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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftmessbolzen zur Messung von Querkräften in kraft- und/oder momentenbeaufschlagten Bauteilen, sowie ein Kraftmesssystem und eine Wälzlageranordnung.
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Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist die Information zu einer auf ein Bauteil einwirkenden Kraft für die Lebensdauer der mit dieser Kraft belasteten Bauteile von großer Bedeutung. Zur Erfassung derartiger Kräfte bzw. werden häufig Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Auch sind sogenannte Kraftmessbolzen bekannt, die in ein kraftbeaufschlagtes Bauteil eingesetzt werden können.
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Bei der Montage eines derartigen Kraftmessbolzens in einem Bauteil kann es aufgrund des Verpressens des Kraftmessbolzens in einer entsprechenden Bohrung vorkommen, dass die an den Mantelflächen des Kraftmessbolzens angeordneten Dehnungsmessstreifen durch eine unsachgemäße Montage beschädigt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kraftmessbolzen und ein Kraftmesssystem mit einem Kraftmessbolzen bereitzustellen, dass hinsichtlich seiner Montage- und Anwenderfreundlichkeit verbessert ist und eine hohe Messgenauigkeit realisieren kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftmessbolzen zur Messung von Querkräften in kraft- und/oder momentenbeaufschlagten Bauteilen, wobei der Kraftmessbolzen ein erstes Bolzenteil und ein zweites Bolzenteil umfasst, und das erste Bolzenteil und das zweite Bolzenteil zumindest abschnittsweise an einer gemeinsamen Kontaktfläche anliegen, welche von der Kraftmessrichtung des Kraftmessbolzens gekreuzt wird, wobei ein erster Drucksensor kraftschlüssig mit einer der Kontaktflächen des ersten Bolzenteils oder zweiten Bolzenteils verbunden ist, so dass der erste Drucksensor im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil und dem zweiten Bolzenteil angeordnet ist, während ein zweiter Drucksensor mit dem ersten Bolzenteil oder zweiten Bolzenteils verbunden ist, so dass der zweite Drucksensor außerhalb des Kraftflusses zwischen dem ersten Bolzenteil und dem zweiten Bolzenteil angeordnet ist, und der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor innerhalb des Kraftmessbolzens angeordnet sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Kraftmessbolzen zur Messung von Querkräften in kraft- und/oder momentenbeaufschlagten Bauteilen, wobei der Kraftmessbolzen ein erstes Bolzenteil, ein zweites Bolzenteil sowie ein drittes Bolzenteil umfasst, und das erste Bolzenteil und das dritte Bolzenteil zumindest abschnittsweise an einer gemeinsamen ersten Kontaktfläche anliegen, welche von der Kraftmessrichtung des Kraftmessbolzens gekreuzt wird, und das zweite Bolzenteil und das dritte Bolzenteil zumindest abschnittsweise an einer gemeinsamen zweiten Kontaktfläche anliegen, welche von der Kraftmessrichtung des Kraftmessbolzens gekreuzt wird, wobei ein erster Drucksensor kraftschlüssig an der ersten Kontaktfläche oder zweiten Kontaktfläche des dritten Bolzenteils angeordnet ist, so dass der erste Drucksensor im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil, dem zweiten Bolzenteil und dem dritten Bolzenteil angeordnet ist, während ein zweiter Drucksensor mit dem dritten Bolzenteil verbunden ist, so dass der zweite Drucksensor außerhalb des Kraftflusses zwischen dem ersten Bolzenteil, dem zweiten Bolzenteil und dem dritten Bolzenteil angeordnet ist, wobei der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor innerhalb des Kraftmessbolzens an dem dritten Bolzenteil angeordnet sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass alle Drucksensoren innerhalb des Kraftmessbolzens angeordnet und beispielsweise vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen geschützt werden können, ohne hierzu weitere konstruktive Maßnahmen, wie ein Vergießen oder Verschrauben, ergreifen zu müssen, wodurch der erfindungsgemäße Kraftmessbolzen besonders kostengünstig herstellbar ist. Auch die Verkabelung der so in dem Kraftmessbolzen angeordneten Drucksensoren kann entsprechend vereinfacht werden.
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Der im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil und dem zweiten Bolzenteil liegende Drucksensor dient insbesondere der indirekten Kraftmessung der auf ihn einwirkenden Kräfte über den Umweg der Ladungs-/Spannungs-/Strom- und/oder Widerstandsänderung unter Krafteinwirkung. Der außerhalb des Kraftflusses angeordnete Drucksensor ist insbesondere zur Temperaturkompensation vorgesehen, da bei Temperaturänderung sich auch der Widerstand des Drucksensors ändern kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass wenigstens die im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil und dem zweiten Bolzenteil liegende und den ersten Drucksensor kontaktierende gemeinsame Kontaktfläche elektrisch isoliert ausgeführt ist, um unerwünschte elektrische Einflüsse zu vermeiden und eine kompakte Bauweise des Kraftmessbolzens zu erlauben.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kraftmessbolzen eine Raumform aufweist, die geeignet ist, um in eine zylindrische Bohrung einsetzbar zu sein. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass der Kraftmessbolzen so kraftschlüssig in eine Bohrung einsetz- und fixierbar ist. Die Raumform des Kraftmessbolzens kann so auch, zumindest abschnittsweise, von einer zylindrischen Raumform abweichen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das erste Bolzenteil und/oder das zweite Bolzenteil und/oder dritte Bolzenteil aus einem metallischen oder keramischen Material gebildet sind/ist. Besonders bevorzugt ist es, dass das Material des Kraftmessbolzens dem Material des Bauteils entspricht, in dem der Kraftmessbolzen eingesetzt wird. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das erste Bolzenteil und das zweite Bolzenteil aus einem identischen Material gebildet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Bolzenteile aus einem zylindrischen Halbzeug gefertigt werden können und durch das identische Material der Bolzenhälfte eine hohe Messgenauigkeit des Kraftmessbolzens erzielbar ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Kraftmessbolzen zylinderförmig ausgebildet ist und zumindest abschnittsweise entlang einer Axialschnittebene, welche bevorzugt durch die Rotationsachse des zylinderförmigen Kraftmessbolzens verläuft, in ein erstes Bolzenteil und ein zweites Bolzenteil getrennt ist. Auch hier ergibt sich der Vorteil, dass die Bolzenteile aus einem zylindrischen Halbzeug gefertigt werden können, was sich aus fertigungs- und kostentechnischen Erwägungen als besonders günstig erwiesen hat.
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Auch kann es vorteilhaft sein die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Drucksensor und/ oder der zweite Drucksensor als eine drucksensitive Beschichtung ausgebildet ist, welche eine auf sie einwirkende Kraft in ein elektrisches Messignal wandelt. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt ist, dass ein Drucksensor so direkt auf ein Bolzenteil aufgebracht und verliersicher angeordnet werden kann.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der erste Drucksensor und/ oder der zweite Drucksensor als eine drucksensitive Folie ausgebildet ist, welche eine auf sie einwirkende Kraft in ein elektrisches Messignal wandelt. Hierdurch kann insbesondere ein sehr flacher Aufbau eines Drucksensors erreicht werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der erste Drucksensor und/ oder der zweite Drucksensor ausgewählt ist aus der Gruppe der Diamond-Like-Carbon-(DLC) Sensoren, drucksensitiven Dickschichtwiederstands-Sensoren, drucksensitiven Dünnschichtwiederstands-Sensoren, piezo-elektrischen Dickschichtsensoren, piezo-elektrischen Dünnschichtsensoren oder Force-Sensitive Resistor-Sensoren.
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So kann beispielsweise durch das Aufbringen einer druckempfindlichen DLC-Schicht an einem der Bolzenteile die Widerstands- und oder Stromänderung gemessen und daraus die wirkenden Kräfte/Lasten ermittelt werden.
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Um eine besonders einfache Verkabelung und Kabelführung innerhalb des Kraftmessbolzens zu realisieren kann der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor planparallel zueinander innerhalb des Kraftmessbolzens angeordnet sein.
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Um einen besonders einfachen, wie auch kompakten Aufbau eines derartigen Kraftmessbolzens zu realisieren, kann es bevorzugt sein, dass das dritte Bolzenteil als eine Folie ausgebildet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Kraftmesssystem umfassend einen Kraftmessbolzen nach Anspruch 1 oder 2 und ein kraft- und/oder momentenbeaufschlagtes Bauteil mit einer Tasche zur kraftschlüssigen Aufnahme des Kraftmessbolzens in dem Bauteil.
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Auch wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Wälzlageranordnung mit einem Kraftmesssystem nach Anspruch 13, wobei der Innenring und/oder der Außenring der Wälzlageranordnung als ein kraft- und/oder momentenbeaufschlagtes Bauteil mit wenigstens einer Tasche zur kraftschlüssigen Aufnahme eines Kraftmessbolzens in dem Innenring und/oder Außenring ausgebildet sind/ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Kraftmessbolzens in einer schematischen Explosionsdarstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftmessbolzens in einer schematischen Explosionsdarstellung, und
- 3 einen Kraftmessbolzen in seinem zusammengesetzten Betriebszustand in einer perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kraftmessbolzens 1 zur Messung von Querkräften in kraft- und/oder momentenbeaufschlagten Bauteilen.
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Der Kraftmessbolzen 1 umfasst ein erstes Bolzenteil 2 und ein zweites Bolzenteil 3. Wie gut aus der 3 ersichtlich, ist der Kraftmessbolzen 1 im zusammengesetzten Zustand zylinderförmig ausgebildet und entlang einer Axialschnittebene, welche durch die Rotationsachse des zylinderförmigen Kraftmessbolzens 1 verläuft, in das erste Bolzenteil 2 und das zweite Bolzenteil 3 getrennt. Folglich sind in dieser Ausgestaltung des Kraftmessbolzens 1 das erste Bolzenteil 2 und das zweite Bolzenteil 3 aus einem identischen Material gebildet.
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Das erste Bolzenteil 2 und das zweite Bolzenteil 3 liegen abschnittsweise an einer gemeinsamen Kontaktfläche 4 an, welche von der Kraftmessrichtung 6 des Kraftmessbolzens 1 gekreuzt wird. Der erste Drucksensor 5 ist kraftschlüssig mit der Kontaktflächen 4c des ersten Bolzenteils 2 verbunden ist, so dass der erste Drucksensor 5 über die Kontaktfläche 4a,4c im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil 2 und dem zweiten Bolzenteil 3 angeordnet ist. Kraftschlüssig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Kraftübertragung von dem ersten Bolzenteil 3 und dem zweiten Bolzenteil 3 auf den ersten Drucksensor 5 bewirkt ist. Hierzu können die Kontaktflächen 4a,4b,4c,4d beispielsweise als Erhebungen aus den Bolzenteilen 2,3 ausgebildet sein, wie es in der 1 angedeutet ist.
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Zur Temperaturkompensation ist der zweite Drucksensor 7 mit dem ersten Bolzenteil 2 verbunden, jedoch anders als der erste Drucksensor 5 so, dass der zweite Drucksensor 7 außerhalb des Kraftflusses zwischen dem ersten Bolzenteil 2 und dem zweiten Bolzenteil 3 angeordnet ist. In der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist gut zu erkennen, dass der zweite Drucksensor 7 in axialer Erstreckung des Kraftmessbolzens 1 zwischen den gemeinsamen Kontaktflächen 4a,4b,4c,4d angeordnet ist und somit nicht in radialer Richtung von dem zweiten Bolzenteil 3 kontaktiert wird. Wie aus der 1 ferner gut ersichtlich, sind der erste Drucksensor 5 und der zweite Drucksensor 7 innerhalb des Kraftmessbolzens 1 angeordnet.
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In der gezeigten Ausführungsform der 1 sind die Drucksensoren 5,7 jeweils als eine drucksensitive Beschichtung ausgebildet, welche eine auf sie einwirkende Kraft in ein elektrisches Messignal wandelt. Die drucksensitiven Beschichtungen sind stoffschlüssig an dem ersten Bolzenteil 2 angeordnet. Die drucksensitiven Beschichtungen sind im Wesentlichen identisch ausgebildet. Die beiden drucksensitiven Schichten werden mittels elektrischer Leitungen 10 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Die im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil 2 und dem zweiten Bolzenteil 3 liegende und den ersten Drucksensor 5 kontaktierende gemeinsame Kontaktfläche 4a ist elektrisch isoliert ausgeführt.
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2 zeigt eine zur 1 alternative Ausführungsform eines Kraftmessbolzens 1 zur Messung von Querkräften in kraft- und/oder momentenbeaufschlagten Bauteilen. Auch in dieser Ausführungsform besitzt der Kraftmessbolzen 1 ein erstes Bolzenteil 2 und ein zweites Bolzenteil 3 sowie - zusätzlich zu der in der 1 gezeigten Ausgestaltung - ein drittes Bolzenteil 8, wodurch sich ein Sandwichartiger Schichtaufbau des Kraftmessbolzens 1 ergibt, wie er gut aus der 2 zu erkennen ist. Das dritte Bolzenteil 8 ist plattenartig ausgeformt und kann stoffschlüssig, beispielsweise über einen Haftkleber, mit der ersten Kontaktfläche verbunden sein.
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Das erste Bolzenteil 2 und das dritte Bolzenteil 8 liegen zumindest abschnittsweise an einer gemeinsamen ersten Kontaktfläche 4 an, welche von der Kraftmessrichtung 6 des Kraftmessbolzens 1 gekreuzt wird. Das zweite Bolzenteil 3 und das dritte Bolzenteil 8 liegen zumindest abschnittsweise an einer gemeinsamen zweiten Kontaktfläche 9 an, welche ebenfalls von der Kraftmessrichtung 6 des Kraftmessbolzens 1 gekreuzt wird.
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Der erste Drucksensor 5 ist kraftschlüssig an der zweiten Kontaktfläche 9c des dritten Bolzenteils 8 angeordnet, so dass der erste Drucksensor 5 im Kraftfluss zwischen dem ersten Bolzenteil 2, dem zweiten Bolzenteil 3 und dem dritten Bolzenteil 8 angeordnet ist, während ein zweiter, zur Temperaturkompensation vorgesehener Drucksensor 7 mit dem dritten Bolzenteil 8 verbunden ist. Hierzu liegt der zweite Drucksensor 7 außerhalb des Kraftflusses zwischen dem ersten Bolzenteil 2, dem zweiten Bolzenteil 3 und dem dritten Bolzenteil 8. Der Kraftfluss auf den ersten Drucksensor 5 ist durch die Kontaktfläche 9c und 9a, welche in dem zweiten Bolzenteil 3 ausgebildet ist, realisiert. Die Kontaktfläche 9b an dem zweiten Bolzenteil 3 stützt sich direkt an der ihr gegenüberliegenden Kontaktfläche 9d des dritten Bolzenteils 8 ab, so dass der zweite Drucksensor 7 außerhalb des Kraftflusses liegt. Hierzu können die Kontaktflächen 9a,9b,9c,9d beispielsweise als Erhebungen aus den Bolzenteilen 2,8 ausgebildet sein, wie es in der 2 angedeutet ist.
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Man erkennt anhand der 2 gut, dass alle elektrischen Bauteile des Kraftmessbolzens 1 auf dem dritten Bolzenteil 8 angeordnet sind, während das erste Bolzenteil 2 und das zweite Bolzenteil 3 Bauteile mit einer rein mechanischen Funktion sind. Dies hat den Vorteil, dass das dritte Bolzenteil 8 separat von den anderen Bolzenteilen 2,3 vorkonfektioniert und montiert werden kann.
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Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind erste Drucksensor 5 und der zweite Drucksensor 7 innerhalb des Kraftmessbolzens 1 angeordnet. Ferner sind ebenfalls die im Kraftfluss zwischen dem zweiten Bolzenteil 3 und dem dritten Bolzenteil 8 liegende und den ersten Drucksensor 5 kontaktierende gemeinsame zweite Kontaktfläche 9a ist elektrisch isoliert ausgeführt.
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Anders als in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Kraftmessbolzens 1 sind in der 2 abgebildeten Variante der erste Drucksensor 5 und der zweite Drucksensor 7 als eine drucksensitive Folie ausgebildet, welche jeweils eine auf sie einwirkende Kraft in ein elektrisches Messignal wandelt. Das dritte Bolzenteil 8 kann ebenfalls als eine Folie ausgebildet sein.
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In beiden der gezeigten Ausführungsalternativen sind der erste Drucksensor 5 und der zweite Drucksensor 7 planparallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene innerhalb des Kraftmessbolzens 1 angeordnet, wodurch die elektrische Leitungsführung vereinfacht werden kann.
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Die in den 1 und 2 gezeigten Kraftmessbolzen 1 können in ein Kraftmesssystem integriert werden, indem sie in ein kraft- und/oder momentenbeaufschlagtes Bauteil mit einer Tasche zur kraftschlüssigen Aufnahme des Kraftmessbolzens in dem Bauteil eingesetzt werden.
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Der Außendurchmesser des Kraftsensors besitzt hierzu ein Pass-Maß, dass mit einem korrespondierenden Pass-Maß einer Bohrung in einem Bauteil eine Presspassung ausbilden kann. In eine derartige Bohrung wird der Kraftmessbolzen 1, wie er exemplarisch in der 3 dargestellt ist, so eingepresst, das der Drucksensor 5 senkrecht zum Kraftfluss steht. Wie in der 3 dargestellt, besitzt der Kraftmessbolzen 1 eine Raumform, die geeignet ist, um in eine zylindrische Bohrung einsetzbar zu sein. Bei Belastung des Bauteils bewirken die auf den Kraftmessbolzen 1 einwirkenden Kräfte eine Widerstandsänderung des im Kraftfluss liegenden Drucksensors 5. Diese Widerstandsänderung wird gemessen und (nach Kalibrierung des Kraftmessbolzens) in Kraft umgerechnet.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftmessbolzen
- 2
- Bolzenteil
- 3
- Bolzenteil
- 4
- Kontaktfläche
- 5
- Drucksensor
- 6
- Kraftmessrichtung
- 7
- Drucksensor
- 8
- Bolzenteil
- 9
- Kontaktfläche
- 10
- Leitung
