DE3616379A1

DE3616379A1 - Vorrichtung zum messen der temperatur bei schmierkontakten oder dergleichen

Info

Publication number: DE3616379A1
Application number: DE19863616379
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Ing Baumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1987-11-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur, insbesondere bei unterschiedlichen Drücken, wie bei Schmierkontakten in Gleitlagern oder dergleichen, mit einem temperaturabhängigen Widerstandselement sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bei der Untersuchung von Schmierkontakten, insbesondere hinsichtlich der Kontaktzonentemperatur, des Einflusses der Temperatur auf die Reibung und auf die Beschädigung des Schmierkontakts selbst, beispielsweise bei Lagern oder anderen miteinander in Verbindung stehenden Elementen, wie Zahnradkontakten, Nocken-Stößel-Kontakten etc. ist eine Kenntnis der Temperatur erforderlich. Die Temperatur wird dabei durch die in den Kontaktbereichen angeordneten Widerstände, wie Titan-Widerstände elektrisch gemessen. Bei diesen Messungen werden zum Teil erheblich Drücke ausgeübt. Es hat sich gezeigt, daß Vorrichtungen zum Messen der Temperaturabhängigkeit mit Widerstandselementen aus Titan oder entsprechenden anderen Materialien durch den Druckeinfluß verfälscht werden, da diese Materialien einen endlichen Druckkoeffizienten haben, der negativ oder auch positiv sein kann.

Zur Berücksichtigung des Einflusses des Druckkoeffizienten wurde schon vorgeschlagen, eng benachbart zueinander, beispielsweise übereinander angeordnet, durch eine isolierende Zwischenschicht getrennt zwei Widerstandselemente vorzusehen, deren eines aus Titan und deren anderes aus Manganin besteht. Beide Widerstandselemente wurden über eine Wheatstone-Brücke miteinander verschaltet, so daß durch Veränderung der veränderlichen Widerstände in der Wheatstone-Brücke der Druckeinfluß bei einer Temperaturmessung kompensiert werden kann. Die Herstellung der Meßvorrichtung oder kurz des Aufnehmers mit zur Gewährleistung eines synchronen Auftretens von Druck- und Temperaturmaterial unmittelbar übereinander angeordneten Widerstandsschichten und der Zwischenlage einer Isolierschicht ist insofern aufwendig, als nach Erstellung der ersten Schicht die Bedampfungsmaske zu entfernen, eine Isolierschicht aufzubringen und die Bedampfungsmaske wieder genau zu positionieren ist, was nur mit begrenzter Genauigkeit ausführbar ist. Auch bedingt die Kompensationsschaltung einen zusätzlichen Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile einfach herzustellen ist und keinen zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand benötigt.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Widerstandselement aus Schichten jeweils mindestens eines Materials mit positivem und negativem Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstands besteht und die Querschnittsverhältnisse der Schichten derart sind, daß der Druckeinfluß in einem hinreichenden Bereich minimal ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die nur ein Widerstandselement mit zwei direkt übereinander angeordneten Schichten und vorzugsweise jeweils nur eine Kontaktierung an ihren beiden Enden aufweist, läßt sich in einfacher und bequemer Weise herstellen, indem gegebenenfalls zunächst nach Vorsehen einer Isolierschicht eine Schicht eines ersten Werkstoffs aufgebracht und danach eine zweite Schicht aus einem anderen Material aufgedampft wird, wobei insbesondere eine genau abgewogene Menge des jeweiligen Materials aufgebracht wird. Die Aufbringung der Schichten kann durch Bedampfen oder andere Vakuumbeschichtungsverfahren, z. B. Kathodenzerstäuben (Sputtern), Ionenplattieren oder Varianten hiervon, u. U. auch andere Beschichtungsverfahren erfolgen. Statt des Abwägens könnte auch ein entsprechend genaues Schwingquarz- Schichtdicken-Meßgerät verwendet werden.

Als Materialien mit negativem Druckkoeffizienten kommen verschiedene Materialien in Frage, z. B. Reinnickel, vorzugsweise wird aber Titan eingesetzt. Als Materialien mit positivem Druckkoeffizienten kommen weitere reine Metalle, darüberhinaus Chrom-Nickel-Legierungen und insbesondere Manganin in Frage.

Wenn die spezifischen Widerstände der beiden Materialien beim Ausgangsdruck bekannt sind, läßt sich für eine Druckerhöhung um Δρ das Dickenverhältnis der beiden Schichten berechnen:

wobei d 1 und d 2 die Dicken der Schichten und ρ die spezifischen Widerstände beim Ausgangsdruck sowie αρ die Druckkoeffizienten der Materialien sind.

In bevorzugter Weise ist vorgesehen, daß bei Schichten aus Titan und Manganin bei gleicher Grundfläche das Verhältnis von Titan- zur Manganinschichtdicke etwa 0,506 beträgt.

Während der erfinderische Gedanke grundsätzlich für die Druckeliminierung bei Temperaturmessungen vorgesehen ist, kann im Prinzip auch eine Vorrichtung zum Messen der Druckabhängigkeit, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen, wie bei Schmierkontakten in Gleitlagern oder dergleichen, mit einem druckabhängigen Widerstandselement geschaffen werden, die derart ausgebildet ist, daß das Widerstandselement aus Schichten jeweils mindestens eines Materials mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands besteht und die Querschnittsverhältnisse der beiden Schichten derart sind, daß der Temperatureinfluß in einem hinreichenden Bereich minimiert ist, wenn Weiterverbesserungen entsprechender bekannter Einschichtaufnehmer erreicht werden sollen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Aufnehmers mit Widerstandselement auf einer Scheibe eines Zweischeibenprüfstandes;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Gegenstandes der Fig. 1;

Fig. 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt in der Fig. 2, das eigentliche Widerstandselement zeigend;

Fig. 4 die Darstellung der Druckabhängigkeit des elektrischen Widerstandes für den erfindungsgemäßen Aufnehmer sowie Aufnehmer aus seinen Einzelmaterialien;

Fig. 5 einen Vergleich von Temperaturverteilungen und Vermessungen mit Titan-Aufnehmern und erfindungsgemäßen Zweischichtaufnehmern; und

Fig. 6 als weiteres Einsatzbeispiel eine schematische Darstellung eines Nocken-Flachstößel-Prüfstandes.

Fig. 1 zeigt die Anordnung einer von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Temperaturmessung, im folgenden kurz Aufnehmer 1 bezeichnet auf einer Scheibe 2 eines Zweischeibenprüfstandes 3, dessen andere Scheibe mit 4 bezeichnet ist. Ein solcher Zweischeibenprüfstand 3 dient zur Untersuchung der Verteilung der Temperatur bei hochbelasteten Schmierkontakten und insbesondere zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Reibung und Beschädigung der Schmierkontakte bei elasto-hydrodynamischer Schmierung (EHD).

In der vergrößerten Darstellung der Fig. 1 ist erkennbar, daß der Aufnehmer 1 auf einer auf der Scheibe 2 aufgebrachten Isolierung 6 aufgebracht ist. Der Aufnehmer besteht aus zwei Kontaktplatten 7, 8, die mit einem Relativabstand zueinander angeordnet und lediglich durch ein schmales Widerstandselement 9 in Form einer Brücke überbrückt sind. An den Kontaktplatten 7, 8 sind Anschlußdrähte 11, 12 befestigt. Die Fig. 3 zeigt das die Brücke zwischen den Kontaktplatten 7 und 8 bildende Widerstandselement 9. Aus der Fig. 3 ist erkennbar, daß das Widerstandselement 9 aus zwei Schichten 13 und 14 unterschiedlicher Materialien besteht, die aufeinander aufgedampft sind. Die Schicht 13 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Titan und die Schicht 14 aus Manganin (CuMn 12 Ni; Werkstoff-Nr. nach DIN 21 362). Die Länge des Widerstandselements 9 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 1,5 mm, seine Breite 15 µm und die gesamte Dicke 0,2 µm, wobei die Dicke der Titan-Schicht 14 zur Gesamtschichtdicke 0,66 beträgt. Die Dicke der Isolationsschicht 6 in der Fig. 2 ist etwa mit 1 µm anzugeben. Auf der Meßeinheit aus den Schichten 13, 14, kann weiter eine Verschleißschutzschicht in einer Stärke von etwa 0,5 µm aufgebracht sein (nicht dargestellt).

Die Fig. 4 zeigt die relative Druckabhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Manganin-Aufnehmers, eines Titan-Aufnehmers sowie eines erfindungsgemäßen Zweischichtaufnehmers 1 gemäß der Ausgestaltungen der Fig. 1 bis 3. Es zeigt sich, daß, während Manganin- und Titan-Aufnehmer eine erhebliche Druckabhängigkeit aufweisen, wobei der Druckkoeffizient beim Manganin-Aufnehmer positiv und beim Titan-Aufnehmer negativ ist, der Zweischichtaufnehmer über einen kleinen Bereich keine und anschließend nur eine geringe Druckabhängigkeit aufweist, die lediglich im unteren Prozentbereich der Druckabhängigkeit des Titan-Aufnehmers liegt.

Die Fig. 5 zeigt Meßergebnisse mit einem Zweischeibenprüfstand nach der Fig. 1 bei einer Belastungskraft der beiden Scheiben von 8 000 Newton und einer Drehzahl von 1 450 Umdrehungen U/Min. (reines Rollen). Die Wandtemperatur wurde sowohl mit einem reinen Titan-Aufnehmer (Kurve Δϑ _Ti) als auch mit einem erfindungsgemäßen Zweischichtaufnehmer (Kurve Δϑ _Zw) unter Schmierkontakt mit einem Versuchsöl gemessen. Es ist erkennbar, daß die mit dem Titan-Aufnehmer gemessene Verteilung zwischen zwei Maxima einen deutlichen Einbruch aufweist. Bildet man die Differenz der Verteilung des Zweischichtaufnehmers und der Verteilung des Titan-Aufnehmers, so ergibt sich eine Differenzkurve (Δϑ _Zw - Δϑ _Ti), die der ebenfalls in der Fig. 5 dargestellten gemessenen Druckkurve ρ qualitativ entspricht, so daß sich zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Zweischichtenaufnehmer der Druckeinfluß weitgehend eliminiert wurde. Mit der Druckkurve sowie den bei der Kalibrierung gemessenen Koeffizienten für den Zweischichtenaufnehmer wurde weiterhin die Kurve des Zweischichtenaufnehmers noch korrigiert und ist ebenfalls in der Fig. 5 angegeben (Δϑ _Wahr).

Bei reinem Rollen tritt im Hochdruckbereich (dort, wo die Druckverteilung einer hertzschen Verteilung ähnlich ist), indem aufgrund der elastischen Abplattung der Scheiben ein nahezu paralleler Schmierspalt vorliegt, keine Temperaturerhöhung mehr auf, sondern die Temperatur fällt. Dies kann man durch eine Verfestigung des Öls erklären (es ergibt sich kein Energieumsatz durch viskose Reibung mehr). Das Auftreten einer Ölverfestigung bei hohen Drücken wurde in statischen Versuchen in Höchstdruckviskosimetern nachgewiesen. Erst im Bereich der Schmierspalteneinschnürung im Auslauf, der auch die zweite Druckspitze zeigt, muß das Öl zu Erfüllung des Kontinuitätsgesetztes wieder fließen, was zu hohem Energieumsatz und damit zu weiterer Aufheizung führt, woraus sich die zweite Temperaturspitze ergibt. Von dieser Spitze fällt die Temperatur wegen der Entspannung des komprimierten Öls schnell ab.

Der Punkt X = 0,0 mm bezeichnet den Kontaktpunkt der beiden Scheiben auf der Verbindungsachse ihrer Mittelpunkte.

Die Fig. 6 zeigt schematisch einen Nocken-Flachstößel-Prüfstand, bei dem der erfindungsgemäße Zweischichtaufnehmer 9 eingesetzt werden kann. Auf einer Grundplatte 21 ist einerseits ein Lagerbock 22 für eine Stößeleinheit und andererseits ein Lagerbock 23 für eine Nockenwelle angeordnet. Beide Lagerböcke sind durch zwei Zugstangen 24 miteinander verspannt. Der Lagerbock 22 ist auf einer horizontalen Schlittenführung 25 geführt und weist eine Vertikalschlittenführung 26 für die Stößeleinheit 28 auf, die eine unter dem Einfluß einer Druckfeder 31 stehenden Stößel 29 mit einer Flachstößelplatte 30 aufweist, wobei die Andruckkraft durch eine Spindel 31 veränderbar ist. Die Flachstößelplatte 30 wird derart gegen die Nockenwelle 27 gedrückt. Erfindungsgemäße Zweischichtaufnehmer werden zur Durchführung von Messungen im Berührungsbereich angeordnet.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Temperatur, insbesondere bei unterschiedlichen Drücken, wie bei Schmierkontakten in Gleitlagern oder dergleichen, mit einem temperaturabhängigen Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (9) Schichten (13, 14) jeweils mindestens eines Materials mit positivem und negativem Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist und die Querschnittsverhältnisse der Schichten (13, 14) derart sind, daß der Druckeinfluß in einem hinreichenden Bereich minimal ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit negativem Druckkoeffizienten Titan ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit positivem Druckkoeffizienten eine Mangan-Kupfer-Nickel-Legierung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit positivem Druckkoeffizienten Manganin (CuMn 12 Ni, DIN-Werkstoff-Nr. 2.1362) ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schichten (13, 14) aus Manganin und Titan bei gleicher Grundfläche das Verhältnis von Manganin- zur Titanschichtdicke (d 2/d1) etwa 0,506 beträgt.

6. Vorrichtung zum Messen der Druckabhängigkeit, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen, wie bei Schmierkontakten in Gleitlagern oder dergleichen, mit einem druckabhängigen Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement Schichten jeweils mindestens eines Materials mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist und die Querschnittsverhältnisse der beiden Schichten derart sind, daß der Temperatureinfluß in einem hinreichenden Bereich minimiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Verschleißschutzschicht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, gegebenenfalls zunächst nach Vorsehen einer Isolierschicht eine Schicht eines ersten Werkstoffs aufgebracht und danach eine zweite Schicht aus einem anderen Material aufgedampft wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht ohne Entfernen der Bedampfungsmaske unmittelbar auf die erste Schicht aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine genau abgewogene Menge des jeweiligen Materials aufgebracht wird.