DE19909871A1 - Tread wear indicator has tread wear coat and a sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Verschleißanzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Verschleißkontrolle bei Bauteilen oder Werkstücken hoher Maßhaltigkeit wie zum Beispiel Kolbenstangen für Hydraulikeinsätze oder hochpräzise arbeitende Umformwerkzeuge.The invention relates to a wear indicator according to the preamble of claim 1. The preferred area of application is wear control for components or Workpieces with high dimensional accuracy, such as piston rods for hydraulic inserts or high-precision forming tools.
Eine Vielzahl von Materialien unterliegt im normalen Betrieb einem erheblichen Verschleiß. Der Verschleiß gefährdet die ihnen zugedachte Aufgabe, beeinträchtigt ihre Zuverlässigkeit, und begrenzt ihre Lebensdauer.A large number of materials are subject to considerable damage in normal operation Wear. Wear endangers the task assigned to them, affects theirs Reliability, and limits their lifespan.
Es ist bekannt, verschleißbehaftete Materialien wie zum Beispiel Werkzeuge oder Bauteile mit Verschleißschutzschichten zu versehen. Häufig wird deren Verschleiß durch den Einsatz von Schmiermitteln wie zum Beispiel Schmieröl verringert. Dies steigert zwar die Lebensdauer der Verschleißschutzschicht, die Gefahr einer Beschädigung des zu schützenden Materials besteht jedoch weiterhin. It is known to wear materials such as tools or To provide components with wear protection layers. Their wear is often caused by reduces the use of lubricants such as lubricating oil. This increases Although the life of the wear protection layer, the risk of damage to the however, the material to be protected still exists.
Insbesondere bei hochwertigen, hochbelasteten Teilen oder bei Oberflächen mit geringer Maßtoleranz ist es wegen dieser Gefahr erforderlich, den Zustand der Verschleißschutzschicht regelmäßig zu kontrollieren.Especially with high-quality, highly stressed parts or with surfaces low dimensional tolerance, it is necessary because of this danger, the condition of the Check the wear protection layer regularly.
Bekannt ist ein Verfahren, bei dem entweder in das zu schützende Material oder in die darauf befindliche Verschleißschutzschicht radioaktive Bestandteile eingebaut sind. Die bei Reibung anfallenden Produkte werden an anderer Stelle gesammelt, wobei fortwährend die Zunahme der Radioaktivität mit der Radionuklidmethode gemessen wird. Die insgesamt gemessene Radioaktivität erlaubt dann einen Rückschluß auf den Verschleißzustand des Systems. Das beschriebene Verfahren ist zwar sehr genau, allerdings auch sehr kostenintensiv. Zudem ist es für den industriellen Masseneinsatz wegen der radioaktiven Kontamination und der damit verbundenen Gefahren für Mensch und Umwelt kaum am Markt durchsetzbar.A method is known in which either the material to be protected or the there is built-in wear protection layer of radioactive components. The products generated by friction are collected elsewhere, whereby the increase in radioactivity measured continuously with the radionuclide method becomes. The total radioactivity measured then allows a conclusion to be drawn about the System wear. The procedure described is very precise, but also very cost-intensive. It is also for industrial mass use because of the radioactive contamination and the associated dangers for humans and environment hardly enforceable on the market.
Zur optischen Kontrolle des Verschleißzustandes ist die Nutzung eines zweifarbigen Schichtsystems bekannt. Ein Beispiel hierfür ist goldfarbenes TiN als Verschleißschutzschicht, sowie eine Ni-Schicht als darunterliegende Zwischenschicht. Ist die TiN-Schicht partiell entfernt gibt es einen farblichen Unterschied. Die Zwischenschicht kann hier als eine verschleißanzeigende Schicht bezeichnet werden, bei deren eigenem Verschleiß sich eine Kenngröße ermitteln läßt. Diese Kenngröße, vorliegend der optische Farbeindruck, erlaubt dann einen Rückschluß auf den Verschleißzustand des Systems. Dieses Schichtsystem erfordert in regelmäßigen Intervallen eine Sichtkontrolle durch Servicepersonal. Dies führt jedoch zu einem unerwünschten Stillstand der Maschine um die entsprechenden Arbeiten durchführen zu können. Ein korrektes Kontrollergebnis hängt dabei stark von der Zuverlässigkeit des Servicepersonals ab und kann bei schwer zugänglichen Stellen fraglich sein. Ein erheblicher Nachteil besteht darin, daß die Verschleißüberwachung nicht dauerhaft erfolgen kann, so daß insbesondere bei hochbeanspruchten Teilen die Kontrolle häufig erst dann erfolgt, wenn das zu schützende Material bereits beschädigt ist. To visually check the state of wear, use a two-tone Layer system known. An example of this is gold-colored TiN as Wear protection layer, as well as a Ni layer as the underlying intermediate layer. If the TiN layer is partially removed, there is a color difference. The Intermediate layer can be referred to here as a wear-indicating layer with their own wear, a parameter can be determined. This parameter, in the present case the optical color impression then allows a conclusion to be drawn about the System wear. This layer system requires regular Intervals a visual inspection by service personnel. However, this leads to one undesired downtime of the machine to carry out the corresponding work can. A correct control result strongly depends on the reliability of the Service personnel and can be questionable in places that are difficult to access. On considerable disadvantage is that wear monitoring is not permanent can take place, so that the control frequently, especially in the case of highly stressed parts only occurs if the material to be protected is already damaged.
In der US 4,604,604 wird der Einsatz eines sichtbaren oder riechbaren Wirkstoffs bei Automobilbremsen vorgeschlagen, der bei entsprechendem Verschleiß der Bremse freigesetzt wird. Der Wirkstoff wird dabei entweder als Schicht zwischen Bremsbacke und Bremsbelag aufgesprüht, oder in großen, den Wirkstoff enthaltenden Kapseln an bestimmten Stellen der Bremsfläche eingebettet. Über eine durch Servicepersonal durchzuführende Sicht- oder Geruchskontrolle kann dann der Verschleißzustand der Bremse festgestellt werden. Dieser Lösung weist die gleichen Nachteile wie ein zweifarbiges Schichtsystem auf. Werden die in der US 4,604,604 vorgeschlagenen, Millimeter- bis Zentimeter großen Kapseln eingesetzt, so ist zudem eine spezielle Anpassung des Bauteils zur Aufnahme der Kapsein erforderlich was die Herstellungskosten der Bauteile erheblich verteuert. Weiterhin ist dieses Vorgehen nur bei Materialien mit einfacher Oberflächenstruktur handhabbar. Bei komplizierten Oberflächengeometrien lassen sich derartige Wirkstoffkapseln nicht einsetzen.In US 4,604,604 the use of a visible or smellable active ingredient is disclosed Automotive brakes suggested that with appropriate wear on the brake is released. The active ingredient is either a layer between the brake shoe sprayed on and brake pad, or in large capsules containing the active ingredient certain points of the braking surface embedded. Via one by service personnel Visual or odor control to be carried out can then show the state of wear of the Brake can be determined. This solution has the same disadvantages as one two-tone layer system. If the proposed in US 4,604,604 Capsules of millimeter to centimeter size are used, so there is also a special one Adaptation of the component to accommodate the capsule is required Manufacturing costs of the components significantly increased. Furthermore, this procedure is only can be handled for materials with a simple surface structure. For complicated Such active ingredient capsules cannot be used for surface geometries.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile für Verschleißanzeigen zu überwinden und hierfür eine kostengünstige Alternative zu anzubieten. Es soll eine Verschleißanzeige bereitgestellt werden welche sich relativ einfach herstellen läßt, welche den Einsatz von Verschleißschutzschichten weiterhin zuläßt, und welche ökologisch unbedenklich ist. Insbesondere soll auf den Einsatz radioaktiver Komponenten verzichtet werden.The invention is based on the object known from the prior art To overcome disadvantages for wear indicators and for this an inexpensive Alternative to offer. A wear indicator should be provided which can be produced relatively easily, which the use of wear protection layers continues to allow, and which is ecologically harmless. In particular, the Use of radioactive components.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, daß die Verschleißanzeige eine automatisierbare Kontrolle des Verschleißzustandes zuläßt. Es soll der Einsatz von Servicepersonal entbehrlich werden und zudem sichergestellt werden, daß die erfolgte Anzeige von kritischem Verschleiß stets dann erfolgt, wenn das zu schützende Material noch keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Another object is that the wear indicator is automatable Checking the state of wear. It is intended to use service personnel become dispensable and also ensure that the display of critical wear always occurs when the material to be protected does not yet exist Is exposed to wear.
Ferner besteht die Aufgabe darin, daß die Verschleißkontrolle nicht nur auf optischem Wege, per Geruchssinn, oder durch Messung der Radioaktivität erfolgen kann damit ein möglichst universeller und flexibler Einsatz der Verschleißanzeige möglich ist.Furthermore, the task is that the wear control is not only optical Ways, by sense of smell, or by measuring radioactivity can be done with it universal and flexible use of the wear indicator is possible.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die Nachteile nach dem Stand der Technik dadurch überwinden lassen, daß eine Verschleißanzeige gewählt wird, die aus einer verschleißanzeigenden Schicht und einem Sensor besteht, wobei die verschleißanzeigende Schicht Mikrokapseln enthält. Bei Beschädigung der mikrokapselhaltigen Schicht wird mindestens ein in den Mikrokapseln enthaltender Wirkstoff freigesetzt, und der Sensor detektiert mindestens eine Kenngröße dieses freigesetzten Wirkstoffs. Bei Detektion der Kenngröße wird ein Signal ausgegeben was den Anwender über den kritischen Verschleißzustand informiert. Der Verschleißzustand kann dabei dann als kritisch angesehen werden, wenn die Kenngröße erstmalig zuverlässig detektiert wird.According to the invention it was recognized that the disadvantages according to the prior art overcome by choosing a wear indicator that consists of a wear-indicating layer and a sensor, the contains wear-indicating layer microcapsules. If the microcapsule-containing layer is at least one in the microcapsules Active ingredient released, and the sensor detects at least one parameter of this released active ingredient. When the parameter is detected, a signal is output informs the user about the critical state of wear. The state of wear can be regarded as critical when the parameter is used for the first time is reliably detected.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Verschleißanzeige ist in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellt. Das verschleißbehaftete Material (1) ist mit einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht (2) versehen. Fig. 1a zeigt das verschleißbehaftete Material (1) im noch unbeschädigten Zustand, was an dessen gleichmäßiger Dicke zu erkennen ist. Unterhalb der verschleißanzeigenden Schicht (2) befindet sich das vor Verschleiß zu schützende Material (3). Fig. 1b zeigt das System bei erfolgtem Verschleiß. Das Material (1) zeigt eine Beschädigung, ebenso wie die verschleißanzeigende Schicht (2). Deren Beschädigung führt zu einer Freisetzung des in den Mikrokapseln enthaltenen Wirkstoffs (4) welcher von einem Detektor bzw. Sensor (5) erfaßt wird. Bei einer automatisierten Verschleißanzeige gibt der Sensor (5) bei Detektion des Wirkstoffs (4) selbstätig ein Signal aus welches die erfolgte Beschädigung anzeigt. Bei nichtautomatisierter Betriebsweise ist eine Detektion durch Servicepersonal erforderlich.The principle of the wear indicator according to the invention is shown in Fig. 1a and Fig. 1b. The material ( 1 ) which is subject to wear is provided with a layer ( 2 ) containing microcapsules. Fig. 1a shows the wear-prone material ( 1 ) in the undamaged state, which can be seen from its uniform thickness. The material ( 3 ) to be protected against wear is located below the wear-indicating layer ( 2 ). Fig. 1b shows the system with wear. The material ( 1 ) shows damage, as does the wear-indicating layer ( 2 ). Their damage leads to a release of the active substance ( 4 ) contained in the microcapsules, which is detected by a detector or sensor ( 5 ). In the case of an automated wear indicator, the sensor ( 5 ) automatically outputs a signal when the active substance ( 4 ) is detected, indicating the damage that has occurred. Detection by service personnel is required for non-automated operation.
Der oder die verwendeten Wirkstoffe sind mikroverkapselt in der verschleißanzeigenden Schicht (2) enthalten, welche eine Dicke von ca. 1 µm bis 50 µm aufweist. Die Mikrokapseln haben einen Durchmesser von ca. 0,5 µm bis 5 µm sind mit einer Hülle aus Kunststoff versehen. Dies erlaubt die Aufnähme nahezu beliebiger Wirkstoffe die auf den jeweiligen Einsatz des verschleißbehafteten Materials hin maßgeschneidert werden können. Die Wirkstoffe 2 können fest, flüssig oder gasförmig sein. Die in den Mikrokapseln enthaltenen Partikel weisen einstellbare Partikeldurchmesser von ca. 0,3 µm bis 5000 µm auf. Die Abscheidung von mikrokapselhaltigen Schichten kann galvanisch oder stromlos als Dispersionsschicht metallischen Charakters erfolgen. Die Partikel lassen sich in alle abscheidbaren Metalle einbetten, so zum Beispiel in Cu, Ni, Cr, oder Edelmetallen. Die metallische Matrix beherbergt dann die Mikrokapseln deren galvanische Codeposition in der Literatur bereits beschrieben ist. Eine Abscheidung als Dispersionslack ist ebenfalls möglich. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die mikrokapselhaltige Schicht selbst kleine Reibwerte gegenüber dem Reibpartner aufweist, da sie dann sowohl ihre Indikatorfunktion hinsichtlich des Verschleißes erfüllt, und gleichzeitig verschleiß-hemmende Schicht ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß Teile der Kapseln ein Schmiermittel enthalten.The active ingredient or ingredients used are microencapsulated in the wear-indicating layer ( 2 ), which has a thickness of approximately 1 μm to 50 μm. The microcapsules have a diameter of approx. 0.5 µm to 5 µm and are provided with a plastic cover. This allows the inclusion of almost any active ingredient that can be tailored to the particular use of the material that is subject to wear. The active substances 2 can be solid, liquid or gaseous. The particles contained in the microcapsules have adjustable particle diameters from approx. 0.3 µm to 5000 µm. The deposition of microcapsule-containing layers can be done galvanically or electrolessly as a dispersion layer of metallic character. The particles can be embedded in all separable metals, for example in Cu, Ni, Cr, or precious metals. The metallic matrix then houses the microcapsules whose galvanic code position has already been described in the literature. It can also be deposited as a dispersion varnish. It is particularly advantageous if the microcapsule-containing layer itself has small coefficients of friction compared to the friction partner, since it then fulfills both its indicator function with regard to wear and is at the same time a wear-inhibiting layer. This can be done, for example, if parts of the capsules contain a lubricant.
Zur Detektion kommen eine Vielzahl von Sensoren in Betracht. Der jeweilige Detektor bestimmt sich maßgeblich nach dem verwendeten Wirkstoff. Optische und photometrische Detektoren bieten sich zum Beispiel an, wenn der Wirkstoff charakteristische Strahlung emittiert. Bei enzymatischen Wirkstoffen bieten sich elektrochemische Sensoren auf der Basis von Enzymelektroden und Feldeffekttransistoren an, bei denen der oder die Wirkstoffe selektiv mit den Enzymen reagieren und ein entsprechendes Signal liefern. Insbesondere wenn die Wirkstoffe in einer den reibenden Bereich umgebenden Flüssigkeit als freie Ionen vorkommen, können ionenselektive Elektroden in Betracht kommen. Derartige Elektroden sind prinzipiell mit einer ionenspezifischen Membran aufgebaut und sprechen besonders auf einwertige Metallionen an. Die in den genannten Beispielen vom Sensor detektierten Kenngrößen sind dann die elektromagnetische Strahlung, Moleküle bzw. Ionen. Auch ein piezoelektrischer Sensor oder andere Sensoren zur Detektierung anderer Kenngrößen können eingesetzt werden.A large number of sensors can be used for detection. The respective detector largely depends on the active ingredient used. Optical and For example, photometric detectors are useful when the active ingredient characteristic radiation emitted. In the case of enzymatic active substances, there are: electrochemical sensors based on enzyme electrodes and Field effect transistors, in which the active ingredient or ingredients selectively with the enzymes react and deliver a corresponding signal. Especially when the active ingredients in a liquid surrounding the rubbing area occurs as free ions, ion-selective electrodes can be considered. Such electrodes are basically built with an ion-specific membrane and are particularly popular monovalent metal ions. Those detected by the sensor in the examples mentioned The parameters are then electromagnetic radiation, molecules or ions. Also a piezoelectric sensor or other sensors for detecting others Parameters can be used.
Durch eine geeignete Kombination von Wirkstoff und Detektor ist vorteilhafterweise ein automatisierbare Verschleißkontrolle möglich. Diese erfolgt zweckmäßigerweise auch dauerhaft um eine Beschädigung des zu schützenden Materials auszuschließen. Der Einsatz einer mikrokapselhaltigen Schicht zur dauernden Kontrolle des Verschleißes vermeidet mit Vorteil den Einsatz radioaktiver Substanzen.A suitable combination of active ingredient and detector advantageously results in a automatable wear control possible. This is also conveniently done permanently to prevent damage to the material to be protected. The Use of a micro-capsule-containing layer for permanent control of wear advantageously avoids the use of radioactive substances.
Durch die nahezu unbegrenzte Vielfalt an einsetzbaren Wirkstoffen ist die
erfindungsgemäße Verschleißanzeige universell einsetzbar. Sie ist nicht nur auf optisch
oder mit dem Geruchsinn feststellbarer Wirkstoffe beschränkt, und auch nicht auf
radioaktive Substanzen. Darüber erschließt sich neue Anwendungsgebiete:
Due to the almost unlimited variety of active ingredients that can be used, the wear indicator according to the invention can be used universally. It is not only limited to active substances that can be detected optically or with the sense of smell, and also not to radioactive substances. This opens up new areas of application:
- - In ölgeschmierten Systemen können Wirkstoffe eingesetzt werden, die sich in der chemischen Zusammensetzung deutlich vom Öl unterscheiden.- In oil-lubricated systems, active ingredients can be used that are in the clearly distinguish chemical composition from oil.
- - In trockenen Systemen können Wirkstoffe eingesetzt werden, die sich gasförmig detektieren lassen.- Active substances that are gaseous can be used in dry systems have it detected.
- - Bei fehlertoleranten Systemen lassen sich kostengünstige Wirkstoffe und Detektoren verwenden, bei empfindlichen Systemen werden Detektoren eingesetzt, die eine Erfassungsgrenze im ppb-Bereich haben.- In the case of fault-tolerant systems, inexpensive agents and detectors can be used use, in sensitive systems detectors are used, the one Have a detection limit in the ppb range.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht für die Verschleißanzeige von besonderer Bedeutung. Besonders günstig ist die Verwendung einer galvanisch oder stromlos abgeschiedene Dispersionsschicht oder eines Dispersionslacks.The use of a microcapsule is within the meaning of the present invention containing layer for the wear indicator of particular importance. Especially the use of a galvanically or currentlessly deposited is favorable Dispersion layer or a dispersion varnish.
Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die erfindungsgemäße Verschleißanzeige anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Without restricting the general inventive concept, the inventive Wear indicator are explained using exemplary embodiments.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Verschleißanzeige ist insbesondere da sinnvoll, wo eine sehr präzise Maßhaltigkeit gefordert ist, so zum Beispiel Kolbenstangen für Hydraulikeinsätze. Diese Kolbenstangen werden entweder sehr häufig kontrolliert oder sehr frühzeitig ausgewechselt. Derartige Kolbenstangen werden mit einer galvanisch abgeschiedenen, 30 µm dicken verschleißanzeigenden Ni-Schicht versehen. Diese beherbergen ca. 3 µm dicke Mikrokapseln mit einer Hülle aus Melanin-Formaldehyd, welche mit Schwefelhexafluorid gefüllt sind. Die Kolbenstangen werden zusätzlich hartverchromt. Bei Beschädigung der verschleißanzeigenden Schicht wird das leicht detektierbare Schwefelhexafluorid freigesetzt und detektiert.The use of the wear indicator according to the invention is particularly useful where very precise dimensional stability is required, for example piston rods for Hydraulic inserts. These piston rods are either checked very often or changed very early. Such piston rods are galvanically deposited, 30 µm thick wear-indicating Ni layer. This contain about 3 µm thick microcapsules with a shell made of melanin formaldehyde, which are filled with sulfur hexafluoride. The piston rods are additional hard chrome plated. If the wear-indicating layer is damaged, this becomes easy detectable sulfur hexafluoride released and detected.
Die erfindungsgemäße Verschleißanzeige kann ebenfalls bei Umformwerkzeugen genutzt werden, die Bauteile hoher Maßhaltigkeit herstellen, z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Auch hier ist das präzise Maß durch die Dicke der Verschleißschutzschicht vorgegeben. Durch Abtragen der Verschleißschutzschicht werden in der verschleißanzeigenden Schicht die Mikrokapseln mit einem detektierbaren Wirkstoff freigesetzt. Durch das Trennmittel wird der Wirkstoff abtransportiert und kann an einem für den Sensor geeigneten Platz detektiert werden. Bei Detektion der Kenngröße des Wirkstoffs bzw. des Wirkstoffs selbst wird ein Signal ausgegeben, daß das Umformwerkzeug gewartet werden muß.The wear indicator according to the invention can also be used for forming tools be used to manufacture components with high dimensional accuracy, e.g. B. in the air and Space industry. Again, the precise measure is due to the thickness of the Wear protection layer specified. By removing the wear protection layer are the microcapsules with a detectable in the wear indicating layer Active ingredient released. The active ingredient is removed and can be removed by the release agent be detected in a place suitable for the sensor. When the Characteristic of the active ingredient or the active ingredient itself, a signal is output that the forming tool has to be serviced.
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