WO2015154771A1 - Messelement und ein messelement aufweisendes bauteil - Google Patents

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WO2015154771A1
WO2015154771A1 PCT/DE2015/200247 DE2015200247W WO2015154771A1 WO 2015154771 A1 WO2015154771 A1 WO 2015154771A1 DE 2015200247 W DE2015200247 W DE 2015200247W WO 2015154771 A1 WO2015154771 A1 WO 2015154771A1
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Christoph Weeth
Jens Heim
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Definitions

  • the invention relates to a measuring element for detecting an elongation and / or a measured quantity of a component derived therefrom, comprising at least one strain gauge (DMS) and a signal evaluation unit.
  • DMS strain gauge
  • Strain gauges are used to metrologically detect an expansion of a component. Strain gauges are made of a special material whose electrical resistance changes when it is stretched. By means of the signal evaluation unit, the resistance change can be assigned an expansion. Strain gauges are usually glued to the component to be measured or monitored by means of an adhesive. In many applications, it is necessary to monitor not only the elongation but also the temperature of the component to be measured. For example, a temperature sensor made of platinum (PT 100) or a thermocouple consisting of a material combination of iron / copper-nickel can be used for this purpose. Therefore, in many cases, in addition to the strain gauge in addition a temperature sensor must be attached to the component. This also applies to applications in which, instead of a strain measurement, a quantity derived therefrom is to be determined, for example a force or a torque. The application of the strain gauge and the additionally required temperature sensor is therefore very expensive. Summary of the invention
  • the invention has for its object to provide a measuring element with which both a strain measurement and a temperature measurement is possible borrowed.
  • a measuring element of the type mentioned has at least a second, connected to the signal evaluation unit strain gauges, which is designed to detect a temperature-dependent strain, wherein the first strain gauge and the at least one second strain gauge by a common Manufacturing process are made.
  • the invention has the advantage that with a single measuring element in addition to a strain measurement and a temperature detection is possible, resulting in the advantage that no separate temperature sensor or the like must be applied to the component to be measured.
  • the temperature to be detected is detected indirectly via an expansion, that is, the temperature measurement is converted into a strain measurement.
  • different coefficients of thermal expansion of different materials are used, which cause different temperature-dependent strains.
  • the measuring element according to the invention has the advantage that both sensors, namely the strain gauges and the second strain gauges can be manufactured by the same technology in a common process.
  • the strain gauges are produced by a coating method.
  • both the first strain gauge, which is intended for the detection of the strain, and the second strain gauge, which is used for the temperature determination can be produced in a single process. Since both strain gauges are connected to the Signalauswaktechnik, only a single Signal evaluation unit required, so that the acquisition of the measured data is particularly efficient.
  • the signal evaluation unit of the measuring element according to the invention is designed to determine a temperature value on the basis of the detected temperature-dependent expansion of the at least one second strain gauge.
  • a calibration of the second strain gauge is required so that each detected strain value can be assigned a temperature. In this way, the temperature-dependent strain detected by the second strain gauge can be converted into a temperature.
  • the at least one second strain gauge which is provided for detecting the temperature-dependent strain, can be realized in different ways.
  • the second strain gauge formed to detect the temperature-dependent strain can be mounted on a bimetallic element and the signal evaluation unit can be designed to determine a temperature value based on the detected strain of the bimetallic element. It is important that the (first) strain gauge, with which the elongation of the component is detected, and the second strain gauge, which is intended for the detection of the temperature-dependent stretching, are produced by a common manufacturing process.
  • the bimetal element can be applied to the component on which the measurement is to take place, then both strain gages are produced by a common production method, in particular a coating method.
  • the second strain gage formed to detect a temperature-dependent strain to be arranged on a deformation element which consists of a material whose coefficient of thermal expansion is that of the one to be measured. differentiates the component.
  • the deformation element is designed such that it deforms in a preferred direction during a temperature-induced deformation.
  • the deformation element of the measuring element according to the invention may have a rod-shaped basic shape and be attached to at least two points on the component to be measured.
  • the preferred direction is the transverse direction of the rod-shaped deformation element.
  • the expansion of the deformation element can be detected by means of the second strain gauge and evaluated by the signal evaluation unit. Based on the temperature-dependent expansion of the second strain gauge, the temperature of the component can be determined.
  • the second, formed for detecting a temperature-dependent strain strain gauge may be disposed on a filling element which is inserted or inserted into a recess of the component to be measured, wherein the filling element consists of a material whose temperature expansion coefficient of differs from that of the component to be measured.
  • the component to be measured is provided with a recess into which the filling element is inserted.
  • the second, designed to detect the temperature-dependent strain strain gauge is placed on the filler, the first strain gauge is placed directly on the component. When the temperature changes, the component to be measured expands or contracts.
  • This temperature-induced strain change can be measured on the filler or in the immediate vicinity of the filler by the second strain gauge.
  • a calibration can be used to assign a temperature change to a specific strain change.
  • At least one further strain gauge for compensating a Temperature-induced change in resistance of the second, designed to detect the temperature-induced strain strain gauge can be provided.
  • the signal evaluation unit can be designed to determine a force or a torque from the detected strain.
  • the invention relates to a component comprising at least one measuring element of the type described.
  • the second, designed for detecting a temperature-dependent strain strain gauge is mounted on a bimetallic element disposed on the component or on a component fixed to the deformation element or on a in a recess of the component Arranged filling element.
  • the strain gauges used in the measuring element according to the invention and the component may be thin-film strain gages, but the invention can equally be realized with thick-film strain gages or film strain gauges.
  • the measuring element according to the invention is particularly well suited for force and / or strain measurements on a plain or rolling bearing.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a measuring element according to the invention mounted on a roller bearing
  • Figure 2 shows an embodiment of a measuring element according to the invention with a deformation element
  • Figure 3 is a plan view of the measuring element shown in Figure 2 with the deformation element
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a measuring element according to the invention with a filling element
  • FIG. 5 shows an enlarged view of the filling element shown in FIG.
  • Figure 1 is a side view and shows a detail of a component 1, which is designed as a rolling bearing.
  • the component 1 comprises a measuring element 2 for detecting an elongation and / or a measured variable of the component 1 derived therefrom. From a measured strain can be concluded on a force or an acting moment.
  • the measuring element 2 comprises strain gauges (DMS) 3, 4, which are arranged laterally on the outer ring 5 of the rolling bearing.
  • the measuring element 2 comprises a signal evaluation unit 6, which is connected via lines 7, 8 with the strain gauges 3, 4.
  • the strain gauges 3, 4 are mounted on the outer ring 5, at a stress occurring, which causes an expansion of the outer ring 5, the strain gauges 3, 4 are stretched analogously to the component 1, this strain causes a change in the electrical resistance of the strain gauges 3, 4, which is detected by the signal evaluation unit 6.
  • the measuring element 2 comprises a second, connected to the signal evaluation unit 6 strain gauges 9, which is designed to detect a temperature-dependent strain.
  • the first two strain gauges 3, 4 and the second or further strain gauges 9 are produced by a common manufacturing process.
  • the strain gauge 9 is arranged on a bimetallic element 10.
  • FIG. 1 shows that the strain gage arranged on the bimetal element 10 fen 9 is also electrically connected via a line 1 1 with the signal evaluation unit 6.
  • the lines 7, 8, 1 1, two-wire or multi-core executed, since each strain gauge 3, 4, 9 forms its own branch.
  • the bimetallic element 10 is first applied to the outer ring 5, for example glued.
  • the strain gauges 3, 4, 9 are then applied by a common manufacturing process, namely a coating process. Due to the coating and structuring, DMS structures are produced both on the outside of the outer ring 5 of the roller bearing and on the bimetal element 10.
  • the strain gauges 3, 4 are designed to detect an expansion of the outer ring 5, so that its momentary load can be closed.
  • the strain gauge 9, which is mounted on the bimetallic element 10, detects a temperature-induced strain or compression of the bimetallic element 10, which is proportional to a change in temperature.
  • the existing relationship between the elongation of the bimetallic element 10 and the temperature can be detected, which manifests itself in a change in the electrical resistance of the strain gauge 9. In this way, the temperature determination is converted into a strain measurement.
  • FIGS. 2 and 3 show a second exemplary embodiment of a measuring element 12 which, in accordance with the first exemplary embodiment, has a (first) strain gauge 13 which is arranged on the upper side of a component 14.
  • the measuring element 12 comprises a second, designed to detect a temperature-dependent strain strain gauge 15, which is arranged on a deformation element 16.
  • the deformation element 16 is formed as a substantially rectangular plate, as shown in the plan view of Figure 3.
  • the deformation element is fastened at two points 17, 18 to the component 14 to be measured by means of screws.
  • the strain gauge 15 is applied approximately in the middle of the deformation element 16 on the surface thereof.
  • a further strain gauge 19 is arranged, which serves as a compensation strain gauge. All strain gauges 13, 15, 19 are connected to the signal evaluation unit 6 via lines.
  • the deformation element 16 is made of a material whose coefficient of thermal expansion is different from that of the component 14 at which the strain or the force is to be measured.
  • the component 14 made of steel
  • the deformation element 16 made of copper.
  • the double arrow 20 indicates the direction of deformation.
  • the deformation element 16 thus bends upward perpendicular to the upper side or longitudinal direction of the component 14, away from the component 14.
  • the deformation element 16 expands, this strain can be detected by the strain gauge 15.
  • a strain gauge bridge can also be arranged on the deformation element.
  • the strain gauges 13, 15, 19 are manufactured by a common manufacturing process by coating. Accordingly, both the elongation of the component 14 by means of the strain gauge 13 and a temperature via the detour of detecting the expansion of the deformation element 16 can be determined.
  • FIGS. 4 and 5 show a further exemplary embodiment of a measuring element 21 which, in accordance with the preceding exemplary embodiment, is arranged on the outside of a component 22 designed as a roller bearing.
  • the component 22, which is designed as a bearing ring, has on its outer side a plurality of recesses 23, in each of which a filling element 24 is inserted. In Figure 4, only one such recess is shown.
  • the filling element 24 has a substantially cylindrical shape, on the upper side of the filling element 24, a strain gauge 25 is arranged.
  • a further strain gauge 26 is arranged laterally on the component 22 or laterally on the bearing ring, which is designed to detect an elongation or a measured quantity derived therefrom, such as a force or a moment.
  • the strain gauges 25, 26 are connected to the signal evaluation unit 6 via lines.
  • the filling element 24 is made of a material whose coefficient of thermal expansion differs from that of the component 22 at which the elongation or the force is to be measured.
  • the filling element 24 is introduced into the recess 23 in such a way that it does not become free over the area of application of the temperature.
  • the temperature of the component 2 changes, the expansion of the material of the component 22 surrounding the filling element 24 increases or decreases. This results in a change in the expansion of the filling element 24 or of the filling element itself. This strain change is proportional to the temperature change.
  • the component 22 has a further recess 27, which is also arranged laterally on the component 22.
  • a filling element 28 which corresponds to the filling element 24.
  • the filling element 28 is surrounded by a strain gauge 29, which is connected to a further signal evaluation unit.
  • a strain gauge 30 is connected, which is arranged on the outside of the component 22, and which corresponds to the strain gauge 26.
  • FIG. 5 shows the recess 27, in which the filling element 28 is inserted, on an enlarged scale.
  • the filling element 28 is surrounded by the strain gauge 29, the signal of which provides a strain value proportional to the temperature change.
  • the strain gauge 29 surrounds the recess 27 in a meandering manner.
  • the strain gauges 29, 31 are attached laterally to the component 22.
  • the application of all strain gauges 29, 30, 31 and the strain gauges 25, 26 takes place by a single coating method, after the filling elements 24, 28 have been introduced into the recesses 23, 27. Subsequently, the filling element 28 is provided by coating with the strain gauge 25, in the same manufacturing process, the strain gauges 29, 30, 31 are applied.
  • the measuring elements or the components provided with one or more measuring elements can be produced efficiently and inexpensively by a single manufacturing process in which a coating is applied.

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Abstract

Messelement (2, 12, 21) zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße eines Bauteils (1, 14, 22), umfassend wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) (3, 4, 13, 26, 30) und eine Signalauswerteeinheit (6), wobei das Messelement (2, 12, 21) wenigstens einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit (6) angeschlossenen Dehnungsmessstreifen (9, 15, 25, 29) aufweist, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildet ist, wobei der erste Dehnungsmessstreifen (3, 4, 13, 26, 30) und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen (9, 15, 25, 29) durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Messelement und ein Messelement aufweisendes Bauteil Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Messelement zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße eines Bauteils, umfassend wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) und eine Signalauswerteeinheit.
Hintergrund der Erfindung
Dehnungsmessstreifen werden eingesetzt, um eine Dehnung eines Bauteils messtechnisch zu erfassen. Dehnungsmessstreifen bestehen aus einem speziellen Material, dessen elektrischer Widerstand sich ändert, wenn es gedehnt wird. Mittels der Signalauswerteeinheit kann der Widerstandsänderung eine Dehnung zugeordnet werden. Dehnungsmessstreifen werden zumeist mittels eines Klebstoffs auf das zu messende oder zu überwachende Bauteil aufgeklebt. In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, neben der Dehnung auch die Temperatur des zu messenden Bauteils zu überwachen. Dazu kann beispielsweise ein Temperatursensor aus Platin (PT 100) oder ein Thermoele- ment, das aus einer Materialpaarung aus Eisen/Kupfer-Nickel besteht, verwendet werden. Daher muss in vielen Fällen neben dem Dehnungsmessstreifen zusätzlich ein Temperatursensor an dem Bauteil angebracht werden. Dies gilt auch für Anwendungen, bei denen anstelle einer Dehnungsmessung eine daraus abgeleitete Größe bestimmt werden soll, beispielsweise eine Kraft oder ein Drehmoment. Das Aufbringen des Dehnungsmessstreifens und des zusätzlich erforderlichen Temperatursensors ist daher sehr aufwändig. Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messelement anzugeben, mit dem sowohl eine Dehnungsmessung als auch eine Temperaturmessung mög- lieh ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Messelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es wenigstens einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit angeschlossenen Dehnungsmessstreifen aufweist, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildet ist, wobei der erste Dehnungsmessstreifen und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass mit einem einzigen Messelement ne- ben einer Dehnungsmessung auch eine Temperaturerfassung möglich ist, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass kein separater Temperatursensor oder dergleichen auf das zu messende Bauteil aufgebracht werden muss. Erfindungsgemäß wird die zu erfassende Temperatur indirekt über eine Dehnung erfasst, das heißt, die Temperaturmessung wird in eine Dehnungsmessung überführt. Dazu werden unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten verschiedener Werkstoffe genutzt, die unterschiedliche temperaturabhängige Dehnungen bewirken. Das erfindungsgemäße Messelement weist den Vorteil auf, dass beide Sensoren, nämlich der Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen durch dieselbe Technologie in einem gemeinsamen Verfah- ren hergestellt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Messelements sind die Dehnungsmessstreifen durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt. Mittels des Beschichtungsverfahrens kann sowohl der erste Dehnungsmess- streifen, der für die Erfassung der Dehnung vorgesehen ist, als auch der zweite Dehnungsmessstreifen, der für die Temperaturbestimmung genutzt wird, in einem einzigen Verfahren hergestellt werden. Da beide Dehnungsmessstreifen an die Signalauswerteeinheit angeschlossen sind, wird lediglich eine einzige Signalauswerteeinheit benötigt, so dass die Erfassung der Messdaten besonders rationell ist.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Signalauswerteeinheit des erfindungsgemäßen Messelements dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten temperaturabhängigen Dehnung des wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifens einen Temperaturwert zu bestimmen. Dazu ist eine Kalibrierung des zweiten Dehnungsmessstreifens erforderlich, so dass jedem erfassten Dehnungswert eine Temperatur zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann die von dem zweiten Dehnungsmessstreifen erfasste temperaturabhängige Dehnung in eine Temperatur umgerechnet werden.
Der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen, der zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung vorgesehen ist, kann auf unterschiedliche Arten realisiert sein. Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann der zweite zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Bimetallelement angebracht sein und die Signalauswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, anhand der erfassten Dehnung des Bimetallelements einen Temperaturwert zu be- stimmen. Wichtig ist dabei, dass der (erste) Dehnungsmessstreifen, mit dem die Dehnung des Bauteils erfasst wird, und der zweite Dehnungsmessstreifen, der für die Erfassung der temperaturabhängigen Dehnung vorgesehen ist, durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dazu kann das Bimetallelement auf dem Bauteil, an dem die Messung stattfinden soll, ange- bracht werden, anschließend werden beide Dehnungsmessstreifen durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren, insbesondere ein Beschichtungsverfah- ren, hergestellt.
Gemäß einer zweiten, alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann es vorgesehen sein, dass der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Verformungselement angeordnet ist, das aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messen- den Bauteils unterscheidet. Das Verfornnungselennent ist so ausgebildet, dass es sich bei einer temperaturbedingten Verformung in eine Vorzugsrichtung verformt. Vorzugsweise kann das Verformungselement des erfindungsgemäßen Messelements eine stabförmige Grundform aufweisen und an wenigstens zwei Punkten an dem zu messenden Bauteil befestigt sein. Die Vorzugsrichtung ist dabei die Querrichtung des stabförmigen Verformungselements. Beim Auftreten einer temperaturbedingten Verformung, die auf einer Dehnung beruht, kann die Dehnung des Verformungselements mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens erfasst und von der Signalauswerteeinheit ausgewertet werden. Anhand der temperaturabhängigen Dehnung des zweiten Dehnungsmessstreifens kann die Temperatur des Bauteils bestimmt werden.
Gemäß einer dritten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Füllelement angeordnet sein, das in eine Ausnehmung des zu messenden Bauteils einsetzbar oder eingesetzt ist, wobei das Füllelement aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messenden Bauteils unterscheidet. Bei dieser Messanordnung wird das zu messende Bau- teil mit einer Ausnehmung versehen, in die das Füllelement eingesetzt wird. Der zweite, zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen wird auf dem Füllelement angeordnet, der erste Dehnungsmessstreifen wird direkt auf dem Bauteil platziert. Bei einer Temperaturänderung dehnt sich das zu messende Bauteil aus oder es zieht sich zusam- men. Dadurch nimmt die Aufweitung des Werkstoffs, aus dem das Bauteil besteht und der das Füllelement umgibt, zu oder ab. Diese temperaturbedingte Dehnungsänderung kann auf dem Füllelement oder in der direkten Umgebung des Füllelements durch den zweiten Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Durch eine Kalibrierung kann einer bestimmten Dehnungsänderung eine Tem- peraturänderung zugeordnet werden.
Bei allen unterschiedlichen Varianten des erfindungsgemäßen Messelements kann wenigstens ein weiterer Dehnungsmessstreifen zur Kompensation einer temperaturbedingten Widerstandsänderung des zweiten, zum Erfassen der temperaturbedingten Dehnung ausgebildeten Dehnungsmessstreifens vorgesehen sein. Bei dem erfindungsgemäßen Messelement kann die Signalauswerteeinheit dazu ausgebildet sein, aus der erfassten Dehnung eine Kraft oder ein Drehmoment zu bestimmen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Bauteil, umfassend wenigstens ein Messelement der beschriebenen Art. Der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen ist auf einem auf dem Bauteil angeordneten Bimetallelement oder auf einem auf dem Bauteil befestigten Verformungselement oder auf einem in einer Ausnehmung des Bauteils eingesetzten Füllelement angeordnet.
Die bei dem erfindungsgemäßen Messelement und dem Bauteil verwendeten Dehnungsmessstreifen können Dünnschicht-DMS sein, die Erfindung kann jedoch gleichermaßen mit Dickschicht-DMS oder Folien-DMS realisiert werden. Das erfindungsgemäße Messelement eignet sich besonders gut für Kraft- und/oder Dehnungsmessungen an einem Gleit- oder Wälzlager.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines an einem Wälzlager angebrachten erfindungsgemäßen Messelements;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messelements mit einem Verformungselement; Figur 3 eine Draufsicht auf das in Figur 2 gezeigte Messelement mit dem Verformungselement;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messelements mit einem Füllelement; und
Figur 5 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 4 gezeigten Füllelements.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 ist eine Seitenansicht und zeigt ein Detail eines Bauteils 1 , das als Wälzlager ausgebildet ist. Das Bauteil 1 umfasst ein Messelement 2 zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße des Bauteils 1 . Aus einer gemessenen Dehnung kann auf eine Kraft oder ein wirkendes Moment geschlossen werden.
Das Messelement 2 umfasst Dehnungsmessstreifen (DMS) 3, 4, die seitlich am Außenring 5 des Wälzlagers angeordnet sind. Daneben umfasst das Messelement 2 eine Signalauswerteeinheit 6, die über Leitungen 7, 8 mit den Deh- nungsmessstreifen 3, 4 verbunden ist. Die Dehnungsmessstreifen 3, 4 sind auf dem Außenring 5 angebracht, bei einer auftretenden Belastung, die eine Dehnung des Außenrings 5 verursacht, werden die Dehnungsmessstreifen 3, 4 analog zu dem Bauteil 1 gedehnt, diese Dehnung ruft eine Änderung des elektrischen Widerstands der Dehnungsmessstreifen 3, 4 hervor, die von der Sig- nalauswerteeinheit 6 erfasst wird.
Zusätzlich umfasst das Messelement 2 einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit 6 angeschlossenen Dehnungsmessstreifen 9, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildet ist. Die beiden ersten Dehnungs- messstreifen 3, 4 und der zweite bzw. weitere Dehnungsmessstreifen 9 sind durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt. Der Dehnungsmessstreifen 9 ist auf einem Bimetallelement 10 angeordnet. In Figur 1 erkennt man, dass der auf dem Bimetallelement 10 angeordnete Dehnungsmessstrei- fen 9 ebenfalls über eine Leitung 1 1 mit der Signalauswerteeinheit 6 elektrisch verbunden ist. In der Praxis sind die Leitungen 7, 8, 1 1 , zweiadrig oder mehradrig ausgeführt, da jeder Dehnungsmessstreifen 3, 4, 9 einen eigenen Stromzweig bildet.
Zur Herstellung des Messelements 2 wird zunächst das Bimetallelement 10 auf den Außenring 5 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Die Dehnungsmessstreifen 3, 4, 9 werden anschließend durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren, nämlich ein Beschichtungsverfahren, aufgebracht. Durch die Beschich- tung und Strukturierung werden sowohl auf der Außenseite des Außenrings 5 des Wälzlagers als auch auf dem Bimetallelement 10 DMS-Strukturen erzeugt.
Die Dehnungsmessstreifen 3, 4 sind zum Erfassen einer Dehnung des Außenrings 5 ausgebildet, so dass auf dessen momentane Belastung geschlossen werden kann. Der Dehnungsmessstreifen 9, der auf dem Bimetallelement 10 angebracht ist, erfasst eine temperaturbedingte Dehnung oder Stauchung des Bimetallelements 10, die proportional zu einer Temperaturänderung ist. Durch eine Kalibrierung kann der bestehende Zusammenhang zwischen der Dehnung des Bimetallelements 10 und der Temperatur erfasst werden, der sich in einer Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens 9 äußert. Auf diese Weise wird die Temperaturbestimmung in eine Dehnungsmessung überführt. Da das temperaturabhängige Dehnungsverhalten des Bimetallelements 10 bekannt ist bzw. mittels einer Kalibrierung bestimmt worden ist, kann jederzeit sowohl die Dehnung des Außenrings 5 mittels der DMS 3, 4 als auch die Temperatur anhand der Dehnung des Dehnungsmessstreifens 9 bestimmt werden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Messelements 12, das in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel einen (ersten) Dehnungsmessstreifen 13 aufweist, der auf der Oberseite eines Bauteils 14 angeordnet ist. Zusätzlich umfasst das Messelement 12 einen zweiten, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildeten Dehnungsmessstreifen 15, der auf einem Verformungselement 16 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verformungselement 16 als im Wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet, wie in der Draufsicht von Figur 3 gezeigt ist. Das Verformungselement ist an zwei Punkten 17, 18 an dem zu messenden Bauteil 14 mittels Schrauben befestigt. Der Dehnungsmessstreifen 15 ist etwa in der Mitte des Verformungselements 16 auf dessen Oberfläche aufgebracht. Zusätzlich ist auf der Oberseite des Bauteils 14 ein weiterer Dehnungsmessstreifen 19 angeordnet, der als Kompensations-Dehnungsmessstreifen dient. Alle Dehnungsmessstreifen 13, 15, 19 sind mit der Signalauswerteeinheit 6 über Leitungen verbunden.
Das Verformungselement 16 besteht aus einem Werkstoff, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Bauteils 14, an dem die Dehnung oder die Kraft gemessen werden soll, unterscheidet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bauteil 14 aus Stahl, das Verfor- mungselement 16 aus Kupfer. Bei einer Änderung der Temperatur verformt sich das Verformungselement 16, in Figur 2 gibt der Doppelpfeil 20 die Verformungsrichtung an. Das Verformungselement 16 biegt sich somit senkrecht zur Oberseite bzw. Längsrichtung des Bauteils 14 nach oben, von dem Bauteil 14 weg. Dabei dehnt sich das Verformungselement 16 aus, diese Dehnung kann durch den Dehnungsmessstreifen 15 erfasst werden. Alternativ zu einem einzigen Dehnungsmessstreifen kann auf dem Verformungselement auch eine DMS-Brücke angeordnet sein. Die Dehnungsmessstreifen 13, 15, 19 sind durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren durch Beschichten hergestellt. Dementsprechend kann sowohl die Dehnung des Bauteils 14 mittels des Deh- nungsmessstreifens 13 als auch eine Temperatur über den Umweg einer Erfassung der Dehnung des Verformungselements 16 bestimmt werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 21 , das in Übereinstimmung mit dem vorhergehenden Ausführungsbei- spiel an der Außenseite eines als Wälzlager ausgebildeten Bauteils 22 angeordnet ist. Das Bauteil 22, das als Lagerring ausgebildet ist, weist an seiner Außenseite mehrere Ausnehmungen 23 auf, in die jeweils ein Füllelement 24 eingesetzt ist. In Figur 4 ist lediglich eine derartige Ausnehmung dargestellt. Das Füllelement 24 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, auf der Oberseite des Füllelements 24 ist ein Dehnungsmessstreifen 25 angeordnet. Zusätzlich ist seitlich an dem Bauteil 22 bzw. seitlich an dem Lagerring ein weiterer Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet, der zum Erfassen einer Dehnung oder einer daraus abgeleiteten Messgröße wie eine Kraft oder ein Moment ausgebildet ist. Die Dehnungsmessstreifen 25, 26 sind mit der Signalauswerteeinheit 6 über Leitungen verbunden. Für die Funktion des Mess-elements 21 ist es wesentlich, dass das Füllelement 24 aus einem Werkstoff besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Bauteils 22, an dem die Dehnung oder die Kraft gemessen werden soll, unterscheidet. Das Füllelement 24 ist so in die Ausnehmung 23 eingebracht, dass es über den Einsatzbereich der Temperatur nicht frei wird. Bei einer Temperaturänderung des Bauteils 2 nimmt die Aufweitung des Werkstoffs des Bauteils 22, der das Füllelement 24 umgibt, zu oder ab. Dadurch entsteht eine Dehnungsänderung des Füllelements 24 bzw. des Füllelements selbst. Diese Dehnungsänderung ist proportional zur Temperaturänderung. Nach einer Kalibrierung des von dem Dehnungsmessstreifen 25 gelieferten Dehnungssignals kann dieses in einen Temperaturwert umgerechnet werden, so dass über den Umweg einer Dehnungsmessung die Temperaturmessung erfolgt. Zusätzlich zu der Ausnehmung 23 weist das Bauteil 22 eine weitere Ausnehmung 27 auf, die ebenfalls seitlich an dem Bauteil 22 angeordnet ist. In der Ausnehmung 27 befindet sich ein Füllelement 28, das dem Füllelement 24 entspricht. Das Füllelement 28 ist von einem Dehnungsmessstreifen 29 umgeben, der an eine weitere Signalauswerteeinheit angeschlossen ist. An diese weitere Signalauswerteeinheit ist auch ein Dehnungsmessstreifen 30 angeschlossen, der an der Außenseite des Bauteils 22 angeordnet ist, und der dem Dehnungsmessstreifen 26 entspricht.
Figur 5 zeigt die Ausnehmung 27, in die das Füllelement 28 eingesetzt ist, in einem vergrößerten Maßstab. In Figur 5 erkennt man, dass das Füllelement 28 von dem Dehnungsmessstreifen 29, dessen Signal einen zur Temperaturänderung proportionalen Dehnungsmesswert liefert, umgeben ist. Der Dehnungsmessstreifen 29 umgibt die Ausnehmung 27 mäanderartig. Zusätzlich ist ein weiterer Dehnungsmessstreifen 31 als Kompensations-DMS vorgesehen, der im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und den mäanderförmigen Dehnungsmessstreifen 29 außenseitig umgibt. Die Dehnungsmessstreifen 29, 31 sind seitlich an dem Bauteil 22 angebracht. Das Aufbringen aller Dehnungs- messstreifen 29, 30, 31 sowie der Dehnungsmessstreifen 25, 26 erfolgt durch ein einziges Beschichtungsverfahren, nachdem zuvor die Füllelemente 24, 28 in die Ausnehmungen 23, 27 eingebracht worden sind. Anschließend wird das Füllelement 28 durch Beschichten mit dem Dehnungsmessstreifen 25 versehen, im Rahmen desselben Herstellungsprozesses werden die Dehnungs- messstreifen 29, 30, 31 aufgebracht.
Die Messelemente bzw. die mit einem oder mehreren Messelementen verse henen Bauteile können effizient und kostengünstig durch ein einziges Herstel lungsverfahren, bei dem eine Beschichtung aufgebracht wird, erzeugt werden.
Bezugszahlenliste
1 . Bauteil
2. Messelement
3. Dehnungsmessstreifen
4. Dehnungsmessstreifen
5. Außenring
6. Signalauswerteeinheit
7. Leitung
8. Leitung
9. Dehnungsmessstreifen
10. Bimetallelement
1 1 . Leitung
12. Messelement
13. Dehnungsmessstreifen
4. Bauteil
15. Dehnungsmessstreifen
16. Verformungselement
17. Punkt
18. Punkt
19. Dehnungsmessstreifen
20. Doppelpfeil
21 . Messelement
22. Bauteil
23. Ausnehmung
24. Füllelement
25. Dehnungsmessstreifen
26. Dehnungsmessstreifen
27. Ausnehmung
28. Füllelement
29. Dehnungsmessstreifen
30. Dehnungsmessstreifen
31 . Dehnungsmessstreifen

Claims

Patentansprüche
1 . Messelement (2, 12, 21 ) zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße eines Bauteils (1 , 14, 22), umfassend wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) (3, 4, 13, 26, 30) und eine Signalauswerteeinheit (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (2, 12, 21 ) wenigstens einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit (6) angeschlossenen Dehnungsmessstreifen (9, 15, 25, 29) aufweist, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung aus- gebildet ist, wobei der erste Dehnungsmessstreifen (3, 4, 13, 26, 30) und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen (9, 15, 25, 29) durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind.
2. Messelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (3, 4, 9, 13, 15, 25, 26, 29, 30) durch ein Be- schichtungsverfahren hergestellt sind.
3. Messelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinheit (6) dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten temperaturabhängigen Dehnung des wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifens (9, 15, 25, 29) einen Temperaturwert zu bestimmen.
4. Messelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängi- gen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen (9) auf einem
Bimetallelement (10) angebracht ist und dass die Signalauswerteeinheit (6) dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten Dehnung des Bimetallelements (10) einen Temperaturwert zu bestimmen.
5. Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen (15) auf einem Verformungselement (16) angeordnet ist, das aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messenden Bauteils (14) unterscheidet.
Messelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement (16) eine stabformige Grundform aufweist und an wenigstens zwei Punkten (17, 18) an dem zu messenden Bauteil (14) befestigt ist.
Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen (25, 29) auf oder neben einem Füllelement (24, 28) angeordnet ist, das in eine Ausnehmung (23, 27) des zu messenden Bauteils (22) einsetzbar oder eingesetzt ist, wobei das Füllelement (24, 28) aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messenden Bauteils (22) unterscheidet.
Messelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen weiteren Dehnungsmessstreifen zur Kompensation einer temperaturabhängigen Widerstandsänderung des zweiten, zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung ausgebildeten Dehnungsmessstreifens (9, 15, 25, 29) ist.
Messelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinheit (6) dazu ausgebildet ist, aus der erfassten Dehnung eine wirkende Kraft oder ein wirkendes Moment zu bestimmen.
Bauteil (1 , 14, 22), umfassend wenigstens ein Messelement (2, 12, 21 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen (9, 15, 25, 29) auf einem auf dem Bauteil (1 ) angeordneten Bimetallelement (10) oder auf einem auf dem Bauteil (14) befestigten Verfornnungselennent (16) oder auf einem in eine Ausnehmung (23, 27) des Bauteils (22) eingesetzten Füllelement (24, 28) angeordnet ist.
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