WO2015131862A1 - Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement - Google Patents

Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement Download PDF

Info

Publication number
WO2015131862A1
WO2015131862A1 PCT/DE2014/200680 DE2014200680W WO2015131862A1 WO 2015131862 A1 WO2015131862 A1 WO 2015131862A1 DE 2014200680 W DE2014200680 W DE 2014200680W WO 2015131862 A1 WO2015131862 A1 WO 2015131862A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
measuring element
sensors
measuring
component
Prior art date
Application number
PCT/DE2014/200680
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Heim
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority to CN201480078542.9A priority Critical patent/CN106461479B/zh
Priority to US15/123,799 priority patent/US10302512B2/en
Priority to EP14827715.5A priority patent/EP3114449A1/de
Publication of WO2015131862A1 publication Critical patent/WO2015131862A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/583—Details of specific parts of races
    • F16C33/586—Details of specific parts of races outside the space between the races, e.g. end faces or bore of inner ring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/007—Encoders, e.g. parts with a plurality of alternating magnetic poles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0004—Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00—Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

Definitions

  • the invention relates to a component having a material recess and a measuring element having at least one sensor, which is frictionally fitted into the material recess.
  • the invention is therefore based on the object to provide a component which allows a better differentiation of different load directions.
  • the senor is arranged on or on the measuring element, that the measuring direction of the sensor substantially coincides with the line of action of the pressure angle.
  • the invention is based on the finding that the differentiation of load directions is facilitated if the sensor or its measuring direction is arranged in a certain way, namely such that the measuring direction of the sensor coincides with the line of action of the pressure angle. It is sufficient if the measuring direction of the sensor approximately coincides with the line of action of the pressure angle, especially since the pressure angle is subject to changes during operation as a function of external loads.
  • the component according to the invention makes it possible to position at least one sensor directly in the force path with maximum load.
  • This force path with maximum load corresponds to the line of action of the pressure angle or the operating pressure angle.
  • This operating pressure angle is due to the external load of the component in a certain range around the constructive nominal pressure angle.
  • the invention makes it possible to determine the relationship between to close between axial load and radial load. If the amount of the load is known, radial loads and axial loads can be determined separately and output in absolute sizes by means of the measuring element.
  • the component preferably closes off the material recess flush at least on one side.
  • the component according to the invention can be a shaft or a bearing in which the exact determination of attacking axial or radial loads must be monitored.
  • the sensor of the component according to the invention can be a strain-sensitive or pressure-sensitive element of the following group: strain gauges (DMS), thin-film strain gages, piezo element, piezo film, fiber Bragg grating, polymer optical fiber sensor, load cell.
  • DMS strain gauges
  • a development of the invention provides that on or in the measuring element of the component, a further sensor is arranged rotated by 90 ° to the first sensor. In this embodiment, both sensors are on the same plane, wherein the two sensors are arranged rotated by 90 ° to each other. Such an arrangement enables a temperature compensation of a sensor, in particular a strain gauge.
  • a measuring bridge comprising four sensors can be arranged on or in the measuring element of the component according to the invention.
  • Such measuring bridges which are also referred to as full bridges, allow a particularly accurate detection of an elongation based on changes in resistance.
  • a particularly preferred embodiment of the component according to the invention provides that the at least one sensor is arranged on or on a bevelled surface of the measuring element, which is aligned with the line of action of the pressure angle. It is particularly preferred that the beveled surface is aligned parallel to the line of action of the pressure angle or that the line of action of the pressure angle extends along the chamfered surface. In this way, a particularly accurate measurement of an elongation along the line of action can take place.
  • the measuring element consists of steel.
  • measuring element is arranged axially or radially or obliquely to the axial and / or radial direction in the component.
  • various possibilities are created which allow an adaptation of the arrangement of the measuring element or the sensor to different directions of force.
  • an optimal position of the measuring element can be determined in this way.
  • the senor is arranged on or on the measuring element such that the measuring direction of the sensor substantially coincides with the line of action of the nominal pressure angle or the operating pressure angle.
  • the measuring element has a plurality of sensors arranged in parallel planes. In this way, the angular position of the line of action of the pressure angle can be detected, so that not only the amount of component load, but also their direction can be detected.
  • a parallel plane has a plurality of sensors which are twisted relative to each other or arranged orthogonally. The arrangement of the sensors at a certain angle allows the detection of the direction of an attacking external load.
  • the measuring element has a plane parallel to the axial direction, on which a plurality of sensors are arranged side by side.
  • the sensors can be arranged on the plane next to one another or axially behind one another in order to acquire measured values at different locations.
  • the parallel plane can either be defined by the velvet length of a component, which may be formed, for example, as a shaft extend, alternatively, the parallel plane may also extend only over a portion of its length.
  • arranged on the parallel plane sensors may be supplemented by other sensors, for example by one or more sensors on the axial end face.
  • a similar variant provides that a plurality of sensors are arranged on an outer surface of a cylindrical component, the plurality of sensors can either be aligned side by side parallel to the circumference, but they can also be arranged at an angle, that is obliquely to the circumferential direction. In this way, a detection of sensors to the line of action of the pressure angle of the component, in particular a bearing, take place.
  • two or more sensors can also be arranged in mutually rotated by 90 ° planes.
  • one sensor, two sensors or a plurality of, for example, four sensors can be arranged on one level in order to compensate for disturbances such as temperature influences.
  • a measuring element with a plane parallel to the axial direction can be provided with orthogonally-pressed sensors, the measuring element being in two parts and having a first part having the parallel plane and a second, complementary part, the sensors being between the two parts are arranged. Also, there are different combinations of different Measurement levels and sensors possible to enable the desired separation of force components.
  • the measuring element comprising the first part and the second part may be divided in the middle, along a plane of symmetry, so that the sensors are arranged centrally.
  • the measuring element can also be divided eccentrically, so that one part is larger than the other part.
  • the sensors are eccentrically loaded orthogonally.
  • the component has a means for tracking a measurement plane, wherein the means is designed so that the sensor is moved to the position of the maximum measurement signal. This automatically resulting position is a measure of the pressure angle resulting during operation.
  • the sensor can be moved to rotate or translate.
  • FIG. 1 shows a detail of a component according to the invention
  • Figure 2 shows a detail of another embodiment of a component according to the invention
  • FIG. 3 shows a detail of a component with a radially arranged measuring element
  • FIG. 4 shows a detail of a further exemplary embodiment with an obliquely arranged sensor
  • Figure 5 is a view similar to Figure 1 with drawn lines of action of the nominal pressure angle and the operating pressure angle;
  • FIG. 18 shows an exemplary embodiment with a trackable measuring element
  • Figure 19 shows typical courses of sensor data, wherein the strain on the
  • Figure 1 shows a detail of a component 1, which is designed as a rolling bearing and has a cylindrical material recess 2, in which a measuring element 3, which has a sensor 4 is located.
  • the sensor 4 is designed as a strain gauge (DMS) and has cable 5, which are connected to a Meßwerterfas- sstrom.
  • DMS strain gauge
  • the formed as a rolling bearing member 1 comprises an inner ring 6, an outer ring 7 and arranged therebetween rolling elements 8.
  • the measuring element 3 is cylindrical or formed as a bolt. During operation of the rolling bearing this is acted upon by external forces.
  • the line of action 9 of the nominal pressure angle is shown in dashed lines.
  • the sensor 4 is arranged on the measuring element 3 such that the measuring direction of the sensor substantially coincides with the line of action 9 of the pressure angle. Accordingly, the sensor 4 is located directly in the power flow or at the point at which the power flow is maximum.
  • FIG. 2 is a similar embodiment and shows a component 10 which is designed in accordance with the first embodiment as a rolling bearing. Matching components are designated by the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the outer ring 7 has the Matenalaus Principleung 2, in which the measuring element 1 1 is inserted.
  • the measuring element 1 1 has an inclined surface 12 on which a sensor 13 is arranged.
  • the trained as DehnmessstMail sensor 13 is thus arranged obliquely with respect to a radial plane of the component 10.
  • the sensor 13 is arranged on the measuring element 1 1, that the line of action 9 of the pressure angle coincides with the position of the sensor 13. With the measuring arrangement shown in FIG. 2, a more accurate measurement result than with the measuring arrangement shown in FIG. 1 can be obtained.
  • FIG. 3 is a further exemplary embodiment and shows a component 14 which is designed as a roller bearing and which has an outer ring 15 provided with a material recess 16.
  • the material recess 16 into which a measuring element 17 is inserted is positioned so that the line of action 9 of the nominal pressure angle intersects a sensor 18 of the measuring element 17.
  • the measuring element 17 is thus introduced radially into the material recess 16 of the outer ring 15.
  • the measuring element 17 has on one side a radial groove 61, which serves as a guide for the cable 5.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a component 19 designed as a roller bearing, in which a material recess 20 is introduced obliquely into the outer ring 21, so that the line of action 9 of the pressure angle intersects the sensor 22 of the measuring element 23.
  • FIG. 5 is a similar embodiment to FIG. 1, therefore the same reference numerals as in FIG. 1 are used for matching components.
  • the line of action of the nominal pressure angle is designated by the reference numeral 9 and shown in dashed lines, the line of action of the operating pressure angle 24 is shown as a solid line.
  • the sensor 4 can thus be positioned on the line of action 24 of the operating pressure angle corresponding to a known ratio of axial load and radial load or corresponding to an operating pressure angle which is of particular interest for the evaluation.
  • FIG. 5 it can be seen that the line of action 9 of the nominal pressure angle and the line of action 24 of the operating pressure angle can differ from one another.
  • the measuring elements or measuring bolts can basically be introduced in any direction in the material recess, such. B. in the embodiments shown in FIGS 1 to 5 is shown.
  • an axial positioning which is illustrated for example in FIGS. 1, 2 and 5, is preferred, since signal propagation via a cable guide or a mounted telemetry unit or via an electromagnetic or capacitive coupler can then be implemented particularly easily.
  • strain-measuring sensors can directly into the power flow between the component, in particular between a rolling element and a lateral surface a bearing can be introduced without a disturbing cavity arises in the power flow path.
  • FIG. 4 Such an example is shown in FIG. 4, where it can be seen that the force flux line 9 extends directly through the region of the measuring element 23 which is provided with the sensor 22.
  • the cavity formed between the sensor 22 and the material recess, however, is not in the power flow.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment with a radially introduced measuring element 17, in which the force flux line 9 extends through a cavity which is formed between the inner end of the material recess 16 and the sensor 18.
  • the measuring element 17 is in the power flow, although a small gap or gap between the sensor 18 and the material recess 16 is present.
  • FIG. 6 is an exemplary embodiment of a measuring element 25, which is designed as a cylindrical bolt and in principle coincides with the measuring element 3 of the preceding exemplary embodiments.
  • a strain gauge senor sor 27 is attached at an axial end face 26 of the measuring element 25 at an axial end face 26 of the measuring element 25 .
  • the measuring element 25 has two further sensors 28, 29, which are arranged in the interior of the measuring element 25 on the end face 26 parallel planes 30, 31. All sensors 27, 28, 29 are connected to cables or lines, which are not shown in Figure 6 for reasons of clarity.
  • the strain-measuring sensors 27, 28, 29 arranged in a plurality of planes 26, 30, 31 which are parallel to one another are suitable for detecting the angular position of the line of action of the pressure angle.
  • the rear end face concealed in FIG. 6 can also have one or more sensors.
  • FIG. 7 is a further exemplary embodiment of a measuring element 32 which, like the exemplary embodiment of FIG. 6, has a plurality of planes 26, 30, 31. wherein sensors are mounted on the end face 26 and the inner parallel planes 30, 31 which are parallel to the end face 26.
  • Two sensors 33, 34 designed as strain gages are respectively arranged on the planes 26, 30, 31, wherein the two sensors 33, 34, which are located in the same plane, are arranged rotated by 90 ° with respect to one another.
  • Figure 8 is another embodiment of a measuring element 37 having a plane 35 on which a plurality of sensors 36 are arranged in the axial direction next to each other.
  • the arrangement shown in Figure 8 is adapted to detect the angular position of the line of action of the pressure angle, whereby not only the amount of stress on a component, such as a rolling bearing, but also their direction can be detected and distinguished.
  • the plane may also extend only over part of the length of the measuring element.
  • FIG. 9 is a view similar to FIG. 8 and shows a measuring element 38 in which a plane 39 on which the sensors 36 are arranged extends only over a section in the axial direction.
  • FIG. 10 shows the measuring element 38 of FIG. 9, which has a sensor 40 on its axial end face 41 in addition to the sensors 36 on the plane 39.
  • FIG. 1 1 shows a similar embodiment of a measuring element 42, in which the sensors 43 are arranged in the interior of the measuring element 42 on a plane 44.
  • the left sensor is arranged rotated in the clockwise direction
  • the right sensor is arranged rotated in a counterclockwise direction on the plane 44.
  • alignment and position of the sensors 43 can be adapted to the pressure angle or a pressure angle range.
  • the sensors or an imaginary line of symmetry of the sensors 43 in the embodiment of FIG. 11 are adapted along different operating pressure angles, so that the lines of action of different operating pressure angles each intersect a sensor 43.
  • FIG. 12 is an exemplary embodiment of a measuring element 45, in which two sensors 46, 47 are arranged on two planes 41, 44 rotated by 90 ° relative to one another.
  • FIG. 13 is an exemplary embodiment of a measuring element 48 in which two sensors 49, 50 offset by 90 ° from one another are arranged on the end face 41.
  • a total of four sensors 51 are arranged in two rows and two columns, wherein adjacent sensors are offset by 90 ° to each other.
  • FIG. 14 is a further exemplary embodiment of a measuring bolt which has orthogonally pressed sensors 53 which are arranged on a plane 54 in the interior of the measuring element 52.
  • the sensors 53 are associated with lines 55 for the measured value.
  • FIG. 15 is a similar illustration showing the measuring element 52, which additionally has a second part 56 which is complementary to the first part shown in FIG. 14, so that the two parts together form the cylindrical measuring element 52.
  • the sensors 53 are arranged on the parting plane 54 so that they are pressed or clamped between the two parts of the measuring element 52. Different measuring planes and measuring points may be provided in the measuring element 52 in order to enable a separate detection of expansion and force components.
  • Figure 16 is a view similar to Figure 14 and shows a measuring element 57 in which a parting plane 58 passes through an imaginary center. The second part of the measuring element 57 is thus identical to the first part.
  • FIG. 17 shows, analogously to FIG. 15, the sensors 53 clamped between the two parts of the measuring element 57.
  • the measuring plane that is to say the plane in which the at least one sensor, in particular the strain gauges, is located
  • the strain-detecting sensor is moved to the position in which the maximum measurement signal is detected.
  • the then adjusting position of the measuring element is a measure of the operating pressure angle.
  • the measuring element is for this purpose coupled to an actuator which is designed to rotate the measuring element about its longitudinal axis or to displace it along its longitudinal axis.
  • FIG. 18 shows a measuring element 62 with sensors 63 mounted on a plane 64.
  • a trained as a drive actuator 65 which is designed as an electric motor is connected via a shaft 66 with a spindle 67.
  • the spindle 67 meshes with a matching internal thread 68 of the measuring element 62.
  • the measuring element 62 is displaced in each case by means of the drive 65 into that position at which the measuring signal supplied by the sensors 63 is maximum.
  • the position of the measuring element 62 with respect to an initial state is then a measure of the pressure angle.
  • the measuring element 62 can be displaced in the longitudinal direction.
  • the measuring element is rotatable about its longitudinal axis.
  • the measured data recorded by means of the sensors are dependent on the bearing load and the position of the rolling bodies. Therefore, the measured values are averaged, which can also take place in a sliding manner, whereby the dependence of the measured values on the rolling body position is eliminated.
  • the window width of the averaging is selected such that it corresponds at least to the length of a signal period of a rolling element passing by the sensor. It has been found that the averaged sensor data show some dependence on the global deformation of the bearing ring. This global deformation of the bearing ring is dependent on further boundary conditions, for example on how the bearing is installed and by what external forces the bearing was previously loaded.
  • the sensor signal shows a certain hysteresis, after a discharge, the strain signal is not completely back to an initial value.
  • a signal processing is selected in which to dispense with an averaging.
  • an evaluation of the signal swing is preferred, as this eliminates the mean value of the raw signal.
  • the signal swing of a plurality of signal periods can in turn be subjected to an optionally moving averaging in order to equalize influences of non-circular rolling element rolling tracks or unequal rolling element diameters.
  • the evaluation of the signal swing provides a higher sensitivity than the evaluation of the sensor data processed by the averaging, as shown in FIG. On the horizontal axis, the total force is plotted, on the vertical axis, the strain is applied.
  • Reference numeral 59 denotes sensor data obtained by averaging, and 60 denotes sensor data obtained by evaluating the signal swing. Evaluation of the signal swing provides greater sensitivity with reduced hysteresis. The average evaluation does not return completely to the starting point.
  • a machine element As an aid for positioning a measuring element or measuring bolt, a machine element can be used which has a stop for positioning with respect to the axial contact surface of a bearing ring.
  • the return spring travel of the measuring element or the measuring bolt can be kept by a suitable design of the stop.
  • manufacturing-related tolerance influences remain with respect to the position of the strain-measuring sensor with respect to the pressure angle of the component, in particular of the bearing.
  • a reduction of the remaining tolerances can be achieved by the measuring element is not placed on the axial abutment surface (end face), but by an aid is inserted into the raceway of the bearing ring whose axial position is determined by the production pressure angle of the bearing ring. The measuring element or the measuring pin is then positioned on this aid.

Abstract

Bauteil (1, 10, 14, 19) mit einer Materialausnehmung (2, 16, 20) und einem wenigstens einen Sensor (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51, 52, 53, 63) aufweisenden Messelement (3, 11, 17, 23, 25, 32, 37, 38, 42,45, 48, 57, 62), das kraftschlüssig in die Materialausnehmung (2, 16, 20) eingepasst ist, wobei der Sensor (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51, 52, 53, 63) derart an oder auf dem Messelement (3, 11, 17, 23, 25, 32, 37, 38, 42, 45, 48, 57, 62) angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51, 52, 53, 63) im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Bauteil mit einem wenigstens einen Sensor aufweisenden Messelement Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Materialausnehmung und einem wenigstens einen Sensor aufweisenden Messelement, das kraftschlüssig in die Materialausnehmung eingepasst ist.
Hintergrund der Erfindung
Zum Ermitteln der Beanspruchung von Bauteilen während des Betriebs werden auf das Bauteil wirkende Kräfte und Verformungen gemessen. Als Sensoren zur Erfassung von Bauteilbelastungen werden beispielsweise Kraftmessdosen oder Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Dehnungsmessstreifen werden üblicherweise direkt auf das zu messende Bauteil aufgeklebt. Allerdings ist die Befestigung derartiger Sensoren in einer Serienfertigung aufwendig, da die Dehnungsmessstreifen einzeln mit einem Kleber auf einer Oberfläche befestigt und verkabelt werden müssen. In der DE 10 201 1 087 471 A1 ist bereits ein Bauteil mit einem Sensor zur Messung seiner Belastung vorgeschlagen worden. Dieses Bauteil weist eine Materialausnehmung auf, in die ein dort als Materialelement bezeichnetes Messelement kraftschlüssig eingepasst ist, das einen Sensor aufweist. Das Bauteil, dessen Belastung gemessen werden soll und bei dem es sich bei- spielsweise um eine Welle, einen Lagerring oder dergleichen handeln kann, wird vorkonfektioniert, indem die Materialausnehmung hergestellt wird. Im Rahmen der Fertigung oder Montage des Bauteils wird dann das den Sensor aufweisende vorkonfektionierte Messelement in die Ausnehmung eingesetzt, so dass der ursprüngliche Zustand des Bauteils weitestgehend erhalten bleibt.
Allerdings ist es wünschenswert, die Signalgüte von Messungen weiter zu ver- bessern. Insbesondere werden eine größere Empfindlichkeit, eine geringere Hysterese sowie eine bessere Unterscheidbarkeit unterschiedlicher Lastrichtungen gewünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil anzugeben, das eine bessere Unterscheidung unterschiedlicher Lastrichtungen ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor derart an oder auf dem Messelement angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Unterscheidung von Lastrichtungen erleichtert wird, wenn der Sensor bzw. dessen Messrichtung in einer bestimmten Art angeordnet ist, nämlich derart, dass die Messrichtung des Sensors mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt. Es genügt dabei, wenn die Messrichtung des Sensors näherungsweise mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt, zumal der Druckwinkel während des Betriebs in Abhängigkeit von äußeren Lasten Änderungen unterliegt.
Das erfindungsgemäße Bauteil ermöglicht die Positionierung wenigstens eines Sensors direkt in dem Kraftpfad mit maximaler Belastung. Dieser Kraftpfad mit maximaler Belastung entspricht der Wirkungslinie des Druckwinkels bzw. des Betriebsdruckwinkels. Dieser Betriebsdruckwinkel stellt sich aufgrund der äußeren Belastung des Bauteils in einem gewissen Bereich um den konstruktiv festgelegten Nenndruckwinkel ein. Durch die Erfindung wird daher ermöglicht bei Kenntnis des Druckwinkels bzw. des Betriebsdruckwinkels auf das Verhält- nis zwischen Axialbelastung und Radialbelastung zu schließen. Wenn der Betrag der Belastung bekannt ist, können mittels des Messelements Radiallasten und Axiallasten getrennt bestimmt und in absoluten Größen ausgegeben werden. Vorzugsweise schließt das Bauteil die Materialausnehmung wenigstens einseitig bündig ab.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann es sich um eine Welle oder ein Lager handeln, bei der bzw. bei dem die exakte Bestimmung angreifender Axialoder Radiallasten überwacht werden muss. Der Sensor des erfindungsgemä- ßen Bauteils kann ein dehnungs- oder druckempfindliches Element der folgenden Gruppe sein: Dehnmessstreifen (DMS), Dünnschicht-DMS, Piezo-Element, Piezo-Folie, Faser-Bragg-Gitter, polymerer optischer Fasersensor, Kraftmessdose. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an oder in dem Messelement des Bauteils ein weiterer Sensor um 90° gedreht zu dem ersten Sensor angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung befinden sich beide Sensoren auf derselben Ebene, wobei die beiden Sensoren um 90° zueinander gedreht angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine Temperaturkompensation eines Sensors, insbesondere eines Dehnmessstreifens. In ähnlicher Weise kann an oder in dem Messelement des erfindungsgemäßen Bauteils eine vier Sensoren umfassende Messbrücke angeordnet sein. Derartige Messbrücken, die auch als Vollbrücken bezeichnet werden, ermöglichen eine besonders genaue Erfassung einer Dehnung anhand von Widerstandsänderungen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, dass der wenigstens eine Sensor an oder auf einer abgeschrägten Fläche des Messelements angeordnet ist, die zur Wirkungslinie des Druckwinkels ausgerichtet ist. Besonders bevorzugt wird dabei, dass die abgeschrägte Fläche parallel zur Wirkungslinie des Druckwinkels ausgerichtet ist oder dass die Wirkungslinie des Druckwinkels entlang der abgeschrägten Fläche verläuft. Auf diese Weise kann eine besonders exakte Messung einer Dehnung entlang der Wirkungslinie erfolgen. Mittels des bekannten Elastizitätsmoduls des Werkstoffs des Messelements kann anhand der erfassten Dehnung die angreifende Kraft bestimmt werden. Typischerweise besteht das Messelement aus Stahl. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung können vorsehen, dass das Messelement axial oder radial oder schräg zur Axial- und/oder Radialrichtung in dem Bauteil angeordnet ist. Auf diese Weise werden verschiedene Möglichkeiten geschaffen, die eine Anpassung der Anordnung des Messelements bzw. des Sensors an unterschiedliche Kraftrichtungen ermöglichen. Für jeden Anwen- dungsfall kann auf diese Weise eine optimale Position des Messelements bestimmt werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Sensor derart an oder auf dem Messelement angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Nenndruckwinkels oder des Betriebsdruckwinkels übereinstimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist es auch denkbar, dass das Messelement mehrere in parallelen Ebenen angeordnete Sensoren aufweist. Auf diese Weise kann die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels erfasst werden, so dass nicht nur der Betrag der Bauteilbelastung, sondern auch deren Richtung erfasst werden kann.
In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass eine parallele Ebe- ne mehrere zueinander verdreht oder orthogonal angeordnete Sensoren aufweist. Die Anordnung der Sensoren in einem bestimmten Winkel ermöglicht die Erfassung der Richtung einer angreifenden äußeren Last.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Messelement eine zur Axial- richtung parallele Ebene aufweist, auf der mehrere Sensoren nebeneinander angeordnet sind. Die Sensoren können auf der Ebene nebeneinander bzw. axial hintereinander angeordnet sein, um an unterschiedlichen Stellen Messwerte zu erfassen. Die parallele Ebene kann sich dabei entweder über die ge- samte Länge eines Bauteils, das beispielsweise als Welle ausgebildet sein kann, erstrecken, alternativ kann sich die parallele Ebene auch lediglich über einen Abschnitt ihrer Länge erstrecken. Selbstverständlich können die auf der parallelen Ebene angeordneten Sensoren durch weitere Sensoren ergänzt sein, beispielsweise durch einen oder mehrere Sensoren an der axialen Stirnfläche.
Eine ähnliche Variante sieht vor, dass mehrere Sensoren auf einer Außenfläche eines zylinderförmigen Bauteils angeordnet sind, die mehreren Sensoren können entweder nebeneinander parallel zum Umfang ausgerichtet sein, sie können jedoch auch unter einem Winkel, das heißt schräg zur Umfangsrich- tung angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Erfassung von Sensoren an die Wirkungslinie des Druckwinkels des Bauteils, insbesondere eines Lagers, erfolgen.
Schließlich können zwei oder mehre Sensoren auch in zueinander um 90° gedrehten Ebenen angeordnet sein. Auf einer Ebene können dabei ein Sensor, zwei Sensoren oder mehrere, beispielsweise vier Sensoren angeordnet sein, um Störungen wie Temperatureinflüsse zu kompensieren.
Daneben können sämtliche beschriebene Anordnungen miteinander kombiniert werden, um eine Differenzierung unterschiedlicher Lastrichtungen zu ermöglichen. Dabei ist eine Abwägung zwischen der Güte der Messsignale und den Herstellungskosten erforderlich.
Im Rahmen der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, Sensoren, insbesondere Dehnungssensoren wie Dehnmesstreifen, orthogonal zu drücken oder zu klemmen. Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil kann dabei ein Messelement mit einer zur Axialrichtung parallelen Ebene mit orthogonal gedrückten Senso- ren versehen sein, wobei das Messelement zweiteilig ausgebildet ist und ein erstes die parallele Ebene aufweisende Teil und ein zweites, dazu komplementäres Teil aufweist, wobei die Sensoren zwischen den beiden Teilen angeordnet sind. Auch dabei sind unterschiedliche Kombinationen aus verschiedenen Messebenen und Sensoren möglich, um die gewünschte Trennung von Kraftkomponenten zu ermöglichen.
Das das erste und das zweite Teil aufweisende Messelement kann in der Mitte, entlang einer Symmetrieebene geteilt sein, so dass die Sensoren mittig angeordnet sind. Andererseits kann das Messelement auch exzentrisch geteilt sein, so dass ein Teil größer als das andere Teil ist. Bei dieser Ausgestaltung werden die Sensoren außermittig orthogonal belastet. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil ein Mittel zum Nachführen einer Messebene aufweist, wobei das Mittel so ausgebildet ist, dass der Sensor in die Position des maximalen Messsignals bewegt wird. Diese sich automatisch ergebende Position ist ein Maß für den sich im Betrieb ergebenden Druckwinkel. Der Sensor kann dazu rotatorisch oder translatorisch bewegt werden.
Kurze Beschreibung der Zeich
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Bauteils;
Figur 2 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils;
Figur 3 ein Detail eines Bauteils mit einem radial angeordneten Messelement; Figur 4 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem schräg angeordneten Sensor; Figur 5 eine ähnliche Ansicht wie Figur 1 mit eingezeichneten Wirkungslinien des Nenndruckwinkels und des Betriebsdruckwinkels;
Figuren
6 - 7 Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente;
Figuren Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente, bei denen
8 - 13 Sensoren auf einer inneren Ebene angeordnet sind; Figuren Ausführungsbeispiele zylinderförmiger Messelemente, bei denen
14 - 17 die Sensoren zwischen zwei Teilen des Messelements orthogonal gedrückt werden;
Figur 18 ein Ausführungsbeispiel mit einem nachführbaren Messelement;
und
Figur 19 typische Verläufe von Sensordaten, wobei die Dehnung über der
Gesamtkraft aufgetragen ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeich
Figur 1 zeigt ein Detail eines Bauteils 1 , das als Wälzlager ausgebildet ist und eine zylinderförmige Materialausnehmung 2 aufweist, in der sich ein Messele- ment 3, das einen Sensor 4 aufweist, befindet. Der Sensor 4 ist als Dehnmessstreifen (DMS) ausgebildet und weist Kabel 5 auf, die an eine Messwerterfas- sungsanlage angeschlossen sind.
Das als Wälzlager ausgebildete Bauteil 1 umfasst einen Innenring 6, einen Außenring 7 und dazwischen angeordnete Wälzkörper 8. In Figur 1 erkennt man, dass das Messelement 3 zylinderförmig bzw. als Bolzen ausgebildet ist. Während des Betriebs des Wälzlagers wird dieses durch äußere Kräfte beaufschlagt. In Figur 1 ist die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels gestrichelt dargestellt. Der Sensor 4 ist derart an dem Messelement 3 angeordnet, dass die Messrichtung des Sensors im Wesentlichen mit der Wirkungslinie 9 des Druckwinkels übereinstimmt. Dementsprechend befindet sich der Sensor 4 direkt im Kraftfluss bzw. an der Stelle, an der der Kraftfluss maximal ist.
Es ist möglich, einen weiteren Sensor 4 um 90° gedreht zu dem Sensor 4 auf derselben Fläche des Messelements 3 anzubringen, um eine Temperaturkom- pensation zu ermöglichen. Ebenso können vier derartige Sensoren, die zu einer Messbrücke (Vollbrücke) verschaltet sind, an der entsprechenden Fläche des Messelements 3 angeordnet sein.
Figur 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel und zeigt ein Bauteil 10, das in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel als Wälzlager ausgebildet ist. Übereinstimmende Bestandteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Der Außenring 7 weist die Matenalausnehmung 2 auf, in die das Messelement 1 1 eingesetzt ist. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Messelement 1 1 eine schrä- ge Fläche 12 auf, auf der ein Sensor 13 angeordnet ist. Der als Dehnmessstreifen ausgebildete Sensor 13 ist somit schräg bezüglich einer radialen Ebene des Bauteils 10 angeordnet. Der Sensor 13 ist so an dem Messelement 1 1 angeordnet, dass die Wirkungslinie 9 des Druckwinkels mit der Lage des Sensors 13 übereinstimmt. Mit der in Figur 2 gezeigten Messanordnung kann ein genaueres Messergebnis als mit der in Figur 1 gezeigten Messanordnung erhalten werden.
Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel und zeigt ein Bauteil 14, das als Wälzlager ausgebildet ist und das einen mit einer Materialausnehmung 16 ver- sehenen Außenring 15 aufweist. Die Materialausnehmung 16, in die ein Messelement 17 eingesetzt ist, ist dabei so positioniert, dass die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels einen Sensor 18 des Messelements 17 schneidet. Bei dem als Pendelrollenlager ausgebildeten Bauteil 14 ist das Messelement 17 somit radial in die Materialausnehmung 16 des Außenrings 15 eingebracht. Das Messelement 17 weist an einer Seite eine radiale Nut 61 auf, die als Führung für das Kabel 5 dient. Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Wälzlager ausgebildeten Bauteils 19, bei dem eine Materialausnehmung 20 schräg in den Außenring 21 einbracht ist, so dass die Wirkungslinie 9 des Druckwinkels den Sensor 22 des Messelements 23 schneidet. Figur 5 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie Figur 1 , für übereinstimmende Bestandteile werden daher dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. Die Wirkungslinie des Nenndruckwinkels ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet und gestrichelt eingezeichnet, die Wirkungslinie des Betriebsdruckwinkels 24 ist als durchgezogene Linie gezeichnet. Der Sensor 4 kann somit auf der Wirkungslinie 24 des Betriebsdruckwinkels entsprechend einem bekannten Verhältnis von Axiallast und Radiallast positioniert werden oder entsprechend einem Betriebsdruckwinkel, der für die Auswertung von besonderem Interesse ist. In Figur 5 erkennt man, dass die Wirkungslinie 9 des Nenndruckwinkels und die Wirkungslinie 24 des Betriebsdruckwinkels sich voneinander unterscheiden können.
Die Messelemente oder Messbolzen können grundsätzlich in beliebiger Richtung in die Materialausnehmung eingebracht werden, wie z. B. in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figur 1 bis 5 gezeigt ist.
Bevorzugt wird dabei eine axiale Positionierung, die beispielsweise in den Figuren 1 , 2 und 5 dargestellt ist, da sich dann die Signalausleitung über eine Kabelführung oder eine montierte Telemetrieeinheit oder über einen elektromagnetischen oder kapazitiven Koppler besonders einfach realisieren lässt.
Die dehnungsmessenden Sensoren können direkt in den Kraftfluss zwischen dem Bauteil, insbesondere zwischen einem Wälzkörper und einer Mantelfläche eines Lagers eingebracht werden, ohne dass ein störender Hohlraum im Kraftflusspfad entsteht.
Ein derartiges Beispiel zeigt Figur 4, dort ist erkennbar, dass die Kraftflusslinie 9 direkt durch den Bereich des Messelements 23 verläuft, das mit dem Sensor 22 versehen ist. Der zwischen dem Sensor 22 und der Materialausnehmung gebildete Hohlraum liegt hingegen nicht im Kraftfluss.
In ähnlicher Weise zeigt Figur 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem radial ein- gebrachten Messelement 17, bei dem die Kraftflusslinie 9 durch einen Hohlraum verläuft, der zwischen dem inneren Ende der Materialausnehmung 16 und dem Sensor 18 gebildet ist. Das Messelement 17 liegt im Kraftfluss, obwohl ein kleiner Spalt oder Zwischenraum zwischen dem Sensor 18 und der Materialausnehmung 16 vorhanden ist.
Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 25, das als zylinderförmiger Bolzen ausgebildet ist und grundsätzlich mit dem Messelement 3 der vorangehenden Ausführungsbeispiele übereinstimmt. An einer axialen Stirnfläche 26 des Messelements 25 ist ein als Dehnmessstreifen ausgebildeter Sen- sor 27 angebracht. Zusätzlich weist das Messelement 25 zwei weitere Sensoren 28, 29 auf, die im Inneren des Messelements 25 auf zu der Stirnfläche 26 parallelen Ebenen 30, 31 angeordnet sind. Sämtliche Sensoren 27, 28, 29 sind mit Kabeln oder Leitungen verbunden, die in Figur 6 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die in mehreren in zueinander pa- rallelen Ebenen 26, 30, 31 angeordneten dehnungsmessenden Sensoren 27, 28, 29 sind dazu geeignet, die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels zu erfassen. Somit kann nicht nur der Betrag der auf das Lager einwirkenden Lasten, sondern auch deren Richtung erfasst und unterschieden werden. Optional kann auch die in Figur 6 verdeckte, hintere Stirnfläche einen Sensor oder mehrere Sensoren aufweisen.
Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 32, das ähnlich wie das Ausführungsbeispiel von Figur 6 mehrere Ebenen 26, 30, 31 auf- weist, wobei Sensoren auf der Stirnfläche 26 und den inneren parallelen Ebenen 30, 31 , die parallel zur Stirnfläche 26 sind, angebracht sind. Auf den Ebenen 26, 30, 31 sind jeweils zwei als DMS ausgebildete Sensoren 33, 34 angeordnet, wobei die beiden Sensoren 33, 34, die sich in derselben Ebene befin- den, um 90° zueinander gedreht angeordnet sind.
Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 37, das eine Ebene 35 aufweist, auf der mehrere Sensoren 36 in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die in Figur 8 gezeigte Anordnung ist dazu geeignet, die Winkellage der Wirkungslinie des Druckwinkels zu erfassen, wodurch nicht nur der Betrag der Belastung eines Bauteils, beispielsweise eines Wälzlagers, sondern auch deren Richtung erfasst und unterschieden werden kann. Bei anderen Ausführungen kann sich die Ebene auch lediglich über einen Teil der Länge des Messelements erstrecken.
Figur 9 ist eine ähnliche Darstellung wie Figur 8 und zeigt ein Messelement 38, bei dem eine Ebene 39, auf der die Sensoren 36 angeordnet sind, sich lediglich über einen Abschnitt in Axialrichtung erstreckt. In ähnlicher Weise zeigt Figur 10 das Messelement 38 von Figur 9, das zusätzlich zu den Sensoren 36 auf der Ebene 39 einen Sensor 40 auf seiner axialen Stirnfläche 41 aufweist.
Figur 1 1 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines Messelements 42, bei dem die Sensoren 43 im Inneren des Messelements 42 auf einer Ebene 44 angeordnet sind. Bezogen auf den mittleren Sensor ist der linke Sensor im Uhrzeigersinn gedreht angeordnet, der rechte Sensor ist gegen den Uhrzeigersinn gedreht auf der Ebene 44 angeordnet. Auf diese Weise können Ausrichtung und Position der Sensoren 43 an den Druckwinkel bzw. einen Druckwin- kelbereich angepasst werden. Die Sensoren bzw. eine gedachte Symmetrielinie der Sensoren 43 ist bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 1 entlang unterschiedlicher Betriebsdruckwinkel angepasst, so dass die Wirkungslinien unterschiedlicher Betriebsdruckwinkel jeweils einen Sensor 43 schneiden. Figur 12 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 45, bei dem zwei Sensoren 46, 47 auf zwei zueinander um 90° gedrehten Ebenen 41 , 44 angeordnet sind.
Figur 13 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messelements 48, bei dem auf der Stirnfläche 41 zwei um 90° zueinander versetzte Sensoren 49, 50 angeordnet sind. Zusätzlich sind auf der inneren Ebene 44 insgesamt vier Sensoren 51 in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet, wobei benachbarte Sensoren um 90° zueinander versetzt sind.
Je nach Verschaltung können mit diesen Sensoren 51 Störungen wie Temperatureinflüsse kompensiert oder Lastrichtungen unterschieden werden. An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sämtliche zweckmäßigen Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele als erfindungswesentlich angesehen werden.
Figur 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messbolzens, der orthogo- nal gedrückte Sensoren 53 aufweist, die auf einer Ebene 54 im Inneren des Messelements 52 angeordnet sind. Den Sensoren 53 sind dabei Leitungen 55 für die Messwerterfassung zugeordnet.
Figur 15 ist eine ähnliche Darstellung und zeigt das Messelement 52, das zu- sätzlich einen zweiten Teil 56 aufweist, der komplementär zu dem ersten in Figur 14 gezeigten Teil ausgebildet ist, so dass die beiden Teile gemeinsam das zylinderförmige Messelement 52 bilden. Die Sensoren 53 sind auf der Trennebene 54 angeordnet, so dass sie zwischen den beiden Teilen des Messelements 52 gedrückt bzw. geklemmt sind. Bei dem Messelement 52 kön- nen unterschiedliche Messebenen und Messstellen vorgesehen sein, um eine getrennte Erfassung von Dehnungs- und Kraftkomponenten zu ermöglichen. Figur 16 ist eine ähnliche Darstellung wie Figur 14 und zeigt ein Messelement 57, bei dem eine Trennebene 58 durch einen gedachten Mittelpunkt verläuft. Der zweite Teil des Messelements 57 ist somit identisch zu dem ersten Teil ausgebildet.
Figur 17 zeigt analog zu Figur 15 die zwischen den beiden Teilen des Messelements 57 geklemmten Sensoren 53.
Bei dem Bauteil, das eines der beschriebenen Messelemente aufweist, kann die Messebene, das heißt die Ebene, in der sich der wenigstens eine Sensor, insbesondere der Dehnmessstreifen, befindet, nachgeführt werden, um eine Information über die Winkellager des Betriebsdruckwinkels zu erhalten. Dazu wird der die Dehnung erfassende Sensor in die Position bewegt, in der das maximale Messsignal erfasst wird. Die sich dann einstellende Lage des Mess- elements ist ein Maß für den Betriebsdruckwinkel. Das Messelement ist dazu mit einem Aktor gekoppelt, der dazu ausgebildet ist, das Messelement um seine Längsachse zu drehen oder entlang seiner Längsachse zu verschieben.
Figur 18 zeigt ein Messelement 62 mit Sensoren 63, die auf einer Ebene 64 angebracht sind. Ein als Antrieb ausgebildeter Aktor 65, der als Elektromotor ausgebildet ist, ist über eine Welle 66 mit einer Spindel 67 verbunden. Die Spindel 67 kämmt mit einem daran angepassten Innengewinde 68 des Messelements 62. Mittels einer entsprechenden Steuerung (nicht gezeigt) wird das Messelement 62 jeweils mittels des Antriebs 65 in diejenige Position verscho- ben, bei der das von den Sensoren 63 gelieferte Messsignal maximal ist. Die Position des Messelements 62 bezogen auf einen Ausgangszustand ist dann ein Maß für den Druckwinkel. Das Messelement 62 kann in Längsrichtung verschoben werden. Es sind auch andere Ausführungen denkbar, bei denen das Messelement um seine Längsachse drehbar ist.
Die mittels der Sensoren, insbesondere mittels der Dehnungssensoren erfass- ten Messdaten sind abhängig von der Lagerbelastung und der Position der Wälzkörper. Daher werden die Messwerte einer Mittelwertbildung unterzogen, die auch gleitend erfolgen kann, wodurch die Abhängigkeit der Messwerte von der Wälzkörperposition eliminiert wird. Die Fensterbreite der Mittelwertbildung wird so gewählt, dass sie mindestens der Länge einer Signalperiode eines am Sensor vorbeilaufenden Wälzkörpers entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass die einer Mittelwertbildung unterzogenen Sensordaten eine gewisse Abhängigkeit von der globalen Verformung des Lagerrings zeigen. Diese globale Verformung des Lagerrings ist abhängig von weiteren Randbedingungen, beispielsweise davon, wie das Lager eingebaut ist und durch welche äußeren Kräfte das Lager zuvor belastet war. Daher zeigt das Sensorsignal eine gewis- se Hysterese, nach einer Entlastung geht das Dehnungssignal nicht vollständig bis auf einen Ausgangswert zurück. Um diese störenden Einflüsse zu minimieren, wird eine Signalverarbeitung gewählt, bei der auf eine Mittelwertbildung verzichtet wird. Bevorzugt wird dabei eine Auswertung des Signalhubs, da dadurch der Mittelwert des Rohsignals eliminiert wird. Der Signalhub mehrerer Signalperioden kann dann wiederum einer gegebenenfalls gleitenden Mittelwertbildung unterzogen werden, um Einflüsse unrunder Wälzkörperlaufbahnen oder ungleicher Wälzkörperdurchmesser zu egalisieren. Bei Anwendungen, bei denen das Lager schnell gegenüber einer Laständerung dreht, ist es vorteilhaft, die Fensterbreite der Mittelwertbildung der Signalhübe als ein ganzzahli- ges Vielfaches der Anzahl der Wälzkörper zu wählen. Die Auswertung des Signalhubs liefert eine höhere Empfindlichkeit als die Auswertung der durch die Mittelwertbildung bearbeiteten Sensordaten, wie in Figur 19 gezeigt ist. Auf der waagerechten Achse ist die Gesamtkraft aufgetragen, auf der senkrechten Achse ist die Dehnung aufgetragen. Das Bezugszeichen 59 bezeichnet Sen- sordaten, die durch Mittelwertbildung erhalten wurden, das Bezugszeichen 60 bezeichnet Sensordaten, die durch die Auswertung des Signalhubs erhalten wurde. Die Auswertung des Signalhubs liefert eine größere Empfindlichkeit bei verringerter Hysterese. Die Mittelwertauswertung kehrt nicht vollständig zum Ausgangspunkt zurück.
Als Hilfsmittel zur Positionierung eines Messelements oder Messbolzens kann ein Maschinenelement eingesetzt werden, das einen Anschlag zur Positionierung bezogen auf die axiale Anlagefläche eines Lagerrings besitzt. Der Rück- federweg des Messelements oder des Messbolzens kann durch eine geeignete Auslegung des Anschlags vorgehalten werden. Allerdings verbleiben dabei fertigungsbedingte Toleranzeinflüsse bezüglich der Position des dehnungs- messenden Sensors in Bezug auf den Druckwinkel des Bauteils, insbesondere des Lagers.
Eine Verringerung der verbleibenden Toleranzen kann erreicht werden, indem das Messelement nicht auf der axialen Anlagefläche (Stirnfläche) angeordnet wird, sondern indem ein Hilfsmittel in die Laufbahn des Lagerrings eingesetzt wird, dessen axiale Position vom Fertigungsdruckwinkel des Lagerrings bestimmt wird. Auf dieses Hilfsmittel wird dann das Messelement oder der Messbolzen positioniert.
Dadurch bleiben Einflüsse von Wälzkörpern unberücksichtigt, da diese durch das Hilfsmittel ersetzt werden. Um die verbleibenden Toleranzeinflüsse zu eliminieren oder weiter zu minimieren, werden Dehnungen während des Einpressvorgangs gemessen. Dabei wird das Lager oder der Lagerring über die Wälzkörper oder über Ersatzwälzkörper belastet. Die Belastung des Lagers kann auch derart erfolgen, dass ein Betriebsdruckwinkel entsteht, der die ge- plante Sensorposition seitlich versetzt durchstößt. Es ist auch vorteilhaft, dass der Messbolzen oder das Messelement soweit eingepresst wird, bis die gemessene Dehnung einer zuvor ausgewählten Messstelle ein Maximum überschritten hat.
Bezugszahlenliste
1 Bauteil
2 Materialausnehmung
3 Messelement
4 Sensor
5 Kabel
6 Innenring
7 Außenring
8 Wälzkörper
9 Wirkungslinie
10 Bauteil
1 1 Messelement
12 Fläche
13 Sensor
14 Bauteil
15 Außenring
16 Materialausnehmung
17 Messelement
18 Sensor
19 Bauteil
20 Materialausnehmung
21 Außenring
22 Sensor
23 Messelement
24 Wirkungslinie
25 Messelement
26 Stirnfläche
27 Sensor
28 Sensor
29 Sensor
30 Ebene
31 Ebene Messelement
Sensor
Sensor
Ebene
Sensor
Messelement
Messelement
Ebene
Sensor
Stirnfläche
Messelement
Sensor
Ebene
Messelement
Sensor
Sensor
Messelement
Sensor
Sensor
Sensor
Sensor
Sensor
Trennebene
Leitung
Teil
Messelement
Trennebene
Bezugszeichen
Bezugszeichen
Nut
Messelement
Sensor
Ebene Antrieb Welle
Spindel Innengewinde

Claims

Patentansprüche
1 . Bauteil (1 , 10, 14, 19) mit einer Materialausnehmung (2, 16, 20) und einem wenigstens einen Sensor (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51 , 52, 53, 63) aufweisenden Messelement (3, 1 1 , 17, 23, 25,
32, 37, 38, 42, 45, 48, 57, 62), das kraftschlüssig in die Materialausnehmung (2, 16, 20) eingepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51 , 52, 53, 63) derart an oder auf dem Messelement (3, 1 1 , 17, 23, 25, 32, 37, 38, 42, 45, 48, 57, 62) angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29,
33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51 , 52, 53, 63) im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Druckwinkels übereinstimmt.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Messelement (48) insgesamt vier eine Messbrücke bildende Sensoren
(51 ) angeordnet sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (13) an oder auf einer abgeschrägten Fläche (12) des Messelements (1 1 ) angeordnet ist, die zur Wirkungslinie des Druckwinkels ausgerichtet ist.
4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (3, 1 1 , 17, 23, 25, 32, 37, 38, 42, 45, 48, 57, 62) axial oder radial oder schräg zur Axial- und Radialrichtung in dem Bauteil (1 , 10, 14, 19) angeordnet ist.
5. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51 , 52, 53, 63) derart an oder auf dem Messelement (3, 1 1 , 17, 23, 25, 32, 37, 38, 42, 45, 48, 57, 62) angeordnet ist, dass die Messrichtung des Sensors (4, 13, 18, 22, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 40, 43, 46, 47, 49, 50, 51 , 52, 53, 63) im Wesentlichen mit der Wirkungslinie des Nenndruckwinkels oder des Betriebsdruckwinkels übereinstimmt.
6. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Messelement (25, 32) mehrere in parallelen Ebenen (30,
31 ) angeordnete Sensoren (28, 29) aufweist.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Ebene (30, 31 ) mehrere zueinander verdreht oder orthogonal angeordnete Sensoren aufweist.
8. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (37, 38, 42, 48) eine Ebene (35, 39, 44) aufweist, auf der mehrere Sensoren (36, 43, 51 ) nebeneinander angeordnet sind.
9. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messelement (37, 52) mit einer zur Axialrichtung parallelen Ebene (35, 54) mit orthogonal gedrückten Sensoren (36, 53) versehen ist, wobei das Messelement (37, 52) zweiteilig ausgebildet ist und ein erstes die pa- rallele Ebene (35, 54) aufweisende Teil und ein zweites, dazu komplementäres Teil aufweist, wobei die Sensoren (36, 53) zwischen den beiden Teilen angeordnet sind.
10. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass es ein Mittel zum Nachführen einer Messebene des Sensors
(63) aufweist, wobei das Mittel dazu ausgebildet ist, den Sensor (63) in die Position des maximalen Messsignals zu bewegen.
PCT/DE2014/200680 2014-03-05 2014-12-05 Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement WO2015131862A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201480078542.9A CN106461479B (zh) 2014-03-05 2014-12-05 具有带有至少一个传感器的测量元件的构件
US15/123,799 US10302512B2 (en) 2014-03-05 2014-12-05 Component with at least one measuring element comprising a sensor
EP14827715.5A EP3114449A1 (de) 2014-03-05 2014-12-05 Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014204025.6 2014-03-05
DE102014204025.6A DE102014204025A1 (de) 2014-03-05 2014-03-05 Bauteil mit einem wenigstens einen Sensor aufweisenden Messelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015131862A1 true WO2015131862A1 (de) 2015-09-11

Family

ID=52354642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2014/200680 WO2015131862A1 (de) 2014-03-05 2014-12-05 Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10302512B2 (de)
EP (1) EP3114449A1 (de)
CN (1) CN106461479B (de)
DE (1) DE102014204025A1 (de)
WO (1) WO2015131862A1 (de)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016223199A1 (de) * 2016-11-23 2018-05-24 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Werkzeughalter für ein Bearbeitungswerkzeug einer Bearbeitungsmaschine und Messeinrichtung
DE102016223883A1 (de) 2016-12-01 2018-06-07 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Kraftdrehkopfaxiallager mit Messbolzen für Bohranlagen
DE102017111745A1 (de) * 2017-05-30 2018-12-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Wälzlageranordnung für ein Getriebe
DE102017130337A1 (de) 2017-12-18 2019-06-19 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Montagevorrichtung zum Einbringen eines Messelements in eine Ausnehmung eines Bauteils
DE102018100393A1 (de) * 2018-01-10 2018-12-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Wälzlageranordnung mit Sensoreinrichtung
DE102018101508A1 (de) * 2018-01-24 2019-07-25 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Lager und Verfahren zum Herstellen eines Lagers
WO2020061733A1 (zh) * 2018-09-25 2020-04-02 舍弗勒技术股份两合公司 具有力传感器的轴承
DE102018222421A1 (de) * 2018-12-20 2020-06-25 CEROBEAR GmbH Wälzlager
DE102019116999A1 (de) * 2019-06-25 2020-12-31 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Rollenlageranordnung zum Bestimmen von Belastungen
CN110501102B (zh) * 2019-09-05 2022-04-05 东方电气集团东方电机有限公司 一种推力负荷测试瓦的制作及使用方法
DE102019214488A1 (de) * 2019-09-23 2021-03-25 Aktiebolaget Skf Lager mit einer einzelnen optischen Messfaser zur Lasterfassung und Lagereinheit mit kombinierten Lagern
DE102020114431A1 (de) * 2020-05-29 2021-03-18 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Werkzeughalter und Verfahren zur Drehbearbeitung eines Werkstücks
CN112211911A (zh) * 2020-10-28 2021-01-12 北京交通大学 滚动轴承运行状态在位监测用轴承座改造结构及方法
DE102021101936B3 (de) 2021-01-28 2022-06-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Kraftmessbolzen, Kraftmesssystem und Wälzlageranordnung
WO2023276365A1 (ja) * 2021-07-02 2023-01-05 ミネベアミツミ株式会社 転がり軸受

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0344496A2 (de) * 1988-05-28 1989-12-06 Mannesmann Kienzle GmbH (HR B1220) Halter für das Anbringen eines Dehnungsgebers
DE4225134C1 (en) * 1992-07-30 1993-09-16 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 80636 Muenchen, De Tensile and compressive stress measuring system for workpiece or material sample - determines deformation in different directions within each measuring plane, e.g. using strain gauges
DE102011087471A1 (de) 2011-11-30 2013-06-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bauteil mit Sensor zur Messung seiner Belastung

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2911479C2 (de) * 1979-03-22 1983-09-29 Lechler, Gerhard, Dr.-Ing., 1000 Berlin Kraftmeßeinrichtung
DE10136438A1 (de) * 2000-08-22 2002-03-07 Bosch Gmbh Robert Sensoranordnung in einem Wälzlager und Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals
NL1016756C2 (nl) * 2000-11-30 2002-05-31 Skf Eng & Res Centre Bv Meetelement voor het meten van radiale en/of axiale krachten op een lager.
DE10242250A1 (de) * 2002-09-12 2004-03-25 Robert Bosch Gmbh Kraftsensor
JP2005249594A (ja) * 2004-03-04 2005-09-15 Nsk Ltd 転動体荷重測定方法及び荷重測定用軸受
US7497131B2 (en) * 2004-11-22 2009-03-03 Jtekt Corporation Sensor-mounted roller bearing apparatus
CN102265046A (zh) * 2008-12-22 2011-11-30 Skf公司 传感器化的轴承单元
DE102009022835B3 (de) * 2009-05-27 2011-03-03 Schaeffler Kg Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Fanglagers einer Maschine
FI124566B (fi) * 2010-12-13 2014-10-15 Konecranes Oyj Sovitelma laakerin säteisvoimien mittaamiseksi
CN202886033U (zh) * 2012-11-08 2013-04-17 北京交通大学 轴承载荷测试结构
JP6119227B2 (ja) * 2012-12-12 2017-04-26 株式会社ジェイテクト 軸受用ころの状態検出装置、センサ付きころ軸受装置、及び風力発電機

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0344496A2 (de) * 1988-05-28 1989-12-06 Mannesmann Kienzle GmbH (HR B1220) Halter für das Anbringen eines Dehnungsgebers
DE4225134C1 (en) * 1992-07-30 1993-09-16 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 80636 Muenchen, De Tensile and compressive stress measuring system for workpiece or material sample - determines deformation in different directions within each measuring plane, e.g. using strain gauges
DE102011087471A1 (de) 2011-11-30 2013-06-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bauteil mit Sensor zur Messung seiner Belastung

Also Published As

Publication number Publication date
EP3114449A1 (de) 2017-01-11
DE102014204025A1 (de) 2015-09-10
US20170016786A1 (en) 2017-01-19
CN106461479B (zh) 2020-11-03
US10302512B2 (en) 2019-05-28
CN106461479A (zh) 2017-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3114449A1 (de) Bauteil mit einem wenigstens einen sensor aufweisenden messelement
EP2621743B1 (de) Geteilter wankstabilisator
DE10057468B4 (de) Drehmomenterfassungssystem
DE102010037555B4 (de) Aktiver Fahrwerksstabilisator, Aktuator, Fahrzeug und Verfahren zur Steuerung und/oder Regelungeines Fahrwerkstabilisators
EP3037796B1 (de) Federkörper für eine drehmomentmesszelle
EP2276658B1 (de) Messlager, insbesondere für einen radsatz eines schienenfahrzeuges
DE102006051642B4 (de) Rollenlager mit einem Mess-Wälzkörper
DE102007051237A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen des Lagerspiels oder der Vorspannung von Wälzlageranordnungen
WO2007143986A1 (de) Drehmomentmessflansch
EP3093641B1 (de) Verfahren zur bestimmung einer in ein bauteil eingebrachten axialen zugkraft
DE102010034638A1 (de) Drehmomentmesswelle
DE202007019291U1 (de) Tretlager mit Drehmomentsensorik
DE102005055995B4 (de) Verfahren zur Einstellung der Vorspannung in einer Lageranordnung
WO2015039655A1 (de) Bauteil, vorrichtung und verfahren zur messung einer materialspannung mittels magnetostriktion
EP1543305B1 (de) Kraftaufnehmer zum messen von achskräften
DE102017004680A1 (de) Doppelflansch-Drehmomentaufnehmer mit Korrektursensorik
DE102006031456B4 (de) Lagerungsanordnung mit integrierter Drehmomentmessung und Vorrichtung zur Regelung einer Momentenverteilung
DE102012212060A1 (de) Wellenanordnung mit einem Drehmoment-Sensor
AT524361B1 (de) Wälzlageranordnung
DE102004033925A1 (de) Drehmoment-Messaufnehmer
WO2018219382A1 (de) Vorspannungsmessung mit kraftmessbolzen
EP2894448B1 (de) Vorrichtung zur Erfassung des Zustands eines Maschinenelements
EP2980551B1 (de) Kraftfahrzeug-bremsprüfstand
EP3611088B1 (de) Tretlager und fahrrad mit einem solchen tretlager
DE102016204314A1 (de) Linearbewegungsvorrichtung mit flächigem Dehnungssensor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14827715

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2014827715

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014827715

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15123799

Country of ref document: US