feld zwischen dem Sensorkopf und den beiden benachbarten Kupplungsklauen der Klauenkupplung aufbaut. Die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators ist von der Materialstärke des Einzelzahns und somit von dessen Verschleiß abhängig. Alternativ kann die Zahndicke durch den Hallsensor gemessen werden. Hierfür sind ein zusätzliches Magnetfeld durch einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten und die Verwendung ferromagnetischer Kupplungsnaben erforderlich. In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor zur Erfassung des Verschleißes ein induktiver Sensor sein. Mittels eines magnetischen Feldes zwischen dem induktiven Sensor und zweier benachbarter Kupplungsklauen der Klauenkupplung ist wenigstens eine Abstandsänderung der Kupplungsklauen erfassbar.
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Dazu befindet sich der kapazitive Näherungsschalter in einer Ausführungsform im Bereich eines Zahnfußes des Zahnkranzes, so dass ein elektrisches Feld zwischen dem Näherungsschalter und zweier benachbarter Kupplungsklauen der Klauenkupplung vorhanden ist, wobei wenigstens eine Abstandsänderung dieser benachbarter Kupplungsklauen ein Maß des Verschleißes des Zahnes zwischen diesen Kupplungsklauen ist.
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Der Hall-Effekt-Sensor ist in einer Ausführungsform im Bereich eines Zahnfußes des Zahnkranzes angeordnet. Die Kupplungsklauen bestehen dazu aus einem ferromagnetischen Material. Zwischen zweier benachbarter Kupplungsklauen befindet sich ein mit wenigstens einem Elektromagnet oder wenigstens einem Permanentmagnet hervorgerufenes Magnetfeld, so dass eine Abstandsänderung der Kupplungsklauen ein Maß des Verschleißes des Zahnes zwischen den Kupplungsklauen ist.
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Hall-Effekt-Sensoren können beabstandet zu den Zahnflanken eines Zahnes des Zahnkranzes angeordnet sein. Die Kupplungsklauen bestehen aus einem ferromagnetischen Material und zwischen zwei benachbarten Kupplungsklauen befindet sich ein mit wenigstens einem Elektromagnet oder wenigstens einem Permanentmagnet hervorgerufenes Magnetfeld, so dass eine Abstandsänderung der Kupplungsklauen ein Maß des Verschleißes des Zahnes zwischen den Kupplungsklauen ist.
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Der induktive Sensor befindet sich in einer Ausführungsform im Bereich eines Zahnfußes des Zahnkranzes, so dass ein magnetisches Feld zwischen dem induktiven Sensor und zweier benachbarter Kupplungsklauen der Klauenkupplung vorhanden ist. Wenigstens eine Abstandsänderung dieser benachbarter Kupplungsklauen ist dabei ein Maß des Verschleißes des Zahnes zwischen diesen Kupplungsklauen.
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Im Bereich eines Zahnfußes kann sich in einer Ausführungsform ein starrer Träger mit einem Drucksensor befinden. Der Drucksensor ist mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches den auf den Träger wirkenden Druck als Maß eines an die Kupplungsklauen anliegenden Drehmoments erfasst. Neben reinem Verschleiß tragen auch elastische und plastische Verformung zur Dickenabnahme des Einzelzahns bei. Da durch die reine Verformungserfassung nicht zwischen tolerierbarer temporärer Dickenabnahme durch anliegendes Drehmoment und dauerhafter plastischer Verformung und Verschleiß unterschieden werden kann, ist zusätzlich die anliegende Drehmomentbelastung zu erfassen. Hierfür wird der Träger mit dem Drucksensor im Bereich des Zahnfußes angeordnet. Bei Belastung des Zahnkranzes verschiebt sich das Elastomer radial nach innen und außen. Wird die radiale Verschiebung am Innendurchmesser unterbunden, wie es durch den starren Träger im Inneren des Zahnkranzes der Fall ist, baut sich am Innendurchmesser ein Druck auf. Dieser wird zur Erfassung des anliegenden Drehmoments gemessen und mittels des Datenverarbeitungssystems ausgewertet. Der starre Träger kann dazu weiterhin auch ein Träger der Sensoreinrichtung, des Datenverarbeitungssystems, des Senders und/oder des Sendeempfängers sein.
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Der elastische Zahnkranz einer Klauenkupplung weist in einer Ausführungsform zur Verbindung zweier Wellen mit zwei Lastrichtungen eine Sensoreinrichtung mit wenigstens zwei Sensoren zur Erfassung des Verschleißes des Zahnkranzes und wenigstens zwei Temperatursensoren auf. Weiterhin sind die Sensoren zur Erfassung des Verschleißes des Zahnkranzes und die Temperatursensoren mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden.
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Die Sensoreinrichtung, das Datenverarbeitungssystem und der Sender elektromagnetischer Wellen oder der Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen können mit einem Energiespeicher verbunden sein. Dieser ist eine Batterie oder ein Akkumulator.
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Das Datenverarbeitungssystem kann mit wenigstens einem externen Datenspeicher verbunden sein. Der externe Datenspeicher kann so ein Bestandteil von Cloud-Computing sein.
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Die durch die Sensoreinrichtung erfassten und mittels des Datenverarbeitungssystems in Daten gewandelten Signale der Sensoreinrichtung können die Daten des Verschleißes der Klauenkupplung sein. Darüber hinaus können die Daten auch zugeordnete Standortdaten der Klauenkupplung enthalten, die so neben den Betriebsdaten der Klauenkupplung über das Datennetz einen Empfänger übertragbar und/oder in wenigstens einem zentralen Datenspeicher gespeicherte und damit lesbare Daten sind.
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Die Daten können im Vergleich des Datenverarbeitungssystems mit wenigstens einem Grenzwert das Wechseln des Zahnkranzes der Klauenkupplung bestimmte Daten sein.
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Die durch die Sensoreinrichtung erfassten und mittels des Datenverarbeitungssystems in Daten gewandelten Signale der Sensoreinrichtung sind insbesondere Daten zur Überwachung der Klauenkupplung, so dass die Daten zur Überwachung der Klauenkupplung und diesen Daten zugeordnete Standortdaten der Klauenkupplung über ein Datennetz abrufbare und/oder in wenigstens einem zentralen Datenspeicher gespeicherte und damit abrufbare Daten einer Überwachung der Klauenkupplung sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine elastische Klauenkupplung bestehend aus zwei Naben und einem Zahnkranz,
- 2 ein Zahnkranz mit integrierter Elektronikeinheit,
- 3 zwei miteinander verbundene Naben und
- 4 zwei miteinander verbundene Naben mit einem Zahnkranz mit integrierter Elektronikeinheit in einer Schnittdarstellung.
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Ein elastischer Zahnkranz 1 einer Klauenkupplung zur Verbindung zweier Wellen mit Naben 2 weist im Wesentlichen wenigstens eine Sensoreinrichtung, ein Datenverarbeitungssystem und einen Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen auf.
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Die 1 zeigt eine elastische Klauenkupplung bestehend aus zwei Naben 2 und einem Zahnkranz 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Naben 2 zur Verbindung der Wellen besitzen formschlüssig ineinandergreifende Kupplungsklauen 3. Um Wellenfluchtungsfehler auszugleichen und Drehmomentstöße und Schwingungen zu reduzieren, ist zwischen den Kupplungsklauen 3 ein elastischer Zahnkranz 1 als Zwischenkörper eingesetzt.
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Die 2 zeigt einen Zahnkranz 1 mit integrierter Elektronikeinheit 4 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der elastische Zahnkranz 1 besitzt eine Elektronikeinheit 4 in einer Durchgangsbohrung in der Mitte des Zahnkranzes 1. Die Elektronikeinheit 4 weist die Sensoreinrichtung, das Datenverarbeitungssystem und den Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen auf.
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Die 3 zeigt zwei miteinander verbundene Naben 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Kupplungsklauen 3 der Naben 2 greifen formschlüssig ineinander. Zwischen den Kupplungsklauen 3 befindet der elastische Zahnkranz 1 als Zwischenkörper.
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Die 4 zeigt zwei miteinander verbundene Naben 2 mit einem Zahnkranz 1 mit integrierter Elektronikeinheit 4 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Die Elektronikeinheit 4 besitzt die Sensoren zur Erfassung des Verschleißes des Zahnkranzes und die Temperatursensoren 5. Die Sensoren sind jeweils doppelt ausgeführt, da in jede Lastrichtung nur die Hälfte der Zähne das Drehmoment überträgt.
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Die Temperatursensoren 5 sind in der Mitte des Zahns des Zahnkranzes 1 positioniert.
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Die Sensoren zur Erfassung des Verschleißes sind die Verdrehung von mit den durch die Klauenkupplung miteinander verbundenen Wellen bestimmende Sensoren. Dazu können kapazitive Näherungsschalter 6 und/oder Hall-Effekt-Sensoren verwendet werden.
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Die kapazitiven Näherungsschalter 6 sind jeweils im Bereich eines Zahnfußes des Zahnkranzes 1 angeordnet, so dass jeweils ein elektrisches Feld 7 zwischen dem Näherungsschalter 6 und zweier benachbarter Kupplungsklauen 3 der Klauenkupplung vorhanden sind. Dabei ist jeweils eine Abstandsänderung der Kupplungsklauen 3 ein Maß des Verschleißes eines Zahnes zwischen den Kupplungsklauen 3.
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Die Hall-Effekt-Sensoren sind jeweils im Bereich eines Zahnfußes des Zahnkranzes 1 angeordnet. Die Kupplungsklauen 3 bestehen dazu aus einem ferromagnetischen Material. Zwischen zweier benachbarter Kupplungsklauen 3 befinden sich Magnetfelder, die mit wenigstens einem Elektromagnet oder wenigstens einem Permanentmagnet hervorgerufen werden, so dass wenigstens eine Abstandsänderung der Kupplungsklauen 3 ein Maß des Verschleißes der Zähne zwischen den Kupplungsklauen 3 ist.
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Die Hall-Effekt-Sensoren können in einer Ausführungsform beabstandet zu den Zahnflanken zweier Zähne des Zahnkranzes 1 angeordnet sein.
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Die Temperatursensoren 5 und die kapazitiven Näherungsschalter 6 und/oder die Hall-Effekt-Sensoren sind mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches weiterhin mit dem Sendeempfänger elektromagnetischer Wellen verbunden ist.
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Die Elektronikeinheit 4 besitzt weiterhin einen Energiespeicher in Form einer Batterie oder einem Akkumulator zur Energieversorgung der Sensoreinrichtung, des Datenverarbeitungssystems und des Sendeempfängers.
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Da durch die reine Verformungserfassung nicht zwischen tolerierbarer temporärer Dickenabnahme durch anliegendes Drehmoment und dauerhafter plastischer Verformung und Verschleiß unterschieden werden kann, kann in einer Ausführungsform die anliegende Drehmomentbelastung erfasst werden. Dazu ist wenigstens ein Drucksensor 8 im Bereich eines Zahnfußes angeordnet. Bei Belastung des Zahnkranzes 1 verschiebt sich das Elastomer radial nach innen und außen. Wird die radiale Verschiebung am Innendurchmesser unterbunden, wie es durch einen starren Träger der Elektronikeinheit 4 im Inneren des Zahnkranzes 1 der Fall ist, baut sich am Innendurchmesser ein Druck auf. Dieser kann zur Erfassung des anliegenden Drehmoments gemessen und ausgewertet werden.
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Die durch die Sensoreinrichtung erfassten und mittels des Datenverarbeitungssystems in Daten gewandelten Signale der Sensoreinrichtung sind Daten zur Überwachung der Klauenkupplung, so dass die Daten zur Überwachung der Klauenkupplung und diesen Daten zugeordnete Standortdaten der Klauenkupplung über ein Datennetz abrufbare und/oder in wenigstens einem zentralen Datenspeicher gespeicherte und damit abrufbare Daten einer Überwachung der Klauenkupplung sind.
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Darüber hinaus können die Daten im Vergleich des Datenverarbeitungssystems mit wenigstens einem Grenzwert das Wechseln des Zahnkranzes 1 der Klauenkupplung bestimmte Daten sein.
