WO2016177356A1 - Maschinenelement mit einer sensoreinrichtung und verfahren zur herstellung eines maschinenelements - Google Patents

Maschinenelement mit einer sensoreinrichtung und verfahren zur herstellung eines maschinenelements Download PDF

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WO2016177356A1
WO2016177356A1 PCT/DE2016/000184 DE2016000184W WO2016177356A1 WO 2016177356 A1 WO2016177356 A1 WO 2016177356A1 DE 2016000184 W DE2016000184 W DE 2016000184W WO 2016177356 A1 WO2016177356 A1 WO 2016177356A1
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sensor device
inwardly projecting
radially inwardly
hollow shaft
machine element
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PCT/DE2016/000184
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Inventor
Peter Groche
Martin KRECH
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Peter Groche
Krech Martin
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Publication date
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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    • G01L1/2225—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction the direction being perpendicular to the central axis
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/168—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using counterbalancing forces

Definitions

  • the invention relates to a machine element with a
  • Tube or rod-shaped machine elements are used as shafts or hollow shafts, as axes or as rod structures in many areas of mechanical and plant engineering.
  • the most comprehensive and precise knowledge of the mechanical stresses which affect the machine elements during production and assembly, but also during the intended use, is a novel type of material both during the development phase
  • Machine element as well as during use and over the entire useful life of the machine element of great interest.
  • suitable sensors are determined externally on a surface of the machine element, in particular in test benches and development trials, and the sensor values are recorded and evaluated.
  • strain gauges can be used
  • CONFIRMATION COPY be, with which already minor deformations on the surface of the machine element cost and
  • a possibly imminent failure of the machine element may possibly be detected before a critical condition occurs.
  • the sensor device is arranged in a cavity of a shaft for protection against external influences and ambient conditions.
  • the sensor device is in the cavity of the shaft before operational mechanical and
  • arranged sensor device can oscillations
  • Sensor device is adhesively fixed in an interior of the hollow shaft or pressed force fit.
  • the position of the sensor device can be specified within the hollow shaft comparatively accurate, so arranged sensor devices are only partially for comprehensive detection of axial and radial deformations of the hollow shaft, as a reliable evaluation of
  • the hollow shaft portion of the machine element has a first radially inwardly projecting formation and a second radially inwardly projecting formation, and that the
  • Sensor device is fixed positively with an axial bias between the first radially inwardly projecting formation and the second radially inwardly projecting formation.
  • Formations can, for example, circumferential beads in a cylindrical, an interior of the
  • the radially inwardly projecting formations each have a smaller inner diameter than the regions of the hollow shaft section adjacent in the axial direction on both sides of the respective shaping.
  • Impairment of the properties of the hollow shaft section can be achieved in that, for each inwardly projecting formation, the two adjacent regions of the hollow shaft section have a matching first Have inner diameter and that in between
  • formed radially inwardly projecting formation has a second inner diameter which is smaller than the first inner diameter.
  • the radially inwardly projecting formation may have a triangular cross-sectional area with tapered or tapered side surfaces. It is
  • the inwardly projecting formations may each form one or more abutment surfaces on which mutually opposite end faces of the sensor device
  • the sensor device is positively fixed between the two radially inwardly projecting formations, so that an undesired axial displacement of the
  • Sensor device can be excluded.
  • a contact pressure on the sensor device located therebetween can be exerted, thereby forcing an axial bias of the sensor device.
  • the axial preload can be sufficiently large
  • the surrounding hollow shaft section is set to, too to detect engaging torques and torsional loads reliable.
  • the axial bias is expediently set sufficiently large to counteract creeping creep, the
  • biasing the sensor device can also be suitably selected and mounted sensors, a measurement signal to be made possible, which depends linearly over a wide range of the deformation to be measured and facilitates precise evaluation.
  • the stop surface can be any shape.
  • Stop surface between 20 and 30 degrees.
  • the radially inwardly projecting formations can be easily and inexpensively manufactured with an inclined at an angle stop surface.
  • an inclined stop surface the desired bias of the
  • first radially inwardly projecting formation and / or the second radially inwardly projecting formation in the circumferential direction a have constant cross-sectional area. In this way, with a consistent or
  • a stop surface of the first radially inwardly projecting formation and / or an abutment surface of the second radially inwardly projecting formation has a surface profiled in the circumferential direction
  • Circumferentially profiled surface for example, a wavy or tooth-shaped structuring
  • the surface has grooves or beads extending in the axial direction.
  • the surface can also be roughened or with a
  • Sensor device has a first end face and / or a second end face with a peripheral edge region and with a chamfer formed in the edge region.
  • the sensor device has a first end face and / or a second end face with a peripheral edge region with a profiled shape in the circumferential direction, which forms an engagement with the first radially inwardly projecting formation or the second radially inwardly projecting formation.
  • the profiled in the circumferential direction shaping in the edge region of the end faces of the sensor device is suitably adapted to the surface profiling of the stop surfaces of the inwardly projecting formations. In this way, with little effort a reliable and extremely
  • Circumferential direction can be achieved that the
  • Sensor device is secured against rotation in the hollow shaft portion and thereby torques and by torsion caused deformation can be detected reliably and accurately with the sensor device.
  • An undesired rotation of the sensor device relative to the surrounding hollow shaft section occurs only when the externally applied forces and moments a plastic deformation of the positive engagement between the
  • the sensor device has a shaping of the peripheral edge region of a first end face and / or a second shape adapted to a shape of the first or second radially inwardly projecting formation
  • Sensor device has at least one deformation sensor.
  • Suitable preforming sensors are, for example, strain gage arrangements or piezosensors, or quartz-disk sensors, with which cost-effective, very precise measurements of deformations of the hollow-shaft section are possible, which are generated by an acting mechanical stress. Due to the bias generated in the axial direction of the sensor device, the deformation sensors used in each case with a corresponding Are operated bias and thus not only moments, but also in the axial direction acting train and
  • piezoelectric elementary sensors such as a combination of several quartz with different
  • Intersecting planes allow a detection of several differently directed components of acting
  • the machine element is a shaft.
  • the hollow shaft section may also extend in the axial direction substantially over the entire shaft, so that the
  • Machine element is a hollow shaft. It is also possible that the hollow shaft section has only a short extension in the axial direction, which is connected to the
  • the machine element may also be an axis or a rod-shaped component of a bar structure in a machine or plant.
  • the invention also relates to a method for producing a machine element having a hollow shaft section and having a sensor device arranged therein for measuring a force acting on the hollow shaft section
  • a first radially inwardly projecting formation is produced in the hollow shaft section of the machine element.
  • Sensor arranging step becomes a sensor device in the hollow shaft portion at the first radially inward
  • Sensor device is fixed positively with an axial bias between the first radially inwardly projecting formation and the second radially inwardly projecting formation.
  • Diameter of the hollow shaft section are performed.
  • the arrangement and definition of the sensor device is therefore inventively integrated into the manufacturing process of the machine element, which is possible with little additional effort. It can already during the
  • machine element may be made of metal, can be used for
  • the radially inwardly projecting formations are produced by swaging.
  • Rotary swaging converted into the desired shape.
  • a prefabricated blank molding appropriate, adapted to the manufacturing process outside and Having inner contour curves.
  • a mandrel inserted into the cavity can be used, which has a suitable configuration and shaping of an end region and, depending on its positioning within the hollow shaft section, the shaping which is forced by rotary swaging, a radially inward direction
  • the mandrel has for this purpose
  • Profiling in its end which is a negative form of the desired profiling of the inwardly projecting formations.
  • FIG. 1 to 4 is a schematic representation of a
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a machine tool for rotary kneading during the machining of a machine tool during the production of a hollow shaft with a sensor device arranged therein
  • Fig. 6 in an exploded view of a mandrel and enforced with this mandrel profiling a
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a hollow shaft with a sensor device arranged therein and with an amplifier and transmission device
  • Fig. 8 is a schematic and partially sectioned illustration of a sensor device with several
  • Circumferential direction formed positive connection between the sensor device and the surrounding hollow shaft section
  • 11 shows a schematic illustration of a partial region of the sensor device which is fixed in a form-fitting manner in the peripheral direction in a surrounding region of the hollow-shaft section
  • 12 is a schematic representation of a differently configured sensor device with several
  • piezoelectrically contacted quartz disks wherein the sensor device is arranged in a shaft with a hollow shaft section bounded in the axial direction.
  • FIGS. 1 to 4 show different examples
  • a mandrel 4 is introduced, which has a first portion 5 with a slightly smaller radius and a second portion 6 with a slightly larger radius.
  • the respective end regions of the two sections 5 and 6 each have a circumferentially profiled chamfer 7 and 8.
  • Section 5 and the distance between the two chamfers 7 and 8 correspond approximately to the length of the sensor device 2 in the axial direction, wherein the sensor device 2 is expediently somewhat longer.
  • Rotary swaging reduced in terms of the circumference, so that an outer circumference already corresponds to the desired shape of the hollow shaft 1.
  • Machine tool 9 is displaced, formed at a front end 12 of the mandrel 4, an inwardly projecting annular formation 12. The flowing in this area inward material of the blank 3 flows to the in
  • the inclination angle ⁇ of the contact surface 13 relative to the center axis 11 is about 21 °.
  • Machine tool 9 becomes a conically tapered
  • Region 14 of the blank 3 in the region of the chamfer 8 of the mandrel 4 is generated. This area 14 also has a
  • a second mandrel 16 is inserted into the blank 3 and pressed against a second end face 17 of the sensor device 2, so that the sensor device 2 is under axial bias.
  • the second mandrel 16 has a diameter which corresponds to the diameter of the first portion 5 of the mandrel 4.
  • the mandrel 16 also has a chamfer 19, as shown in Fig. 3.
  • the second Mandrel 16 could also be the first mandrel 4 again introduced and to the second end face 17 of the sensor device. 2
  • the blank 3 with the sensor device 2 arranged therein is used together with the mandrel 16 relative to the
  • Machine tool 9 shifts while with the
  • a second inwardly projecting formation 20 forms, whose shape by the second
  • End face 17 of the sensor device 2 and the chamfer 19 of the mandrel 16 is specified.
  • One of the sensor device 2 facing contact surface 21 of the molding 20 retains in
  • the profiling of the conically tapering portion 14, which is transferred to the second inwardly projecting formation 20 is fixed under the predetermined by the mandrel 16 bias in the axial direction positively between the first inwardly projecting formation 12 and the newly formed second inwardly projecting formation 20, wherein a nestling of the conically tapered portion 14 to the second end face 17th to an additional axially directed force component or bias in the
  • Sensor device 2 leads.
  • the finished hollow shaft 1 with the sensor device 2 defined therein is shown in FIG. Due to the forming process and the material flow forced thereby, the sensor device 2 is compressed and compressed in the axial direction, so that the prestressing is produced or maintained during the diameter-reducing forming process.
  • the angle of inclination of the first radially inwardly projecting formation 12 can also be specified differently, since the contact surface 13 can be designed exclusively with the aim of reliable positive engagement. In contrast, the angle of inclination in the contact surface 21 of the second inwardly projecting formation 20 is also in view of the desired material flow during the
  • Sensor device 2 rotatably fixed between the two inwardly projecting protrusions 12 and 20 in an interior of the hollow shaft 1.
  • the sensor device 2 has a suitable sensor carrier 22, on which a plurality of deformation sensors 23 are fixed. The measured with the deformation sensors 23
  • Fig. 2 shown manufacturing step for illustration in exploded view.
  • the Profiles of the chamfers 7 and 8 of the dome 4 generate a profiling of the contact surfaces 13 and 21 adapted thereto, between which the sensor device 2 is rotationally fixed in the circumferential direction and biased in the axial direction, in each case positively fixed.
  • FIG. 7 shows, by way of example, the sensor device 2 defined in the hollow shaft 1 between the two radially inwardly projecting formations 12 and 20, together with an amplifier and transmission device 24 and an antenna 25 for the wireless transmission of the sensor values to an external evaluation device (not shown) ,
  • the amplifier and transmission device 24 is arranged directly adjacent to the sensor device 2 in the hollow shaft 1 and electrically conductively connected through the end face 15 with the deformation sensors 23 on the sensor carrier 22.
  • the amplifier and transmission device 24 is located in one
  • Cavity 26 in the interior of the sensor carrier 22 The glued in a radially recessed belt portion 27 of the sensor carrier 22 on an outer circumferential surface 28
  • Deformation sensors 23 are electrically conductive with the
  • Amplifier and transmitter 24 connected.
  • the antenna 25 is guided out of the sensor carrier 22 in the axial direction through a seal 29.
  • a reliable positive connection with the surrounding hollow shaft 1, or with the contact surfaces 13 and 21 of the radially inwardly projecting protrusions 12th and 20 to allow the sensor device 2 on both end faces 15 and 17 each have a number of tooth-shaped, or nose-shaped formations 30.
  • Sensor device 2 can be produced in various ways.
  • Embodiment is given by a suitable profiling of the chamfers 7 and 8 of the inside of the blank 3 arranged dome 4 an adapted thereto, or thereby forced profiling of the contact surface 13 and the tapered portion 14.
  • the two end faces 15 and 17 of the subsequently introduced sensor device 2 are made of a less hard material than the blank 3, so that its profiling is maintained at an axial pressing of the sensor device 2 and a subsequent forming of the tapered portion 14 and adapted thereto profiling of End faces 15 and 17 of the sensor device 2 is forced.
  • End faces 15 and 17 of the sensor device 2 predetermined and transmitted to the contact surfaces 13 and 21 of the radially inwardly projecting protrusions 12 and 20.
  • a in Fig. 11 is a schematic
  • FIG. 11 Illustrating in FIG. 11 is only a partial area of the sensor device 2 in the illustration on the right
  • the sensor device 2 is arranged in a blind hole 31 in a shaft 32.
  • Sensor device 2 has a plurality of piezoelectric
  • Planing direction levels which are arranged in series in the axial direction one behind the other.

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Abstract

Bei einem Maschinenelement mit einem Hohlwellenabschnitt und mit einer Sensoreinrichtung (2) zur Erfassung einer sich auf den Hohlwellenabschnitt auswirkenden mechanischen Beanspruchung ist die Sensoreinrichtung (2) in dem Hohlwellenabschnitt angeordnet, wobei der Hohlwellenabschnitt eine erste radial nach innen ragende Ausformung (12) und eine zweite radial nach innen ragende Ausformung (20) aufweist und die Sensoreinrichtung (2) mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen ragenden Ausformung (12) und der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung (20) formschlüssig festgelegt ist. Bei einem Herstellungsverfahren zur Herstellung des Maschinenelements wird in einem ersten Ausformungsschritt eine erste radial nach innen vorspringende Ausformung (12) in dem Hohlwellenabschnitt des Maschinenelements erzeugt, in einem nachfolgenden Sensoranordnungsschritt eine Sensoreinrichtung (2) in dem Hohlwellenabschnitt an der ersten radial nach innen vorspringenden Ausformung (12) formschlüssig angelegt und in einem nachfolgenden Festlegungsschritt die zweite radial nach innen vorspringende Ausformung (20) in dem Hohlwellenabschnitt erzeugt, durch den die Sensoreinrichtung (2) mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen vorspringenden Ausformung (12) und der zweiten radial nach innen vorspringenden Ausformung (20) formschlüssig festgelegt wird.

Description

Maschinenelement mit einer Sensoreinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements
Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement mit einem
Hohlwellenabschnitt und mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer sich auf den Hohlwellenabschnitt
auswirkenden mechanischen Beanspruchung, wobei die
Sensoreinrichtung in dem Hohlwellenabschnitt angeordnet ist . Rohr- oder stabförmige Maschinenelemente finden als Wellen oder Hohlwellen, als Achsen oder als Stabstrukturen in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus Verwendung. Eine möglichst umfassende und präzise Kenntnis über die sich während der Herstellung und Montage, aber auch während der bestimmungsgemäßen Nutzung auf die Maschinenelemente auswirkenden mechanischen Beanspruchungen ist sowohl während der Entwicklungsphase eines neuartigen
Maschinenelements als auch während der Verwendung und über die gesamt Nutzungsdauer des Maschinenelements von großem Interesse.
Um die auf das Maschinenelement einwirkenden mechanischen Kräfte und Momente erfassen zu können werden insbesondere in Prüfständen und Entwicklungsversuchen geeignete Sensoren von außen auf einer Oberfläche des Maschinenelements festgelegt und die Sensorwerte erfasst und ausgewertet . In vielen Fällen können dabei Dehnungsmessstreifen verwendet
BESTÄTIGUNGSKOPIE werden, mit denen bereits geringfügige Verformungen an der Oberfläche des Maschinenelements kostengünstig und
zuverlässig erfasst werden können. Eine kontinuierliche Erfassung von Sensorwerten ist
beispielsweise in der Wägetechnik, in der Lastüberwachung sowie in der Produktionsüberwachung und
Produktionssteuerung vorteilhaft und gegebenenfalls
notwendig. Neben einer permanenten Zustandsüberwachung sind auch Sensoreinrichtungen und Verwendungsmöglichkeiten bekannt, mit denen Strukturschädigungen wie beispielsweise Risse oder plastische Verformungen frühzeitig erkannt werden können, die möglicherweise zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Maschinenelements oder zu einer
Beschädigung führen können und die Betriebsdauer und die Zuverlässigkeit des Maschinenelements reduzieren. In
Abhängigkeit von den mit der Sensoreinrichtung erfassten Veränderungen oder Strukturschädigungen kann gegebenenfalls ein demnächst drohendes Versagen des Maschinenelements erkannt werden, bevor ein kritischer Zustand eintritt.
Um eine möglichst zuverlässige und präzise Erfassung der sich auf das Maschinenelement auswirkenden mechanischen Beanspruchungen zu ermöglichen ist eine möglichst präzise und dauerhafte Festlegung der Sensoreinrichtung an dem Maschinenelement erforderlich. Gleichzeitig sollte
vermieden werden, dass die Sensoreinrichtung während der Messdauer, während der bestimmungsgemäßen Verwendung und auch während der Herstellung und Montage einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt wird, die zu Fehlmessungen oder zu einer Beschädigung der Sensoreinrichtung führen könnten. Gleichzeitig sollten im Vergleich zu einem herkömmlichen Maschinenelement auf Grund der Sensoren keine
Einschränkungen und der Handhabung und im Gebrauch
auftreten, wie sie beispielsweise durch auf einer
Außenseite des Maschinenelements aufgebrachte Sensoren oder durch Fügestellen verursacht werden, die gegebenenfalls für die Anbringung von Sensoren erforderlich werden.
Es ist beispielsweise aus EP 1 597 128 Bl bekannt, dass die Sensoreinrichtung zum Schutz vor äußerlichen Einwirkungen und Umgebungsbedingungen in einen Hohlraum einer Welle angeordnet ist. Die Sensoreinrichtung ist in dem Hohlraum der Welle vor betriebsbedingten mechanischen und
schematischen Einflüssen sowie vor eventuell mutwilligen Beschädigungen geschützt. Mit der in dem Hohlraum
angeordneten Sensoreinrichtung können Schwingungen und
Körperschall des Maschinenelements erfasst und ausgewertet werden. Eine dauerhaft präzise Festlegung der
Sensoreinrichtung in dem Hohlraum ist nicht erforderlich, da bei der in Rede stehenden Ausgestaltung keine Verformung des Hohlraums des Maschinenelements mit der
Sensoreinrichtung erfasst werden soll.
Es sind Hohlwellen bekannt, bei denen eine
Sensoreinrichtung in einem Innenraum der Hohlwelle klebend festgelegt oder kraftschlüssig eingepresst ist. Obwohl die Position der Sensoreinrichtung innerhalb der Hohlwelle vergleichsweise genau vorgegeben werden kann, eignen sich derart angeordnete Sensoreinrichtungen nur bedingt zur umfassenden Erfassung von axialen und radialen Verformungen der Hohlwelle, da eine zuverlässige Auswertung der
Sensorsignale üblicherweise voraussetzt, dass der
betreffende Sensor oder die Sensoreinrichtung mit einer Vorspannung an der Messstelle festgelegt sind. Zudem fällt ein erheblicher Montageaufwand für die Anordnung und
Festlegung der Sensoreinrichtung an. Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Maschinenelement der eingangsgenannten
Gattung so auszugestalten, dass die Sensoreinrichtung möglichst geschützt an dem Maschinenelement angeordnet ist und über einen möglichst langen Zeitraum eine zuverlässige und präzise Erfassung einer sich auf das Maschinenelement auswirkenden mechanischen Beanspruchung erlaubt .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hohlwellenabschnitt des Maschinenelements eine erste radial nach innen ragende Ausformung und eine zweite radial nach innen ragende Ausformung aufweist, und dass die
Sensoreinrichtung mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen ragenden Ausformung und der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung formschlüssig festgelegt ist. Die beiden radial nach innen ragenden
Ausformungen können beispielsweise umlaufende Wulste in einer zylinderförmigen, einen Innenraum des
Hohlwellenabschnitts begrenzenden Oberfläche sein. In vorteilhafter Weise weisen die radial nach innen ragenden Ausformungen jeweils einen geringeren Innendurchmesser als die in axialer Richtung auf beiden Seiten der jeweiligen Ausformung angrenzenden Bereiche des Hohlwellenabschnitts auf. Eine besonders geringe Beeinflussung und
Beeinträchtigung der Eigenschaften des Hohlwellenabschnitts kann dadurch erreicht werden, dass bei jeder nach innen ragenden Ausformung die beiden angrenzenden Bereiche des Hohlwellenabschnitts einen übereinstimmenden ersten Innendurchmesser aufweisen und dass die dazwischen
ausgebildete radial nach innen vorspringende Ausformung einen zweiten Innendurchmesser aufweist, der geringer als der erste Innendurchmesser ist .
Die radial nach innen vorspringende Ausformung kann eine dreieckige Querschnittsfläche mit sich verjüngenden bzw. konisch zulaufenden Seitenflächen aufweisen. Es ist
ebenfalls möglich, dass die radial nach innen vorspringende Ausformung eine asymmetrische Formgebung der
Querschnittsfläche aufweist.
Die nach innen ragenden Ausformungen können jeweils eine oder mehrere Anschlagflächen bilden, an denen einander gegenüberliegende Stirnseiten der Sensoreinrichtung
anliegen können.
Die Sensoreinrichtung ist zwischen den beiden radial nach innen ragenden Ausformungen formschlüssig festgelegt, sodass eine unerwünschte axiale Verlagerung der
Sensoreinrichtung ausgeschlossen werden kann. Zudem kann durch die Vorgabe eines Abstands der einander zugewandten Anschlagflächen der nach innen vorspringenden Ausformungen in axialer Richtung einen Anpressdruck auf die dazwischen befindliche Sensoreinrichtung ausgeübt werden und dadurch eine axiale Vorspannung der Sensoreinrichtung erzwungen werden.
Die axiale Vorspannung kann dabei ausreichend groß
vorgegeben werden, so dass die Sensoreinrichtung
kraftschlüssig hinreichend drehfest relativ zu dem
umgebenden Hohlwellenabschnitt festgelegt ist, um auch angreifende Drehmomente und Torsionsbelastungen zuverlässig erfassen zu können. Die axiale Vorspannung ist dabei zweckmäßigerweise auch ausreichend groß vorgegeben, um schleichenden Kriecheffekten entgegenzuwirken, die
ansonsten bei den üblicherweise auftretenden Temperaturen und mechanischen Belastungen während der bestimmungsgemäßen Verwendung auftreten könnten. Durch die Vorspannung der Sensoreinrichtung kann zudem bei geeignet ausgewählten und angebrachten Sensoren ein Messsignal ermöglicht werden, das über weite Bereiche linear von der zu messenden Verformung abhängt und eine präzise Auswertung erleichtert.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zu Folge ist vorgesehen, dass die erste radial nach innen ragende Ausformung und/oder die zweite radial nach innen ragende Ausformung eine in einem Winkel zu einer
Mittenachse des Hohlwellenabschnitts geneigte
Anschlagfläche aufweisen. Die Anschlagfläche kann
beispielsweise einen Winkel, bzw. eine Neigung der
Anschlagsfläche zwischen 20 und 30 Grad aufweisen. Die radial nach innen ragenden Ausformungen lassen sich mit einer in einem Winkel geneigten Anschlagfläche einfach und kostengünstig herstellen. Zudem kann durch eine geneigte Anschlagfläche die gewünschte Vorspannung der
Sensoreinrichtung mit geringen Fehlertoleranzen über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.
Bei rotationssymmetrisch ausgestalteten Maschinenelementen und insbesondere bei bestimmungsgemäß rotierenden
Maschinenelementen ist es zweckmäßig, dass die erste radial nach innen ragende Ausformung und/oder die zweite radial nach innen ragende Ausformung in Umfangsrichtung eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen. Auf diese Weise kann mit einer gleichbleibenden bzw.
rotationssymmetrischen Formgebung der Ausformungen das Risiko einer unerwünschten Unwucht während der
bestimmungsgemäßen Rotation des Maschinenelements reduziert werden. Zudem wird durch die in Umfangsrichtung
gleichbleibende Querschnittsfläche der nach innen ragenden Ausformungen eine Ausrichtung der Sensoreinrichtung längs einer Mittenachse begünstigt und das Risiko unerwünschter Querkraftkomponenten, die in radialer Richtung auf die
Sensoreinrichtung einwirken könnten, erheblich reduziert.
Um die Sensoreinrichtung möglichst verdrehsicher innerhalb des Hohlwellenabschnitts festzulegen ist vorgesehen, dass eine Anschlagfläche der ersten radial nach innen ragenden Ausformung und/oder eine Anschlagfläche der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung eine in Umfangsrichtung profilierte Oberfläche aufweist, die mit der
Sensoreinrichtung einen Eingriff bildet. Die in
Umfangsrichtung profilierte Oberfläche kann beispielsweise eine wellenförmige oder zahnförmige Strukturierung
aufweisen. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Oberfläche in axialer Richtung verlaufende Nuten oder Wulste aufweist. Die Oberfläche kann auch aufgeraut oder mit einer
ausreichend unebenen oder rauen Beschichtung versehen sein.
In Abhängigkeit von der vorgegebenen Profilierung dieser Oberfläche bildet sich nach dem Einbringen und Festlegen der Sensoreinrichtung ein Eingriff mit einem hohen
Kraftschluss und gegebenenfalls auch mit einem Formschluss zwischen der Sensoreinrichtung und der profilierten
Oberfläche aus. Durch diesen Eingriff wird die Sensoreinrichtung drehfest in dem Hohlwellenabschnitt festgelegt, sodass auch große Drehmomente zuverlässig erfasst werden können. Um das Einführen und die zuverlässige Positionierung der Sensoreinrichtung zwischen den nach innen ragenden
Ausformungen zu erleichtern ist vorgesehen, dass die
Sensoreinrichtung eine erste Stirnseite und/oder eine zweite Stirnseite mit einem umlaufenden Randbereich und mit einer in dem Randbereich ausgebildeten Fase aufweist.
Um den Eingriff zwischen der Sensoreinrichtung und den nach innen ragenden Ausformungen zu verstärken und zu
begünstigen ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung eine erste Stirnseite und/oder eine zweite Stirnseite mit einem umlaufenden Randbereich mit einer in Umfangsrichtung profilierten Formgebung aufweist, die mit der ersten radial nach innen ragenden Ausformung bzw. der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung einen Eingriff bildet. Die in Umfangsrichtung profilierte Formgebung in dem Randbereich der Stirnseiten der Sensoreinrichtung ist zweckmäßigerweise an die Oberflächenprofilierung der Anschlagflächen der nach innen ragenden Ausformungen angepasst. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand eine zuverlässige und äußerst
drehfeste Befestigung der Sensoreinrichtung in dem
Hohlwellenabschnitt erfolgen. Die in Umfangsrichtung profilierte Formgebung kann in vorteilhafter Weise mit einer ebenfalls umlaufenden Fase kombiniert werden. Durch einen derartigen formschlüssigen Eingriff in
Umfangsrichtung kann erreicht werden, dass die
Sensoreinrichtung verdrehsicher in dem Hohlwellenabschnitt festgelegt ist und dabei Drehmomente und durch Torsion verursachte Verformungen zuverlässig und präzise mit der Sensoreinrichtung erfasst werden können. Ein unerwünschtes Verdrehen der Sensoreinrichtung relativ zu dem umgebenden Hohlwellenabschnitt tritt erst dann ein, wenn die von außen einwirkenden Kräfte und Momente eine plastische Verformung des formschlüssigen Eingriffs zwischen der
Sensoreinrichtung und den angrenzenden radial nach innen vorspringenden Ausformungen erzwingen, bzw. den
formschlüssigen Eingriff zerstören.
Es ist vorteilhaft, dass die Sensoreinrichtung eine an eine Formgebung der ersten bzw. zweiten radial nach innen ragenden Ausformung angepasste Formgebung des umlaufenden Randbereichs einer ersten Stirnseite und/oder zweiten
Stirnseite der Sensoreinrichtung aufweist. Auf diese Weise kann eine möglichst große Kontaktfläche ermöglicht werden und erreicht werden, dass die Sensoreinrichtung auch bei nur geringförmig nach Innen ragenden Ausformungen
großflächig an entsprechenden Anschlagflächen dieser
Ausformungen anliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die
Sensoreinrichtung mindestens einen Verformungssensor aufweist. Geeignete Vorformungssensoren sind beispielsweise Dehnungsmessstreifenanordnungen oder Piezosensoren, bzw. Quarzscheibensensoren, mit denen kostengünstig sehr präzise Messungen von Verformungen des Hohlwellenabschnitts möglich sind, die durch eine einwirkende mechanische Beanspruchung erzeugt werden. Durch die in axialer Richtung erzeugte Vorspannung der Sensoreinrichtung können die jeweils verwendeten Verformungssensoren mit einer entsprechenden Vorspannung betrieben werden und dadurch nicht nur Momente, sondern auch in axialer Richtung einwirkende Zug-und
Druckkräfte zuverlässig erfasst werden. Zudem weisen zahlreiche Verformungssensoren, die unter Vorspannung an dem jeweiligen Messort festgelegt werden können, über einen weiten Messbereich hinweg eine lineare und damit dauerhaft präzise auswertbare Abhängigkeit der jeweils erzeugten Sensorsignale von der verursachenden Verformung auf. Eine Anordnung mehrerer in Reihe geschalteter
piezoelektrischer Elementarsensoren wie beispielsweise eine Kombination von mehreren Quarzen mit verschiedenen
Schnittrichtungsebenen erlaubt eine Erfassung mehrerer verschieden gerichteter Komponenten von einwirkenden
Kräften und Momenten und bietet darüber hinaus auch den Vorteil, dass ein aufwändiges Verkleben von anderen
Elementarsensoren wie beispielsweise von
Dehnungsmessstreifen entfällt. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, dass das Maschinenelement eine Welle ist. Der Hohlwellenabschnitt kann sich auch in axialer Richtung im Wesentlichen über die gesamte Welle hinweg erstrecken, so dass das
Maschinenelement eine Hohlwelle ist. Es ist ebenfalls möglich, dass der Hohlwellenabschnitt in axialer Richtung lediglich eine kurze Erstreckung aufweist, die an die
Abmessungen der darin aufzunehmenden Sensoreinrichtung angepasst ist, so dass nur eine möglichst geringe
mechanische Beeinflussung einer massiven Welle oder eines massiven Maschinenelements auftritt. Das Maschinenelement kann auch eine Achse oder eine stabförmige Komponente einer Stabstruktur in einer Maschine oder Anlage sein. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements mit einem Hohlwellenabschnitt und mit einer darin angeordneten Sensoreinrichtung zur Messung einer sich auf den Hohlwellenabschnitt auswirkenden
mechanischen Beanspruchung. Erfindungsgemäß wird dabei in einem ersten Ausformungsschritt eine erste radial nach innen vorspringende Ausformung in dem Hohlwellenabschnitt des Maschinenelements erzeugt . In einem nachfolgenden
Sensoranordnungsschritt wird eine Sensoreinrichtung in dem Hohlwellenabschnitt an der ersten radial nach innen
vorspringenden Ausformung formschlüssig angelegt. In einem nachfolgenden Festlegungsschritt wird eine zweite radial nach innen vorspringende Ausformung in dem
Hohlwellenabschnitt erzeugt, durch welche die
Sensoreinrichtung mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen vorspringenden Ausformung und der zweiten radial nach innen vorspringenden Ausformung formschlüssig festgelegt wird.
Während des ersten Ausformungsschritts kann ein
umformtechnisches Verfahren zur Reduzierung eines
Durchmessers des Hohlwellenabschnitts durchgeführt werden. Die Anordnung und Festlegung der Sensoreinrichtung wird demzufolge erfindungsgemäß in den Herstellungsprozess des Maschinenelements integriert, was mit geringem zusätzlichem Aufwand möglich ist. Dabei kann bereits während der
Einführung der Sensoreinrichtung in den Hohlwellenabschnitt und insbesondere während der Ausbildung der zweiten radial nach innen vorspringenden Ausformung, durch welche die axiale Vorspannung der Sensoreinrichtung erzeugt und die Sensoreinrichtung in dem Hohlwellenabschnitt festgelegt wird, eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung von Sensorsignalen erfolgen. Dadurch lassen sich sowohl die gewünschte Vorspannung der Sensoreinrichtung zuverlässig vorgeben als auch eine funktionsfähige und geeignete
Festlegung der Sensoreinrichtung in dem Hohlwellenabschnitt überprüfen.
Die Herstellung des Maschinenelements kann besonders kostengünstig und einfach dadurch erfolgen, dass die erste radial nach innen vorspringende Ausformung und die zweite radial nach innen vorspringende Ausformung durch
Kaltmassivumformung erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, dass das Maschinenelement im
Bereich der radial nach innen vorspringenden Ausformungen aus einem Material besteht, das für eine
Kaltmassivumformung geeignet ist. Da für zahlreiche
Verwendungszwecke und Einsatzbereiche das Maschinenelement aus Metall bestehen kann oder soll, lässt sich für
derartige Maschinenelemente das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren in vorteilhafter Weise in Kombination mit einer Kaltmassivumformung einsetzen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die radial nach innen vorspringenden Ausformungen durch Rundkneten erzeugt werden. Zweckmäßigerweise werden zumindest der
Hohlwellenabschnitt und gegebenenfalls das gesamte
Maschinenelement ausgehend von einem Rohling durch
Rundkneten in die gewünschte Formgebung überführt. Für eine besonders einfache Integration der Sensoreinrichtung ist eine vorgefertigte Rohlingformgebung zweckmäßig, die an das Herstellungsverfahren angepasste Außen- und Innenkonturverläufe aufweist . Zu diesem Zweck kann ein in den Hohlraum eingeführter Dorn verwendet werden, der eine geeignete Ausgestaltung und Formgebung eines Endbereichs aufweist und in Abhängigkeit von seiner Positionierung innerhalb des Hohlwellenabschnitts die mit dem Rundkneten erzwungene Formgebung einer radial nach innen
vorspringenden Ausformung beeinflusst, beziehungsweise vorgibt . Um möglichst kostengünstig eine geeignete Profilierung von Anschlagflächen der nach innen vorspringenden Ausformungen zu erzeugen ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass mit einem in dem Hohlwellenabschnitt eingeführten Dorn eine in Umfangsrichtung profilierte Formgebung der ersten und/oder zweiten radial nach innen vorspringenden Ausformung
vorgegeben wird. Der Dorn weist zu diesem Zweck eine
Profilierung in seinem Endbereich auf, die eine Negativform der gewünschten Profilierung der nach innen vorspringenden Ausformungen darstellt. Während der Kaltmassivumformung des Maschinenelements fließt etwas Material des Rohlings, bzw. des Maschinenelements in die durch den Endbereich des Dorns vorgegebene Negativform, wodurch eine entsprechende
Profilierung der radial nach innen vorspringenden
Ausformungen erzeugt wird. Nach dem Entfernen des Dorns aus dem Hohlwellenabschnitt bleibt die vorgegebene
Oberflächenprofilierung bestehen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 bis 4 eine schematische Darstellung eines
Verfahrensablaufs während der Herstellung einer Hohlwelle mit einer darin angeordneten Sensoreinrichtung, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine zum Rundkneten während der Bearbeitung eines
Hohlwellenabschnitts ,
Fig. 6 in auseinandergezogener Darstellung ein Dorn und eine mit diesem Dorn erzwungene Profilierung eines
Hohlwellenabschnitts während der erfindungsgemäßen
Herstellung der Hohlwelle mit der darin angeordneten
Sensoreinrichtung, Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Hohlwelle mit einer darin angeordneten Sensoreinrichtung sowie mit einer Verstärker- und Übertragungseinrichtung,
Fig. 8 eine schematische und teilweise geschnitten gezeigte Darstellung einer Sensoreinrichtung mit mehreren
Verformungssensoren in einem radial zurückgesetzten
Gürtelbereich,
Fig. 9 und 10 jeweils eine schematische Darstellung von verschiedenen Möglichkeiten zur Erzeugung eines in
Umfangsrichtung ausgebildeten Formschlusses zwischen der Sensoreinrichtung und dem umgebenden Hohlwellenabschnitt,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs der Sensoreinrichtung, die in Umfangsrichtung formschlüssig in einem umgebenden Bereich des Hohlwellenabschnitts festgelegt ist, und Fig. 12 eine schematische Darstellung einer abweichend ausgestalteten Sensoreinrichtung mit mehreren
piezoelektrisch kontaktierten Quarzscheiben, wobei die Sensoreinrichtung in einer Welle mit einem in axialer Richtung begrenzten Hohlwellenabschnitt angeordnet ist.
In den Fig. 1 bis 4 werden exemplarisch verschiedene
Schritte innerhalb eines erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens gezeigt, mit dem eine Hohlwelle 1 mit einer darin unter Vorspannung festgelegten
Sensoreinrichtung 2 hergestellt wird.
Für die Herstellung kann ein rohrförmiger Rohling 3 verwendet werden, wie er in Fig. 1 gezeigt ist. In den rohrförmigen Rohling 3 wird ein Dorn 4 eingeführt, der einen ersten Abschnitt 5 mit einem etwas geringeren Radius und einen zweiten Abschnitt 6 mit einem etwas größeren Radius aufweist. Die jeweiligen Endbereiche der beiden Abschnitte 5 und 6 weisen jeweils eine in Umfangsrichtung profilierte Fase 7 und 8 auf. Die Länge des ersten
Abschnitts 5 und der Abstand der beiden Fasen 7 und 8 entsprechen näherungsweise der Länge der Sensoreinrichtung 2 in axialer Richtung, wobei die Sensoreinrichtung 2 zweckmäßigerweise etwas länger ist.
Mit einer geeigneten Werkzeugmaschine 9, die beispielhaft in Fig. 5 dargestellt ist, wird ein in Fig. 2 rechts befindlicher erster Abschnitt des Rohlings 3 durch
Rundkneten hinsichtlich des Umfangs reduziert, so dass ein äußerer Umfang bereits der gewünschten Formgebung der Hohlwelle 1 entspricht. Bei einer geeigneten Relativbewegung der einzelnen Rundknetwerkzeuge 10, die oszillierend auf den Rohling 3 einwirken, während der
Rohling 3 längs seiner Mittenachse 11 relativ zu der
Werkzeugmaschine 9 verlagert wird, entsteht an einem vorderen Ende 12 des Dorns 4 eine nach innen ragende ringförmige Ausformung 12. Das in diesem Bereich nach innen fließende Material des Rohlings 3 fließt an die in
Umfangsrichtung profilierte Fase 7 des Dorns 3, der als Negativform wirkt und eine entsprechende Profilierung einer schrägen Anlagefläche 13 der nach innen ragenden Ausformung 12 erzeugt. Der Neigungswinkel α der Anlagefläche 13 relativ zu der Mittenachse 11 beträgt etwa 21°.
Durch eine Bearbeitung des Rohlings 3 mit der
Werkzeugmaschine 9 wird ein sich konisch verjüngender
Bereich 14 des Rohlings 3 im Bereich der Fase 8 des Dorns 4 erzeugt. Auch dieser Bereich 14 weist eine an die
Profilierung der Fase 8 angepasste, bzw. dadurch
vorgegebene Profilierung in Umfangsrichtung auf.
Anschließend wird der Dorn 4 herausgezogen und die
Sensoreinrichtung 2 in den Rohling 3 eingeführt, bis eine erste Stirnseite 15 der Sensoreinrichtung 2 an der nach innen ragenden Ausformung 12 anliegt. Danach wird ein zweiter Dorn 16 in den Rohling 3 eingeführt und an eine zweite Stirnseite 17 der Sensoreinrichtung 2 angedrückt, so dass die Sensoreinrichtung 2 unter axialer Vorspannung steht. Der zweite Dorn 16 weist einen Durchmesser auf, der dem Durchmesser des ersten Abschnitts 5 des Dorns 4 entspricht. An einem der Sensoreinrichtung 2 zugewandten vorderen Ende 18 weist der Dorn 16 ebenfalls eine Fase 19 auf, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Anstelle des zweiten Dorns 16 könnte auch der erste Dorn 4 wieder eingeführt und an die zweite Stirnseite 17 der Sensoreinrichtung 2
angedrückt werden. Der Rohling 3 mit der darin angeordneten Sensoreinrichtung 2 wird zusammen mit dem Dorn 16 relativ zu der
Werkzeugmaschine 9 verlagert, während mit den
oszillierenden Rundknetwerkzeugen 10 über den zunächst noch sich konisch verjüngenden Bereich 14 hinweg der Rohling 3 in die endgültige Formgebung der Hohlwelle 1 überführt wird. Dabei bildet sich eine zweite nach innen ragende Ausformung 20 aus, deren Formgebung durch die zweite
Stirnseite 17 der Sensoreinrichtung 2 und die Fase 19 des Dorns 16 vorgegeben wird. Eine der Sensoreinrichtung 2 zugewandte Anlagefläche 21 der Ausformung 20 behält im
Wesentlichen die Profilierung des sich konisch verjüngenden Bereichs 14 bei, der in die zweite nach innen ragende Ausformung 20 überführt wird. Die Sensoreinrichtung 2 wird unter der durch den Dorn 16 vorgegebenen Vorspannung in axialer Richtung formschlüssig zwischen der ersten nach innen ragenden Ausformung 12 und der neu gebildeten zweiten nach innen ragenden Ausformung 20 festgelegt, wobei ein Anschmiegen des sich konisch verjüngenden Bereichs 14 an die zweite Stirnseite 17 zu einer zusätzlichen axial gerichteten Kraftkomponente bzw. Vorspannung in der
Sensoreinrichtung 2 führt. Die fertiggestellte Hohlwelle 1 mit der darin festgelegten Sensoreinrichtung 2 ist in Fig. 4 abgebildet. Durch den Umformvorgang und den dadurch erzwungenen Materialfluss wird die Sensoreinrichtung 2 in axialer Richtung zusammengepresst und gestaucht, so dass die Vorspannung während des den Durchmesser reduzierenden Umformvorgangs erzeugt bzw. aufrecht erhalten wird. Der Neigungswinkel der ersten radial nach innen ragenden Ausformung 12 kann auch abweichend vorgegeben werden, da die Anlagefläche 13 ausschließlich mit dem Ziel eines zuverlässigen Formschlusses gestaltet werden kann. Dagegen ist der Neigungswinkel bei der Anlagefläche 21 der zweiten nach innen ragenden Ausformung 20 auch im Hinblick auf den gewünschten Materialfluss während des
Umformvorgangs und für die Erzeugung einer in axialer
Richtung wirkenden Querkraft bei dem radial einwirkenden Rundknetvorgang von Bedeutung und sollte deshalb
zweckmäßigerweise in einem Bereich zwischen 20° und 30° liegen. Durch die vorab erzeugte Profilierung in Umfangsrichtung des sich verjüngenden Bereichs 14 sowie durch eine
entsprechende Profilierung der ersten nach innen ragenden Ausformung 12 wird gleichzeitig ein formschlüssiger
Eingriff in Umfangsrichtung erzeugt und die
Sensoreinrichtung 2 drehfest zwischen den beiden nach innen ragenden Ausformungen 12 und 20 in einem Innenraum der Hohlwelle 1 festgelegt.
Die Sensoreinrichtung 2 weist einen geeigneten Sensorträger 22 auf, an dem mehrere Verformungssensoren 23 festgelegt sind. Die mit den Verformungssensoren 23 gemessenen
Sensorwerte können beispielsweise drahtlos an eine
Auswerteeinrichtung übermittelt werden. In Fig. 6 sind der Dorn 4 und der Rohling 3 nach dem in
Fig. 2 gezeigten Fertigungsschritt zur Veranschaulichung in auseinandergezogener Darstellung abgebildet. Die Profilierungen der Fasen 7 und 8 des Doms 4 erzeugen eine daran angepasste Profilierung der Anlageflächen 13 und 21, zwischen denen die Sensoreinrichtung 2 in Umfangsrichtung drehfest und in axialer Richtung vorgespannt jeweils formschlüssig festgelegt wird.
In Fig. 7 ist exemplarisch die in der Hohlwelle 1 zwischen den beiden radial nach innen vorspringenden Ausformungen 12 und 20 festgelegte Sensoreinrichtung 2 zusammen mit einer Verstärker- und Übermittlungseinrichtung 24 sowie einer Antenne 25 zur drahtlosen Übermittlung der Sensorwerte an eine externe und nicht dargestellte Auswerteeinrichtung dargestellt. Die Verstärker- und Übermittlungseinrichtung 24 ist unmittelbar benachbart zu der Sensoreinrichtung 2 in der Hohlwelle 1 angeordnet und durch die Stirnseite 15 hindurch elektrisch leitend mit den Verformungssensoren 23 auf dem Sensorträger 22 verbunden.
Bei einer in Fig. 8 exemplarisch dargestellten abweichenden Ausgestaltung der Sensoreinrichtung 2 befindet sich die Verstärker- und Übermittlungseinrichtung 24 in einem
Hohlraum 26 im Inneren des Sensorträgers 22. Die in einem radial zurückgesetzten Gürtelbereich 27 des Sensorträgers 22 auf einer äußeren Umfangsfläche 28 festgeklebten
VerformungsSensoren 23 sind elektrisch leitend mit der
Verstärker- und Übermittlungseinrichtung 24 verbunden. Die Antenne 25 ist in axialer Richtung durch eine Abdichtung 29 hindurch aus dem Sensorträger 22 herausgeführt. Um in Umfangsrichtung einen zuverlässigen Formschluss mit der umgebenden Hohlwelle 1, bzw. mit den Anlageflächen 13 und 21 der radial nach innen vorspringenden Ausformungen 12 und 20 zu ermöglichen weist die Sensoreinrichtung 2 auf beiden Stirnseiten 15 und 17 jeweils eine Anzahl von zahnförmigen, bzw. nasenförmigen Ausformungen 30 auf. Die Profilierung der Anlageflächen 13 und 21 sowie die
Ausbildung von zahnförmigen bzw. nasenförmigen Ausformungen 30 im Bereich der Stirnseiten 15 und 17 der
Sensoreinrichtung 2 kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden.
Bei dem in Fig. 9 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel wird durch eine geeignete Profilierung der Fasen 7 und 8 des innen in dem Rohling 3 angeordneten Doms 4 eine daran angepasste, bzw. dadurch erzwungene Profilierung der Anlagefläche 13 und des sich verjüngenden Bereichs 14 vorgegeben. Die beiden Stirnseiten 15 und 17 der anschließend eingeführten Sensoreinrichtung 2 bestehen aus einem weniger harten Material als der Rohling 3, so dass dessen Profilierung bei einem axialen Einpressen der Sensoreinrichtung 2 und einem anschließenden Umformen des sich verjüngenden Bereichs 14 beibehalten wird und eine daran angepasste Profilierung der Stirnseiten 15 und 17 der Sensoreinrichtung 2 erzwungen wird. Bei dem in Fig. 10 ebenfalls schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Profilierung an den
Stirnseiten 15 und 17 der Sensoreinrichtung 2 vorgegeben und auf die Anlageflächen 13 und 21 der radial nach innen vorspringenden Ausformungen 12 und 20 übertragen.
In beiden Fällen wird ein in Fig. 11 schematisch
dargestellter Formschluss bewirkt, der in Umfangsrichtung zwischen den Stirnseiten 15 und 17 und den jeweils
zugeordneten Anlageflächen 13 und 21 besteht und ein unerwünschtes Verdrehen der Sensoreinrichtung 2 relativ zu der umgebenden Hohlwelle 1 verhindert. Zur
Veranschaulichung ist in Fig. 11 lediglich ein Teilbereich der Sensoreinrichtung 2 in der Abbildung rechts
dargestellt. Die in Umfangsrichtung vorgegebene
Profilierung befindet sich sowohl auf der rechts
dargestellten Stirnseite 15 der Sensoreinrichtung 2 als auch in der links gezeigten Anlagefläche 21 der radial nach innen vorspringenden Ausformung 20, so dass ein jeweils von beiden Oberflächen ausgehender formschlüssiger Eingriff zwischen der Sensoreinrichtung 2 und der Hohlwelle 1 vorgegeben ist.
Bei dem in Fig. 12 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung 2 in einer Sacklochbohrung 31 in einer Welle 32 angeordnet. Die
Sensoreinrichtung 2 weist mehrere piezoelektrische
Quarzscheiben 33 mit unterschiedlichen
Schnittrichtungsebenen auf, die in Reihe geschaltet in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind.

Claims

Technische Universität Darmstadt Maschinenelement mit einer Sensoreinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Maschinenelement (1, 32) mit einem Hohlwellenabschnitt und mit einer Sensoreinrichtung (2) zur Erfassung einer sich auf den Hohlwellenabschnitt auswirkenden
mechanischen Beanspruchung, wobei die Sensoreinrichtung (2) in dem Hohlwellenabschnitt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenabschnitt eine erste radial nach innen ragende Ausformung (12) und eine zweite radial nach innen ragende Ausformung (20) aufweist, und dass die Sensoreinrichtung (2) mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen ragenden Ausformung (12) und der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung (20) formschlüssig festgelegt ist.
2. Maschinenelement (1, 32) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste radial nach innen ragende Ausformung (12) und/oder die zweite radial nach innen ragende Ausformung (20) eine in einem Winkel zu einer Mittenachse (11) des Hohlwellenabschnitts geneigte Anschlagfläche (13, 21) aufweist.
3. Maschinenelement (1, 32) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste radial nach innen ragende Ausformung (12) und/oder die zweite radial nach innen ragende Ausformung (20) in
Umfangsriehtung eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen.
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Anschlagfläche (13) der ersten radial nach innen ragenden Ausformung (12) und/oder eine Anschlagfläche (21) der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung (20) eine in Umfangsrichtung profilierte Oberfläche aufweist, die mit der Sensoreinrichtung (2) einen Eingriff bildet.
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinrichtung (2) eine erste Stirnseite (15) und/oder eine zweite Stirnseite (17) mit einem
umlaufenden Randbereich und mit einer in dem
Randbereich ausgebildeten Fase aufweist .
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinrichtung (2) eine erste Stirnseite (15) und/oder eine zweite Stirnseite (17) mit einem
umlaufenden Randbereich mit einer in Umfangsrichtung profilierten Formgebung aufweist, die mit der ersten radial nach innen ragenden Ausformung (12)
beziehungsweise mit der zweiten radial nach innen ragenden Ausformung (20) einen Eingriff bildet. Maschinenelement (1, 32) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Randbereich der ersten Stirnseite (15) und/oder der zweiten Stirnseite (17) mit der in Umfangsrichtung profilierten Formgebung eine in einem Winkel zur Mittenachse (11) geneigte Kontaktfläche bildet und durch die geneigte
Kontaktfläche die axiale Vorspannung der
Sensoreinrichtung (2) vorgegeben wird.
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinrichtung (2) eine an eine Formgebung der ersten, beziehungsweise zweiten radial nach innen ragenden Ausformung (12, 20) angepasste Formgebung einer ersten Stirnseite (15) und/oder einer zweiten Stirnseite (17) der Sensoreinrichtung (2) aufweist.
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinrichtung (2) mindestens einen
Verformungssensor (23) aufweist.
Maschinenelement (1, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Maschinenelement eine Welle (32) oder eine Hohlwelle (1) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements (1, 32) mit einem Hohlwellenabschnitt und mit einer darin angeordneten Sensoreinrichtung (2) zur Messung einer sich auf den Hohlwellenabschnitt auswirkenden
mechanischen Beanspruchung, wobei in einem ersten Ausformungsschritt eine erste radial nach innen
vorspringende Ausformung (12) in dem
Hohlwellenabschnitt des Maschinenelements (1, 32) erzeugt wird, wobei in einem nachfolgenden
Sensoranordnungsschritt eine Sensoreinrichtung (2) in dem Hohlwellenabschnitt an der ersten radial nach innen vorspringenden Ausformung (12) formschlüssig angelegt wird und wobei in einem nachfolgenden
Festlegungsschritt eine zweite radial nach innen vorspringende Ausformung (20) in dem
Hohlwellenabschnitt erzeugt wird, durch den die
Sensoreinrichtung (2) mit einer axialen Vorspannung zwischen der ersten radial nach innen vorspringenden Ausformung (12) und der zweiten radial nach innen vorspringenden Ausformung (20) formschlüssig festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste radial nach innen vorspringende
Ausformung (12) und die zweite radial nach innen vorspringende Ausformung (20) durch Kaltmassivumformung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die radial nach innen vorspringenden Ausformungen (12, 20) durch Rundkneten erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem in den
Hohlwellenabschnitt eingeführten Dorn (4) eine in Umfangsrichtung profilierte Formgebung der ersten und/oder zweiten radial nach innen vorspringenden
Ausformung (12, 20) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die profilierten Stirnseiten (15, 17) der Sensoreinrichtung (2) eine in
Umfangsrichtung profilierte Formgebung der ersten und/oder zweiten radial nach innen vorspringenden
Ausformungen (12, 20) vorgegeben wird.
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