DE19621213C2 - Vorrichtung mit einer Aufnahme für einen mit einer Tastspitze und einer Führungshülse verbindbaren Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Aufnahme für einen mit einer Tast­ spitze und einer Führungshülse verbindbaren Sensor, der zur Schwingungsmessung dient und von einem Aufnahmegehäuse umgeben ist.

Es ist bekannt, daß bei Vibrationsaufnehmern, vor der Montage die Vor- und Nach­ teile jeder einzelnen Befestigungsmethode gut gegeneinander abzuwägen sind. Ein­ flüsse, wie Ort der Anbringung auf dem Testobjekt, Material und Ober­ flächenbeschaffenheit, Zugang zum Sensor und Umgebungseinflüsse wie z. B. Tem­ peratur sind wichtige Einflußgrößen im Hinblick auf die Qualität der Meßergebnisse (VFI 3/95, S. 47, 51).

Die wichtigste und nach Auffassung des Verfassers meist übersehene Tatsache in diesem Zusammenhang ist der große Einfluß der Befestigung auf den nutzbaren Frequenzbereich des Schwingungs-Sensors.

Es ist ein Meßgerät mit Handgriff bekannt (DE 43 41 522 A1), das einen Taststift, einen Meßwertaufnehmer und einen Handgriff aufweist. Das Meßgerät besitzt ferner eine axial verschiebbar gelagerte und gegen eine Feder abgestützte Griffhülse, um sicherzustellen, daß das Meßgerät immer mit dem gleichen Druck betätigt wird, was in der Praxis nicht möglich sein dürfte. Die manuelle Positionierung des Meßgerätes kann in einer automatisierten Serienmessung nicht eindeutig bestimmt werden. So­ dann bleibt mit dem manuell bedienbaren Meßgerät das Problem des nutzbaren Frequenzbereichs des Sensors unberücksichtigt.

Es ist ferner aus einem Aufsatz (Askania-Sonderdruck, Seiten 1-12, 1953 aus Z. "Frequenz", 7. Heft, S. 209-214 und 8. Heft, S. 233-239, 1953, insbesondere Bilder 3 und 4) bekannt, ein Tastge­ rät mit seismographischem Verhalten ohne Festpunkt auszuführen. An einem Seis­ mographen-Gehäuse ist eine Tastspitze starr befestigt. Das ganze Gerät muß durch Andruckkraft der Hand beschleunigt werden, damit es der Bewegung des Prüfkör­ pers folgt, ohne abzuheben. Somit wäre die Anwendung in einem automatisierten Betrieb nicht möglich. Das Gehäuse des Seismographen mit starrem Taststift kann auch in einem zweiten, das erste Gehäuse umgebenden Gehäuse federnd gelagert sein. Diese Bauart eignet sich jedoch nur für "rasche Schwingungen" und gerade bei solchen mit großen Beschleunigungen wird das Doppelgehäuse eingesetzt. Jedoch ist das Gerät weder für einen bestimmten Frequenzbereich geeignet noch in einem automatisierten Betrieb einsetzbar.

Schließlich ist ein Schwingungsmesser bekannt ( Patent Abstracts of Japan 07286891 A), bei dem in einem Gehäuse eine Tastspitze unmittelbar geführt ist. Der Verstellweg ist offensichtlich von der das Gehäuse überragenden Tastspitze abhän­ gig. Im Innern ist ein Piezo-Element auf der verlängerten Tastspitzen-Nadel ange­ ordnet und auf einer sehr weichen Feder abgestützt. Die Tastspitzennadel ist im vorderen Bereich mittels Ringmagneten geführt. Dadurch sollen bei jedem Meßvor­ gang auftretende Fremdschwingungen, die nicht zu den zu messenden Schwingun­ gen gehören, abgehalten werden. Ein solcher Schwingungsmesser ist sehr empfind­ lich und bei Störungen ist der Sensorteil nicht leicht auswechselbar und die Nadella­ gerung ist für eine Serienmessung ungeeignet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die Prüfung von Testobjekten wie z. B. Kraftfahrzeuggetrieben, eine Schwingungs-Meßvorrichtung bzw. Vorrichtung zu schaffen, die eine schnelle, vorzugsweise automatisierte Anstellbarkeit zwischen dem Schwingungs-Sensor und einem Meßobjekt ermöglicht, wobei der Schwin­ gungs-Sensor nicht formschlüssig sondern nur kraftschlüssig angebracht ist und ei­ nen Meßbereich bis ca. 8 kHz gestattet.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Dadurch ist eine schnelle automatisierbare Anstell­ barkeit des Schwingungs-Sensors an das Meßobjekt bei nur kraftschlüssiger Berüh­ rung gegeben. Außerdem ist durch den Aufbau der Vorrichtung ein schneller Ersatz des Sensors möglich. Die Tastspitze ist leicht auswechselbar und der Schwingungs-Sensor ist leicht zu befestigen.

Die federnde Tastspitze gleicht relativ große Toleranzen des Prüflings, z. B. von Gußgehäusen aus. Außerdem bewirkt die Vorspannung der Tastspitze eine erfor­ derliche Anpreßkraft, die unmittelbar zur Verfügung steht. Es entsteht eine geringe Baugröße durch eine kleine schlanke Bauform. So kann z. B. ein Durchmesser des Aufnahmegehäuses von unter 30 mm erreicht werden. Dadurch wird eine Einsatz­ möglichkeit auch bei beengten Platz- oder Raumverhältnissen geschaffen.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß die Sensoraufnahme aus einer aus leichtem und hartem Werkstoff gefertigten zylindrischen Scheibe gebildet ist. Das mitschwingende Bauteil bildet somit eine geringe Bewegungsmasse. Dieser Vorteil wird durch eine Miniaturbauweise und durch den Einsatz leichter Werkstoffe er­ reicht. Das Verbinden von Tastspitze und Sensoraufnahme kann z. B. durch Kleben erfolgen. Es ist auch möglich, den Sensor direkt in eingeklebtes Gewinde der Tast­ spitze einzuschrauben.

In diesem Sinn ist die Sensoraufnahme aus Titan hergestellt, kann aber auch aus Werkstoffen mit gleichen oder weitestgehend ähnlichen Eigenschaften bestehen, wie z. B. aus Aluminium-Legierungen oder Kunststoffen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Sensor-Tastspitze aus einem zylindrischen, die Tastspitze bildenden Vorderteil und einem kegelförmigen hinteren Abschnitt je­ weils aus einem leichten und harten Werkstoff bestehend hergestellt. Der kegel­ förmige, hintere Abschnitt dichtet den Sensorkopf im Ruhezustand ab. Bei stark ver­ schmutzter Umgebung kann das Eindringen von Schmutz durch Einblasen von Druckluft in den Kopf verhindert werden. Außerdem zentriert der integrierte Kegel die Tastspitze im Ruhezustand.

Hierbei ist die Tastspitze aus Titan bzw. aus Al₂ O₃-Keramik hergestellt. Die große Härte u. a. verhindert Kontaktresonanzen an der Berührungsfläche zwischen Tast­ spitze und Prüf- oder Meßobjekt. Die Keramik wirkt ferner als elektrischer Isolator zwischen Sensorkopf und Prüfling. Störeinflüsse durch Ausgleichsströme und Erd­ schleifen werden vermieden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Tastspitze bombiert ausgeführt ist. Die große Härte und ein relativ großer Radius von z. B. 40-50 mm an der Spitze verhin­ dern ebenfalls Kontaktresonanzen an der Berührungsfläche zwischen Sensorkopf und Prüfling.

Die Erfindung ist ferner dahingehend ausgestaltet, daß die zylindrische Scheibe an ihrer rückwärtigen Seite mit einer Gewindebohrung versehen ist, in die der Schwin­ gungs-Sensor einschraubbar ist. Dadurch wird eine leichte und schnelle Montage oder Demontage des Sensors erzielt.

Weitere die Masse belastende Befestigungselemente werden ferner dadurch einge­ spart, daß die Tastspitze in die Sensoraufnahme eingeklebt ist.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß zumindest der Schwingungs-Sensor, die Führungshülse und die Tastspitze eine bauliche, als Ganzes auswechselbare Einheit bilden. Der Vorteil liegt in einer schnellen Mon­ tage oder Demontage der Baueinheit.

Der erläuterte Toleranzausgleich der unterschiedlichsten Prüflinge kann konstruktiv derart gestaltet sein, daß auf der Führungshülse an einer nach hinten weisenden Schulter ein im Querschnitt winkliger Ring aufgesetzt ist, gegen den sich eine Druckfeder mit einem Druckfeder-Ende abstützt, die mit ihrem anderen Druckfeder-Ende gegen den Aufnahmesockel anliegt. Die federnde Tastspitze gleicht relativ große Toleranzen des Prüflings aus und durch die gegebene Vorspannung steht die notwendige Anpreßkraft zwischen der Tastspitze schon beim Anstellen bzw. Abhe­ ben zur Verfügung. Lediglich für den axialen Bewegungsweg sind einige mm Hub erforderlich.

Nach anderen Merkmalen der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zumindest die Druckfeder, die Führungshülse, die Tastspitze, das Frontgehäuse und der Aufnah­ mesockel auf einen Meßbereich von ca. 0-12 kHz abgestimmt sind zur Vermeidung von Eigenschwingungen. Diese Abstimmung erfolgt durch die geringe Bemessung und durch kleinstmögliche Gewichtsansätze sowie durch eine geringstmögliche An­ zahl von Teilen.

Eine Alternative zur Begrenzung von Eigenschwingungen des Meßsystems besteht darin, daß Eigenschwingungen durch Maßnahmen in der elektronischen Meßschal­ tung ausgleichbar sind, an die die 2-Drahtleitung für den Sensor angeschlossen ist.

Zur Vermeidung von Eigenschwingungen des Meßsystems trägt außerdem bei, daß die 2-Drahtleitung aus extrem leichten, aus einer Vielzahl von dünnen Litzendrähten gebildeten Meßleitungen besteht.

Eine Anwendung der Vorrichtung findet hauptsächlich für ein automatisches Kontak­ tieren in der Serienprüfung, z. B. im Automobilbau und dort bei der Prüfung von Getrieben statt. Dort ist es vorteilhaft, daß der Aufnahmesockel mit dem Front­ gehäuse an einem schwingungsarmen Stativ befestigt ist.

Der Einsatz in der Serienprüfung kann nach weiteren vorteilhaften Merkmalen derart erfolgen, daß der Aufnahmesockel mit dem Frontgehäuse an einer pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Kolben-Zylinder-Einheit befestigt ist, die jeweils auf eine gleiche Anstellkraft der Tastspitze an das auf Schwingungen zu prüfende Meß­ objekt anstellbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Querschnitt durch die Vorrichtung mit dem Schwingungs-Sensor und

Fig. 2 eine Ansicht der Befestigung der Vorrichtung an einem schwingungs­ armen Stativ.

Die Vorrichtung dient als Aufnahme für einen Schwingungs-Sensor 1 (Fig. 1) in ei­ nem Aufnahmegehäuse 2. Eine im Innern 4a eines Frontgehäuses 4 geschützt un­ tergebrachte und mit dem Schwingungs-Sensor 1 verbundene und aus dem Auf­ nahmegehäuse 2 herausragende Tastspitze 6 ist in Tastrichtung 16 verstellbar an­ geordnet. Für Serienmessungen ist der Verstellweg von ca. 1-4 mm im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest gleich oder größer als der größte Außentoleranzweg eines Meßobjektes 15.

Das Aufnahmegehäuse 2 besteht aus einem Aufnahmesockel 3, an den sich das hülsenförmige Frontgehäuse 4 anschließt. Der Aufnahmesockel 3 ist wie gezeichnet mit Außengewinde und das Frontgehäuse 4 mit korrespondierendem Innengewinde versehen. In dem Aufnahmesockel 3, der eine zentrische Bohrung 3a besitzt, ist eine Führungshülse 5 gleitend in der Bohrung 3a gelagert und kann sich um einen Weg von ca. 1-4 mm verschieben, wie nachstehend noch erläutert wird. Die Füh­ rungshülse 5 befindet sich mit einem Längsabschnitt im Innern 4a des Frontge­ häuses 4 und zwar in einem vorderen Abschnitt 4b. Die Führungshülse 5 stützt sich federnd gegen den Aufnahmesockel 3 ab. Dabei ist eine Grundstellung gebildet, in der die Tastspitze 6, die durch den vorderen Abschnitt 4b des Frontgehäuses 4 ragt, federbelastet gegen das Frontgehäuse 4 im Inneren 4a anliegt.

Die Tastspitze 6 besteht aus einem leichten und harten Werkstoff, vorzugsweise aus Titan oder Keramik und ist bombiert ausgeführt, wobei der Radius ca. 40-50 mm be­ tragen kann. Die Tastspitze 6 weist einen rückwärtigen Tastspitzen-Schaft 6a auf, der in eine Sensor-Aufnahme 7 ragt. Die Sensor-Aufnahme 7 ist mit ihrem Außendurchmesser in der Führungshülse 5 gehalten. Der äußere Umfang muß da­ bei nicht kreiszylindrisch sein; er kann auch polygonal sein. Die Sensoraufnahme 7 ist aus einem leichten und harten Werkstoff, wie z. B. aus Titan hergestellt und stellt eine kreiszylindrische Scheibe 8 dar.

Die Tastspitze 6 ist geometrisch aus einem zylindrischen, die Tastspitze mit Bombie­ rung bildenden Vorderteil 6b und einem anschließenden kegelförmigen hinteren Ab­ schnitt 6c zusammengesetzt.

Die zylindrische Scheibe 8 ist an ihrer rückwärtigen Seite mit einer Gewindebohrung 9 versehen, in die der handelsübliche Schwingungs-Sensor 1 eingeschraubt wird. Anstelle des Gewindes kann auch eine Klebeverbindung eingesetzt werden. Eine solche Klebeverbindung kann auch zwischen dem Tastspitzen-Schaft 6a und der Sensor-Aufnahme 7 eingesetzt werden.

Der Schwingungs-Sensor 1, die Führungshülse 5 und die Tastspitze 6 ergeben zu­ sammen eine bauliche, als Ganzes auswechselbare Baueinheit.

Auf der Führungshülse 5 ist an einer nach hinten weisenden Schulter 5a ein im Querschnitt winkliger Ring 10 aufgeschoben. Gegen diesen Ring 10 stützt sich eine Druckfeder 11 mit ihrem vorderen Druckfeder-Ende 11a. Die Druckfeder 11 liegt mit ihrem anderen, hinteren Druckfeder-Ende 11b gegen den Aufnahmesockel 3 an.

Zumindest die Druckfeder 11, die Führungshülse 5, die Tastspitze 6, das Front­ gehäuse 4 und der Aufnahmesockel 3 sind auf einen Meßbereich von ca. 0-12 kHz abgestimmt, um Resonanzerscheinungen zu vermeiden.

Solche Resonanzerscheinungen sind auch durch Maßnahmen in der elektronischen Meßschaltung 17 ausgleichbar, an die eine 2-Drahtleitung 12 für den Schwingungs-Sen­ sor 1 angeschlossen ist. Die 2-Drahtleitung ist aus extrem leichten, aus einer Vielzahl von dünnen Litzendrähten gebildeten Meßleitungen 12a und 12b gebildet.

Gemäß Fig. 2 ist der Aufnahmesockel 3 mit dem Frontgehäuse 4 an einem schwin­ gungsarmen Stativ 13 befestigt. Für die Serienmessung an beliebigen, in Montage- oder Fertigungsstraßen transportierten Meßobjekten 15 ist der Aufnahmesockel 3 mit dem Frontgehäuse 4 an einer pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Kol­ ben-Zylinder-Einheit 14 befestigt, die jeweils auf eine bestimmte Anstellkraft der Tastspitze 6 an das auf Schwingungen zu prüfende Meßobjekt 15 angestellt wird. Eine gleichbleibend bestimmte Anpreßkraft ist dabei nicht erforderlich; vielmehr ist wichtig, daß die Kolben-Zylinder-Einheit 14 "auf Block" fährt und dadurch schwin­ gungsarm wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung mit einer Aufnahme für einen mit einer Tastspitze (6) und einer Führungshülse (5) verbindbaren Sensor (1), der zur Schwingungsmessung dient und von einem Aufnahmegehäuse (2), das einen Aufnahmesockel (3) anschließend an ein hülsenförmiges Frontgehäuse (4) aufweist, umgeben ist, wobei für Serienmessungen der Verstellweg der Tastspitze (6) zumindest gleich oder größer ist als der größte Außentoleranzwert eines Meßobjektes (15), die aus dem Frontgehäuse (4) herausragende Tastspitze (6) in Tastrich­ tung (16) verstellbar angeordnet ist und in dem Aufnahmesockel (3) die bis in das Innere (4a) des Frontgehäuses (4) reichende Führungshülse (5) einge­ setzt ist und sich in Tastrichtung (16) beweglich federnd gegen den Aufnah­ mesockel (3) abstützt, die aus leichtem und hartem Werkstoff bestehende Tastspitze (6) mit einem rückwärtigen Tastspitzen-Schaft (6a) in einer Sen­ soraufnahme (7) befestigt ist, die ihrerseits in der Führungshülse (5) gehalten ist und eine Grundstellung der Tastspitze (6), die durch den vorderen Ab­ schnitt (4b) des Frontgehäuses (4) ragt und hierbei gegen das Frontgehäuse (4) gefedert anliegt, eingestellt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoraufnahme (7) aus einer aus leichtem und hartem Werkstoff gefertigten zylindrischen Scheibe (8) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoraufnahme (7) aus Titan oder Al₂O₃-Keramik hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (6) aus einem zylindrischen, die Tastspitze bildenden Vorderteil (6b) und einem kegelförmigen hinteren Abschnitt (6c), jeweils aus einem leichten und harten Werkstoff bestehend, hergestellt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (6) aus Titan bzw. aus Al₂O₃-Keramik hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (6) bombiert ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Scheibe (8) an ihrer rückwärtigen Seite (8a) mit einer Gewindebohrung (9) versehen ist, in die der Sensor (1) einschraubbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (6) in die Sensoraufnahme (7) eingeklebt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Sensor (1), die Führungshülse (5) und die Tastspitze (6) eine bauliche, als Ganzes auswechselbare Einheit bilden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Führungshülse (5) an einer nach hinten weisenden Schulter (5a) ein im Querschnitt winkliger Ring (10) aufgesetzt ist, gegen den sich eine Druckfeder (11) mit einem Druckfeder-Ende (11a) abstützt, die mit ihrem anderen Druckfeder-Ende (11b) gegen den Aufnahmesockel (3) anliegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,edaß zumindest die Druckfeder (11), die Führungshülse (5), die Tastspitze (6), das Frontgehäuse (4) und der Aufnahmesockel (3) auf einen Meßbereich von ca. 0-12 kHz abgestimmt sind zur Vermeidung von Eigenschwingungen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Eigenschwingungen durch Maßnahmen in einer elektronischen Meßschaltung ausgleichbar sind, an die eine 2-Drahtleitung (12) für den Sensor (1) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die 2-Drahtleitung (12) aus extrem leichten, aus einer Vielzahl von dünnen Litzendrähten gebildeten Meßleitungen (12a, 12b) besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmesockel (3) mit dem Frontgehäuse (4) an einem schwin­ gungsarmen Stativ (13) befestigt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmesockel (3) mit dem Frontgehäuse (4) an einer pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Kolben-Zylinder-Einheit (14) befestigt ist, die jeweils auf eine bestimmte Anstellkraft der Tastspitze (6) an das auf Schwin­ gungen zu prüfende Meßobjekt (15) anstellbar ist.