[发明专利]具有传感器装置的机械元件和制造机械元件的方法

说明书

本发明涉及具有中空轴部分和用于检测影响中空轴部分的机械应力的传感器装置的机械元件，该传感器装置布置在中空轴部分中。

管状或棒状机械元件在机器和工厂构造的许多领域中用作轴或中空轴、轴或棒结构。关于在制造和组装期间作用在机械元件上的机械应力的全面和精确的知识在新的机械元件的开发阶段期间以及在机械元件的使用和整个使用寿命期间是非常有意义的。

为了测量作用在机械元件上的机械力和力矩，特别是在试验台和开发实验中，合适的传感器从外部固定在机械元件的表面上，并且传感器值被测量和评估。在许多情况下，应变计能够用于以成本有效且可靠的方式检测机械元件表面上的甚至微小的变形。

传感器值的连续监测是有益的，且有时需要例如在称重技术、负载监测以及生产控制和生产监测中进行。除了永久状态监测之外，传感器装置和应用可能性也是已知的，通过其能够检测到早期的诸如裂纹或塑性变形等结构损坏，其可能会损害机械元件的功能，或损坏和缩短机械元件的寿命和可靠性。根据传感器装置检测到的变化或结构损坏，可能在发生危急情况之前检测到机械元件即将发生的故障。

为了能够对影响机械元件的机械应力进行最可靠且精确的测量，有必要将传感器装置尽可能精确且永久地固定在机械元件上。同时，应该避免传感器设备在测量期间，在其预期的使用期间以及在制造和组装期间受到过度的应力，这可能导致不正确的测量或对传感器装置造成损坏。同时，与常规机械元件相比，传感器不应对操作和使用造成任何限制，诸如由于安装在机械元件外部的传感器或由于安装传感器可能需要的接头引起的限制。

例如，从EP 1 597 128 B1已知传感器装置布置在轴的腔中以保护其免受外部影响和环境条件的影响。传感器装置在轴的腔中被保护以防止操作性机械和示意影响以及防止任何故意的损坏。机械元件的振动和结构固有噪声能够用布置在腔中的传感器装置进行记录和评估。传感器装置在腔中的永久精确固定不是必要的，因为传感器装置不旨在测量机械元件的腔的变形。

中空轴是已知的，其中传感器装置通过粘合剂结合或压配合力锁定被固定在中空轴的内部。尽管能够相对准确地给出传感器装置在中空轴内的位置，但是以这种方式布置的传感器装置只能在有限的程度上适用于中空轴的轴向和径向变形的综合检测，因为传感器信号的可靠分析通常需要相关传感器或传感器装置在测量点处在存在预加载力的情况下固定。此外，传感器设备的布置和限定需要大量的安装工作。

因此，认为本发明的任务是以下述方式设计上述类型的机械元件，即使得传感器装置被布置为在机械元件上尽可能地被保护，并且在尽可能长的时间段内提供对作用在机械元件上的机械负载的可靠且精确的测量。

根据本发明，通过下述事实来解决这个任务：机械元件的中空轴部分具有第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构，并且传感器装置以在第一径向向内突出的结构和第二径向向内突出的结构之间的轴向预加载力形状配合地/刚性地固定。两个径向向内突出的结构能够是例如在圆柱形表面中界定中空轴部分的内部的周向凸出部。在有利的方式中，径向向内突出的结构的内径小于在轴向方向上中空轴部分两侧的相邻区域。能够通过以下方式来实现特别低的影响和损伤中空轴部分的性能：对于每个向内突出的结构，中空轴部分的两个相邻区域具有匹配的第一内径，以及在其之间形成的向内突出的结构具有小于第一内径的第二内径。

径向向内突出的结构能够具有带有渐缩或锥形侧的三角形横截面面积。还可能的是径向向内突出的结构具有非对称轮廓的横截面。

向内突出的结构能够形成一个或多个限位表面，传感器装置的相对面能够在所述限位表面上彼此接触。

传感器装置形状配合地固定在两个径向向内突出的结构之间，从而能够排除传感器装置的非期望的轴向移位。此外，通过指定在向内突出的结构的接触表面之间的距离，能够沿轴向方向在位于其间的传感器装置上施加接触压力，并且由此促使传感器装置的轴向预加载力。

轴向预加载力能够达到足够大的值，因此使得传感器装置相对于周围的中空轴部分被足够抗扭地紧紧固定，为了可靠地检测被施加的转矩和扭转负载。轴向预应力也适当地足够大以对抗在通常在预期使用期间发生的温度和机械负载作用下可能发生的蠕变效应。此外，传感器装置的预应力使得能够提供用于适当地选择和附接的传感器的测量信号，其在更广的范围内进行线性的与变形相关的测量，并且有助于精确评估。