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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit einem Überwachungsmodul, das mindestens eine elektronische Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Betriebszustands des Anbaugeräts oder Landwirtschaftsfahrzeugs aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei vielen Maschinen oder Fahrzeugen treten hohe Belastungen auf, insbesondere bei Landmaschinen, an welche ein Anbaugerät vor oder hinter der Landmaschine mittels einer Kupplung angekuppelt ist. Auch bei z. B. Bodenbearbeitungsgeräten, wie Egge, Grubber, Lockerer, Walze, Pflug, Mulcher, Striegel, Zerkleinerer oder Sähmaschine treten hohe Belastungen auf, insbesondere in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit der Landmaschine, mit welcher das jeweilige Bodenbearbeitungsgerät verkuppelt ist. Aufgrund der meist bedeutenden Leistung von Landmaschinen besteht die Gefahr, dass die Anbaugeräte zu stark belastet werden, oder dass die Anbaugeräte nicht optimal ausgerichtet sind, mit der Folge, dass das Arbeitsergebnis nicht zufriedenstellend ist. Die
DE 199 25 460 A1 beschreibt eine Gleit- und/oder Wälz-Paarung mit Dünnschichtsensorik, welche in die Kontaktzone der die Gleit- und/oder Wälzpaarung bildenden Bauteile eingebracht ist. Dabei kann die Dünnschichtsensorik beispielsweise durch einen Kraftsensor ausgebildet sein.
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Die
DE 10 2009 040 344 A1 offenbart einen Aktuator mit integriertem Zustandsüberwachungssystem, das mindestens einen piezoresistiven Sensor aufweist.
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Die
DE 10 2009 044 980 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauelementes ohne Passivierung, insbesondere eines Dünnschicht-Hochdrucksensors, wobei eine piezoresistive Sensorschicht vorgesehen ist.
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Die
DE 32 03 334 A1 offenbart eine Kraftmesseinrichtung zur Steuerung der Position eines von einer landwirtschaftlichen Maschine zu schleppenden Werkzeugs.
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Die
EP 1 821 090 A2 beschreibt einen Kraftsensor und ein Herstellungsverfahren dafür. Der Kraftmessbolzen kommt an einem Ackerschlepper zum Einsatz.
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Die
DE 10 2010 020 190 A1 offenbart eine laserstrukturierte Sensoreinheit und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Die
DE 10 2010 024 808 A1 betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor, der als separates Bauteil in en anderes Bauteil einsetzbar oder mit diesem verbindbar ist.
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Die
DE 102 43 095 A1 beschreibt ein Wälzlager mit integrierter Zustandsmessung. Dabei ist eine kraftsensitive Messschicht vorgesehen, die beispielsweise in einem ARC-, Sputter- und Gasflussverfahren, sowie Plasma-CVD-Verfahren hergestellt sein kann.
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Die
DE 39 42 057 A1 offenbart eine landwirtschaftlich nutzbare Zugmaschine mit einem System zur dynamischen Stabilisierung seiner Bewegungen. Dabei sind die Fahrgeschwindigkeit der Zugmaschine erfassende Sensormittel vorhanden, insbesondere in Form eines die Raddrehzahl ermittelnden Drehzahlgebers.
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Die
EP 2 016 818 A1 beschreibt ein Hubwerk eines Traktors und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Hubwerks. Zur Erfassung auftretender Kräfte, Drücke, Geschwindigkeiten und Hubwerkspositionen sind am Traktor eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen.
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Die
EP 0 341 459 A2 offenbart eine landwirtschaftlich nutzbare Zugmaschine in Form eines Traktors mit angekoppeltem Anbaugerät. Eine Regeleinrichtung steuert dabei die Bewegungen Anbaugeräts zur aktiven Schwingungsdämpfung und verarbeitet dabei die Istwerte mehrerer Sensoren, beispielsweise in Form von Kraftmessbolzen.
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Die
DE 10 2007 030 168 A1 beschreibt eine elektronische Steuerung für die Antriebseinheit eines Fahrzeugs wie selbstfahrende landwirtschaftliche Erntemaschinen. Um eine gute Traktion und geringen Schlupf der Räder des Fahrzeugs zur Bodenfläche zu erreichen, werden Steuereinrichtungen eingesetzt, die das Antriebsdrehmoment an den Rädern steuern. Die Steuereinrichtung ist dazu mit einer Vielzahl an in der Erntemaschine angeordneten Sensoren verbunden, die die Veränderungen der dynamischen Maschinenparameter kontrollieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit einem Überwachungsmodul bereitzustellen, mittels welcher eine auf ein Landwirtschaftsfahrzeug und/oder ein mit dem Landwirtschaftsfahrzeug gekuppeltes Anbaugerät einwirkende Belastung auf einfache Weise erfasst werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit einem Überwachungsmodul, das mindestens eine elektronische Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Betriebszustands des Anbaugeräts oder des Landwirtschaftsfahrzeugs aufweist, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens ein Sensorelement in Form eines Kraftsensors aufweist, welches als eine in mehreren Lagen aufgebaute Beschichtung ausgebildet ist, die auf wenigstens einem Lager des Anbaugeräts oder des Landwirtschaftsfahrzeugs aufgebracht ist, wobei das Lager als Wälzlager mit Lagerringen in Form eines Innenrings und eines Außenrings ausgebildet ist, wobei die Beschichtung zumindest teilweise auf einer Laufbahn und auf einer Stirnfläche des Innen- und/oder Außenrings des Wälzlagers vorgesehen ist, und wobei die Beschichtung in einem CVD- oder PVD-Verfahren gebildet ist.
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Hierdurch kann auf einfache Weise ein Arbeitsergebnis einer Maschine, z. B. eines Bodenbearbeitungsgerätes, überwacht werden. Das Sensorelement kann dabei auch als ein Teil der Beschichtung oder als eine einzelne Lage einer Beschichtung mit einer Mehrzahl von Lagen ausgebildet sein. Das Überwachungsmodul kann dabei als Teil einer Überwachungsvorrichtung eines Landwirtschaftsfahrzeugs oder Anbaugerätes ausgeführt sein. Die Sensoreinrichtung kann mehrere Sensorelemente umfassen, und ein jeweiliges Sensorelement kann mehrere Einzelsensoren, insbesondere hier so genannte Messbrücken, umfassen.
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Es sind bereits Versuche unternommen worden, an Wälzlagern Sensoren anzuordnen, um Lagerkräfte messen zu können. Dazu können z. B. eine Wegmessung, eine Widerstandsmessung, insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen (DMS), eine magnetoelastische Messung, eine Induktivmessung oder eine piezoelektrische Kraftmessung in Erwägung gezogen werden. Über die gemessenen Lagerkräfte kann dabei versucht werden, zu ermitteln, ob das Lager zu stark belastet wird. Über die Stärke der Belastung kann dann möglicherweise auch ein Rückschluss auf die Art der Belastung bzw. auf einen Betriebszustand gezogen werden. Eine Integration von Sensoren in Wälzlager ist dabei meist nur dann zielführend, wenn eine gute Kenntnis von Spannungen bzw. Spannungsverläufen innerhalb des Lagers vorliegt, um von erfassten Messwerten auf eine tatsächliche Lagerbelastung schließen zu können. Um eine gute Genauigkeit zu erzielen, sind die Sensoren gegebenenfalls in spezifischen Bereichen eines Lagers, insbesondere eines Lagerrings, anzuordnen, wozu möglicherweise auch Modifikationen am Lager erforderlich sind.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 003 591 A1 zeigt ein Wälzlager mit einem darin neben einer Laufbahn des Wälzlagers angeordneten Sensorelement, welches eine drucksensitive, insbesondere piezoelektrisch aktive Schicht aufweist. Wälzkörper des Wälzlagers rollen seitlich versetzt neben dem Sensorelement ab.
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Die Patentschrift
EP 1 563 269 B1 zeigt ein Kraftmesslager mit gekrümmten Laufbahnen, welches Wälzkörper und in einer Nut angeordnete Sensoren, insbesondere Dehnungsmessstreifen, aufweist, wobei die Nut an einer Außen- oder Innenmantelfläche des Kraftmesslagers derart angeordnet ist, dass die Wälzkörper die Sensoren überrollen.
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Mit den vorbekannten Lagern ist es möglich, Lagerbelastungen direkt an den Lagern zu erfassen und den Zustand der Lager näher zu beurteilen. Die Sensoren sind dabei an vorbestimmten Positionen in Bezug zu einer Laufbahn der Wälzkörper angeordnet.
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Im Gegensatz dazu beruht die Erfindung auf dem Konzept, eine Vielzahl unterschiedlicher Messwerte, insbesondere Kräfte an einer Landmaschine zu erfassen, wobei eine bestimmte Einbausituation oder ein bestimmter Aufbau der Landmaschine möglichst ohne bedeutenden Einfluss auf die Messung und Auswertung bleibt. Dabei kann mit einer kraftmessenden Beschichtung eine Erfassung von Messwerten an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen des Lagers erfasst werden, insbesondere mittels der hier so genannten Messbrücken, die in der Beschichtung vorgesehen sind. Es können Kräfte in einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen erfasst werden. Die Messbrücken können auch direkt von Wälzkörpern überrollt werden oder zumindest unmittelbar neben der Laufbahn angeordnet werden. Dies kann die Genauigkeit beim Erfassen von Lagerkräften und damit des Betriebszustands erhöhen. Als Betriebszustand ist dabei bevorzugt auch ein Belastungszustand zu verstehen, also die Stärke einer Belastung bei einem jeweiligen Betriebszustand, z. B. bei halber Kraft oder Geschwindigkeit voraus.
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Mit dem erfindungsgemäßen Überwachungsmodul ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere eine Steigerung der Lagerfunktionalität, eine integrierte bauraumneutrale Anordnung der Sensorik, eine einfache und mit diversen Einsatzfällen kompatible Kombination der Funktionen Lagerung und Kraftmessung, ein Verzicht auf aufwändiges nachträgliches Justieren (insbesondere in Bezug auf eine bestimmte Anordnung von Sensoren), ein geringer Montageaufwand, sowie das Erfordernis von wenn überhaupt dann nur minimalen Modifikationen im Vergleich zu herkömmlichen Lagern. Modifikationen können z. B. an das jeweilige Lager umgebenden Komponenten (Umgebungskonstruktion) im Hinblick auf einen Steckerabgang sinnvoll sein.
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Erfasste Lagerkräfte können auf einfache und/oder besonders genaue Weise ausgewertet und für eine Steuerung oder Regelung genutzt werden. Die Vorrichtung ist dabei auch für einen breiten Einsatzbereich geeignet und mit herkömmlichen Maschinen oder Fahrzeugen kompatibel, denn Adaptationen der Maschinen bzw. Geräte selbst sind nicht erforderlich. Auch ein Nachrüsten ist möglich.
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Erfindungsgemäß ist das Sensorelement ein Kraftsensor. Als ein Kraftsensor ist dabei ein Sensorelement zu verstehen, welches eine physikalische Größe messen kann, die direkt den Betrag einer Druck-, Zug- oder Scherkraft wiedergibt, oder die indirekt einen Betrag einer Messgröße erfasst, welche in eine Druck-, Zug- oder Scherkraft umgerechnet werden kann.
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Als eine messende Beschichtung ist dabei eine Beschichtung zu verstehen, welche aus mehreren Lagen aufgebaut ist, insbesondere einer untersten Schutz- oder Isolierschicht (welche auch als ”insulation layer” bezeichnet werden kann), einer darauf angeordneten Nickel-Chrom(NiCr)-Schicht, einer darauf angeordneten Kaptonfolie, und einer auf der Kaptonfolie vorgesehenen elektrischen Kontaktschicht, insbesondere aus Gold. In der messenden Beschichtung, insbesondere einer der Lagen, können Strukturen (bevorzugt mäanderförmig) eingebracht werden, insbesondere mittels Laser. Diese Strukturen können jeweils zumindest einen Teil einer Messbrücke bilden, mit welcher ein jeweiliger Messwert, insbesondere eine Kraft erfasst und gegebenenfalls auch ausgewertet werden kann. In der Beschichtung können eine Vielzahl von (gegebenenfalls unterschiedlich ausgerichteten oder ausgebildeten) Messbrücken angeordnet sein, insbesondere um die Genauigkeit der Auswertung des Betriebszustands zu erhöhen.
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Die messende Beschichtung kann sich bei Belastung elastisch verformen und je nach Grad der Verformung ein Messsignal bestimmter Größe ausgeben. Die messende Beschichtung kann z. B. die Funktion einer Dehnungssensorik erfüllen, d. h. auf eine Weise vergleichbar zu Dehnungsmessstreifen die Messwerte erfassen. Das Messsignal kann eine Lagerkraft kennzeichnen oder zur Berechnung der Lagerkraft bzw. Umrechnung in die Lagerkraft verwendet werden. Die Messung kann z. B. auch eine Gewichtsmessung sein.
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Die NiCr-Schicht kann in der Art eines Dehnungsmessstreifens bereitgestellt werden oder zumindest eine Struktur oder Geometrie wie jene eines Dehnungsmessstreifens aufweisen. Bevorzugt weist die Beschichtung eine Chrom-Elektrode zur Widerstandsmessung auf, welche gesputtert ist und welche laserstrukturiert ist. Durch eine Laserstrukturierung kann dabei z. B. eine Mäanderstruktur erzeugt werden, beispielsweise in der von Dehnungsmessstreifen bekannten Form.
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Bevorzugt sind die Messbrücken in der NiCr-Schicht angeordnet und weisen unter anderem eine mäanderförmige Struktur auf. Die Messbrücken können dabei die zuvor genannten laserstrukturierten Chrom-Elektroden aufweisen. Je nach Art des Lagers und je nach Anwendung können die Messbrücken mit einer zweckdienlichen Anzahl, Ausrichtung und Anordnung relativ zu dem Lager bzw. zu einer Laufbahn des Lagers vorgesehen sein. Bevorzugt sind die Messbrücken eingerichtet, einen Widerstand zu erfassen.
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Die vom Sensorelement erfassten Messwerte können z. B. über einen Steckerabgang, wie ein Kabel oder ein Steckkragen, an eine Auswertevorrichtung übertragen werden. Als eine Auswertevorrichtung ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, welche Messwerte von einem oder mehreren Sensorelementen auswerten kann und auch eine Umrechnung zwischen Messgrößen vornehmen kann. Die Auswertevorrichtung kann dabei spezifische Eigenschaften des Sensorelements oder der Anordnung des Sensorelements, insbesondere in Bezug auf die Laufbahn, berücksichtigen. Dabei kann ein kontinuierliches Messsignal bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist die Beschichtung eine Beschichtung, welche in einem so genannten „chemical vapour deposition”(CVD)-Prozess direkt auf einen der Lagerringe aufgebracht ist, also direkt auf einem Werkstoff der Lagerringe, z. B. direkt auf eine bestimmte Stahllegierung, welche für ein jeweiliges Lager vorteilhaft ist. Alternativ kann auch ein PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) zur Beschichtung eingesetzt werden.
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Das Lager ist dabei ein sich drehendes Rotationslager bzw. Radiallager, insbesondere mit einem Freiheitsgrad. Das Lager kann aber auch mehrere Freiheitsgrade aufweisen, insbesondere eine Rotation und eine Translation. Erfindungsgemäß ist das Lager als Wälzlager ausgebildet, mit
- – einem Innenring und einem Außenring, wobei zumindest einer der Ringe eine Laufbahn des Wälzlagers aufweist;
- – einer Mehrzahl von Wälzkörpern, welche zwischen dem Innen- und Außenring angeordnet sind und auf der Laufbahn abrollen können; und
- – der messenden Beschichtung, welche zur Messung eines Messwertes, insbesondere einer von den Wälzkörpern auf die Laufbahn ausgeübten Kraft, ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist das Überwachungsmodul eine Vielzahl von Sensorelementen auf, die auf mindestens einem Lager des Landwirtschaftsfahrzeugs und mindestens einem Lager des Anbaugerätes aufgebracht sind, insbesondere jeweils an einem Lager eines einzelnen Werkzeugs des Anbaugerätes. Hierdurch kann eine umfassende Diagnose erfolgen, und je nach Einstellmöglichkeiten können einzelne Werkzeuge individuell eingestellt werden, um deren Belastungszustand in einem vorgegebenen Bereich zu halten.
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Dabei ist die Beschichtung zumindest teilweise auf einer Laufbahn und auf einer Stirnfläche eines Innen- und/oder Außenrings des Wälzlagers vorgesehen. Hierdurch kann eine Messung von Lagerkräften unmittelbar dort erfolgen, wo die Kräfte von Wälzkörpern des Wälzlagers in den entsprechenden Lagerring eingeleitet werden.
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Eine strukturelle Schwächung eines Wälzlagers, insbesondere eines der Lagerringe, z. B. durch eine Nut zur Aufnahme eines Sensorelements, ist bei einer messenden Beschichtung nicht erforderlich. Die Beschichtung kann aufgebracht werden, ohne dass die Form oder der Aufbau des Wälzlagers verändert werden muss. Dies erleichtert nicht zuletzt die Auslegung des Wälzlagers und erweitert den Einsatzbereich der Beschichtung.
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Als Wälzlager sind bevorzugt Kugel- oder Rollen- oder Nadellager zu verstehen, d. h. Lager mit Wälzkörpern, die auf einer Lagerfläche abrollen bzw. abwälzen.
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Als eine Laufbahn ist dabei bevorzugt ein Abschnitt der Oberfläche des Wälzlagers zu verstehen, in welchem die Wälzkörper in Kontakt mit dem Innen- und/oder Außenring sind oder gelangen können. Die Laufbahn ist bevorzugt ein Teil einer Mantelfläche des Innen- und/oder Außenrings. Die Laufbahn kann gekrümmt sein oder eine Art Nut sein, und sie kann auch aus einem im Vergleich zu die Laufbahn umgebenden Abschnitten aus z. B. härterem Material ausgeführt sein.
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Als eine Mantelfläche ist dabei eine beliebige Oberfläche des Innen- oder Außenrings zu verstehen, sei es eine Innenmantelfläche des Außenrings, welche angrenzend zur Laufbahn angeordnet ist oder die Laufbahn umfasst, sei es eine Außenmantelfläche des Außenrings, insbesondere radial außen in axialer Überlappung mit der Laufbahn, d. h. in derselben axialen Lage wie die Laufbahn. Eine Mantelfläche ist dabei als ein Abschnitt der Oberfläche des Wälzlagers zu verstehen, welcher durch eine Stirnfläche des Wälzlagers gebildet ist.
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Bei besonders stark belasteten Lagern oder besonders schnelllaufenden Lagern ist es bevorzugt, wenn die Beschichtung zumindest teilweise auch auf Oberflächen angeordnet ist, welche nicht einer Laufbahn des Lagers entsprechen. Hierdurch kann ein Sensorelement mit einer langen Lebensdauer bereitgestellt werden, und es können Messwerte erfasst werden, selbst wenn die Beschichtung im Bereich der Laufbahn bereits etwas abgenutzt sein sollte.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kontaktiert die Beschichtung die Oberfläche des Wälzlagers, insbesondere ohne adhäsive Zwischenschicht. Die Beschichtung selbst ist in direktem Kontakt mit der Oberfläche, insbesondere einer Mantelfläche des Wälzlagers. Eine Beschichtung, welche direkt auf einem Werkstoff (insbesondere Lagerstahl) des Wälzlagers aufgebracht ist, also keine Klebung oder sonstige adhäsive Zwischenschicht erfordert, liefert den Vorteil einer langen Lebensdauer bzw. gleichbleibender Sensoreigenschaften über die Lebensdauer. Es gibt keine Klebe- oder sonstige Adhäsionsflächen, welche altern können. Durch eine Alterung der Adhäsionsschicht werden die Sensoreigenschaften bzw. die Art der Erfassung von Messwerten verändert, was z. B. hinsichtlich der Sensorgenauigkeit nachteilig ist. Dieser Nachteil ergibt sich in vielen Fällen im Zusammenhang mit Dehnungsmessstreifen und kann durch die Beschichtung vermieden werden.
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Bevorzugt ist die Beschichtung als Dünnschicht bzw. als in Dünnschichttechnologie aufgebrachte Beschichtung ausgebildet.
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Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante kann die Beschichtung auch als Dickschicht bzw. als in Dickschichttechnologie aufgebrachte Beschichtung ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung als Dickschicht kann zwischen der Beschichtung und dem Wälzlagerwerkstoff auch ein Träger bzw. eine Trägerschicht vorgesehen sein, welcher die Oberfläche des Wälzlagers kontaktiert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Überwachungsmodul eine Steuerungseinrichtung zum Einstellen eines Betriebszustands des Landwirtschaftsfahrzeugs und/oder Anbaugerätes auf. Bevorzugt weist die Steuerungseinrichtung eine mit dem Sensorelement verbundene Auswerteeinheit zum Auswerten von Messwerten auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Steuerungseinrichtung eine mit dem Sensorelement verbundene Auswerteeinheit zum Auswerten eines Messwerts auf, die mit wenigstens einer in der Beschichtung ausgebildeten Messbrücke des Sensorelements verbunden ist. Die Auswerteeinheit kann über elektrische Leitungen mit den Messbrücken verbunden sein, die direkt auf einer Oberfläche des Lagers an bzw. in der Beschichtung befestigt sind. Je nach Ausgestaltung und Funktionsumfang der Messbrücken kann die Auswerteeinheit auch zumindest teilweise durch eine oder mehrere Messbrücken gebildet sein.
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Als eine Messbrücke ist dabei bevorzugt ein Teil der Beschichtung zu verstehen, in welchem eine Erfassung von Messwerten erfolgt. Bevorzugt sind die Messbrücken in unterschiedlichen Abständen und unterschiedlicher Ausrichtung zu einer Laufbahn eines Wälzlagers angeordnet und sind eingerichtet, Kräfte in allen drei Raumrichtungen zu erfassen, insbesondere indem zumindest einige der Messbrücken nicht zweidimensional, sondern dreidimensional in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die Messbrücken zueinander linear unabhängig angeordnet, d. h. dass die Vektoren, die die Ausrichtung der einzelnen Messbrücken beschreiben, zueinander linear unabhängig sind, bevorzugt senkrecht zueinander, besonders bevorzugt können die Messbrücken auch radial und axial angeordnet werden. Bevorzugt sind mindestens zwei Messbrücken eingesetzt, besonders bevorzugt mindestens drei Messbrücken. Besonders bevorzugt sind die mäanderförmigen Bereiche radial angeordnet, weiterhin bevorzugt sind sie axial, insbesondere in Bezug auf die Laufbahn, angeordnet besonders bevorzugt sind sie radial und axial angeordnet.
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Mit der Steuerungseinrichtung in Verbindung mit der messenden Beschichtung des Lagers ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere die Möglichkeit, ein Arbeitsergebnis, während der Bearbeitung eines landwirtschaftlichen Bodens, zu überwachen und zu beeinflussen, und das Anbaugerät so einzusetzen, dass es nicht überlastet wird. Die Steuerungseinrichtung kann mit Hilfe des Lagers Informationen über wirkende Lagerkräfte bereitstellen, so dass z. B. bei Landmaschinen und Anbaugeräten eine Regelung der Lagerkräfte, insbesondere durch eine Höhenverstellung der Anbaugeräte oder durch eine Regelung der Fahrgeschwindigkeit der Landmaschine, erfolgen kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Steuerungseinrichtung einen Datenspeicher mit wenigstens einem darin hinterlegten Sollwert auf und ist eingerichtet, einen erfassten Messwert mit dem Sollwert zu vergleichen und in Abhängigkeit einer Abweichung des Messwerts vom Sollwert Steuersignale an einen Aktor auszugeben. Mit anderen Worten weist die Steuerungseinrichtung einen Regler auf oder ist eingerichtet, eigenständig eine Regelung vorzunehmen.
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Das Überwachungsmodul weist eine Schnittstelle zu mindestens einem Aktor auf, insbesondere einem Aktor eines Bodenbearbeitungsgerätes oder Landwirtschaftsfahrzeugs, zum Einstellen eines Betriebszustandes. Gemäß einer Variante kann das Überwachungsmodul den mindestens einen Aktor auch umfassen.
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Durch den Abgleich von aktuellen Istwerten mit Sollwerten an Messpunkten in Lagern kann auf einfache Weise eine umfassende Analyse von Arbeitsvorgängen und Belastungszuständen erfolgen, selbst bei einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge einer Maschine. Ein Betriebszustand kann dabei schon basierend auf einem einzigen Soll-Ist-Vergleich eines einzigen Sensorelements eingestellt werden. Bevorzugt erfolgt jedoch eine Vielzahl von Soll-Ist-Vergleichen basierend auf Messwerten von einer Vielzahl von Sensorelementen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Beschichtung auf, insbesondere einen Schutzlack, eine Umspritzung und/oder eine Einhausung. Durch die Schutzeinrichtung kann das Sensorelement vor Umwelteinflüssen geschützt werden und auch hinsichtlich einzelner IP-Klassen einer bestimmten Sicherheitsklasse zugeordnet werden.
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Eine Kraftmessung am Landwirtschaftsfahrzeug kann direkt in einer Kupplung bzw. Aufnahme zum Anbaugerät erfolgen. Bevorzugt ist das Anbaugerät oder Landwirtschaftsfahrzeug mit mindestens einem mit dem Überwachungsmodul verbundenen Aktor ausgerüstet, wobei das Überwachungsmodul eingerichtet ist, den Aktor anzusteuern und zu betätigen.
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Gemäß einer Variante kann die messende Beschichtung weiterhin auch an einer entsprechenden Adaption am Landwirtschaftsfahrzeug bzw. Anbaugerät vorgesehen sein, insbesondere an einem Gehäuse erfolgen. Hierdurch kann zusätzlich zu in Lagern erfassten Kräften auch z. B. eine Verwindung bzw. strukturelle Beanspruchung eines Trägers oder Rahmens erfasst werden.
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Bevorzugt weist das Anbaugerät und/oder das Landwirtschaftsfahrzeug eine Steuerungseinrichtung auf, welche in Verbindung mit dem Sensorelement steht, insbesondere über eine Auswertevorrichtung, und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Messwerte des Sensorelements eine Steuerung des Anbaugeräts und/oder das Landwirtschaftsfahrzeugs vorzunehmen. Beispielsweise können einzelnen Scheiben einer Kreiselegge eingestellt werden. Weiter bevorzugt ist die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet, Messergebnisse von mehreren Sensorelementen, insbesondere einem an einer Kupplung zwischen dem Anbaugerät und dem Landwirtschaftsfahrzeug angeordneten Sensorelement und mehreren an einzelnen Werkzeugen des Anbaugerätes angeordneten Sensorelementen, zu verarbeiten und mit Sollwerten (in Abhängigkeit eines jeweiligen Anbaugeräts) zu vergleichen und bei einer Überschreitung von Sollwerten oder Sollwertbereichen einen Warnton auszugeben oder das Anbaugerät bzw. das Landwirtschaftsfahrzeug derart anzusteuern, dass die Messwerte wieder im Sollwertbereich liegen, z. B. indem eine Fahrgeschwindigkeit gedrosselt wird. Die Steuerungseinrichtung weist bevorzugt eine oder mehrere Auswertevorrichtungen der zuvor beschriebenen Art auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das wenigstens eine Lager an einer Kupplung des Landwirtschaftsfahrzeugs für ein Anbaugerät und/oder an einem Flansch eines mit dem Landwirtschaftsfahrzeug kuppelbaren Anbaugeräts angeordnet. Eine Anordnung des Lagers an einer Kupplung oder einem Flansch kann dabei einer Lagerung der Kupplung oder des Flansches bzw. einer jeweiligen Welle in dem Lager entsprechen. Alternativ zu dem Flansch kann das Anbaugerät auch eine Kupplung aufweisen. Der (Haupt-)Flansch des Anbaugeräts entspricht dabei bevorzugt einem Maschinenelement, das mit der Kupplung vom Landwirtschaftsfahrzeug verbunden bzw. verbindbar ist, sei es direkt, sei es z. B. mittels einer Welle. Als Flansch ist dabei bevorzugt eine Komponente zur Kraftübertragung und zur Führung einer weiteren Komponente zu verstehen, also eine Art reversible Schnittstelle zwischen zwei Komponenten. Durch eine Anordnung an der Kupplung bzw. am Flansch kann eine auf das Anbaugerät wirkende Kraft in absoluter Form gemessen werden. Bevorzugt wird die Kraft sowohl an einer das Anbaugerät mit dem Landwirtschaftsfahrzeug verbindenden Welle als auch an einzelnen Lagern (insbesondere von einzelnen Werkzeugen) des Anbaugerätes gemessen, so dass ausgewertet werden kann, welches Werkzeug besonders stark beansprucht wird. Als eine Anordnung am Flansch ist dabei eine Verbindung des Lagers mit dem Flansch zu verstehen, bei welcher zumindest ein Teil, insbesondere ein Lagerring, des Lagers direkt mit dem Flansch verbunden und im Kraftfluss zwischen dem Flansch und irgendwelchen Werkzeugen angeordnet ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das wenigstens eine Lager an einem Flansch des Anbaugeräts und/oder an einem Werkzeug des Anbaugeräts angeordnet. Hierdurch kann eine Kraftmessung z. B. an mehreren Scheiben bzw. Zinken oder Andruckrädern bzw. Anpressrollen eines Anbaugeräts, insbesondere eines Arbeitsgeräts zur Bodenverfestigung, erfolgen. Es kann durch eine Auswertung der Messwerte und eine Regelung des Arbeitsgeräts vermieden werden, dass das Arbeitsgerät blockiert wird oder nicht in einer optimalen Höhe eingestellt ist. Auch kann das Arbeitsergebnis, insbesondere eine konstante Bodenrückverfestigung, auf genauere Weise erzielt werden.
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Es hat sich gezeigt, dass ein Überwachungsmodul mit einem messenden Lager an einem Anbaugerät und/oder Landwirtschaftsfahrzeug verwendet werden kann, insbesondere auch (jeweils) an einzelnen Werkzeugen eines Anbaugeräts, z. B. an einzelnen Scheiben einer Kreiselegge. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Kreiselegge mit Sensorelementen nachgerüstet werden, und es kann an einer Kupplung zum Landwirtschaftsfahrzeug ein Messwert, insbesondere eine absolute Kraft zwischen der Kreiselegge und dem Landwirtschaftsfahrzeug gemessen werden, und zusätzlich kann jedes einzelne Werkzeug überwacht werden. Somit kann ermittelt werden, ob die einzelnen Werkzeuge nicht zu stark beansprucht werden. Auch kann ermittelt werden, ob die absolute Kraft zwischen der Kreiselegge und dem Landwirtschaftsfahrzeug auch mit einer Belastung der einzelnen Werkzeuge einhergeht, also ob die absolute Kraft auch in einem bestimmten Verhältnis zu der Summe der Einzelbelastungen der Werkzeuge steht, z. B. in Abhängigkeit der Konsistenz des zu bearbeitenden Bodens. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Betriebszustand der Kreiselegge und auch auf das Arbeitsergebnis. Bevorzugt ist das Überwachungsmodul mit mindestens einem Aktor verbunden oder kommuniziert mit mindestens einem Aktor, wobei das Überwachungsmodul eingerichtet ist, den Aktor zu betätigen.
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Ein Verfahren zum Erfassen eines Betriebszustands eines Landwirtschaftsfahrzeugs und/oder eines mit dem Landwirtschaftsfahrzeug kuppelbaren Anbaugerätes wird mit dem Schritt ausgeführt:
- – Erfassen eines Betriebszustands mittels einer elektronischen Sensoreinrichtung;
bei welchem vorgesehen ist, dass der Betriebszustand durch Erfassen eines Messwertes in wenigstens einem Lager des Landwirtschaftsfahrzeugs erfasst wird, wobei der Messwert mit einem Sensorelement erfasst wird, welches durch eine auf dem wenigstens einen Lager aufgebrachte Beschichtung gebildet ist.
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Bevorzugt erfolgt auch ein Auswerten der Messwerte sowie eine Diagnose des Betriebszustand, insbesondere durch Abgleich der Messwerte mit hinterlegten Sollwerten bzw. Sollwertbereichen.
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Das Verfahren kann zum Einstellen eines Betriebszustands des Anbaugerätes und/oder Landwirtschaftsfahrzeugs weitergebildet sein, und dazu insbesondere die folgenden Schritte aufweisen:
- – Vergleichen gemessener Messwerte mit Sollwerten und Ermitteln einer Abweichung der Messwerte von den Sollwerten; und
- – Ansteuern mindestens eines Aktors des Anbaugeräts und/oder Landwirtschaftsfahrzeugs in Abhängigkeit der ermittelten Abweichung, zum Einstellen eines Betriebszustandes des Anbaugeräts und/oder Landwirtschaftsfahrzeugs.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren wird die Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 in schematischer Seitenansicht ein Überwachungsmodul, welches an einem Landwirtschaftsfahrzeug angeordnet ist;
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2 in schematischer Darstellung das Überwachungsmodul gemäß 1;
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3 in schematischer Schnittansicht ein Überwachungsmodul mit einem kraftmessenden Lager und mit einer Steuerungseinrichtung;
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4 in schematischer Detailansicht eine kraftmessende Beschichtung für ein Überwachungsmodul; und
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5 in schematischer Detailansicht Messbrücken, die in einer kraftmessenden Beschichtung für ein Überwachungsmodul angeordnet sind.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In der 1 ist ein Landwirtschaftsfahrzeug 1 mit einer Zapfwelle 3 gezeigt, an welches über eine Kupplung 2 und einen Triebstrang 3a ein Anbaugerät 1a gekuppelt ist. Der Triebstrang 3a greift an einem Flansch 4 des Anbaugerätes 1a an und ist hier schematisch als Verlängerung der Zapfwelle 3 des Landwirtschaftsfahrzeugs 1 dargestellt. An der Kupplung 2 ist ein messendes Lager 10 angeordnet. Das Anbaugerät 1a weist ein Werkzeug 1b auf, welches am Anbaugerät 1a gelagert ist. Wahlweise kann ein Lager (nicht dargestellt) für das Werkzeug als messendes Lager ausgeführt sein. Das Landwirtschaftsfahrzeug 1 weist ein Überwachungsmodul 100 auf, welches eine Steuerungseinrichtung 20 umfasst, die mit dem messenden Lager 10 sowie mit Aktoren 5.1, 5.2 verbunden ist.
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Die Aktoren 5.1, 5.2 können Aktoren des Fahrzeugs 1 sein oder Aktoren, welche durch das Überwachungsmodul 100 bereitgestellt werden. Einer der Aktoren 5.1, 5.2 kann z. B. die Höhe der Kupplung 2 und damit eine Höhe und/oder eine Neigung des Anbaugerätes 1a einstellen. Das Überwachungsmodul 100 kann auf das Lager 10 einwirkende Kräfte erfassen und die Aktoren 5.1, 5.2 derart ansteuern, dass die Lagerbelastung und damit ein bestimmter Betriebszustand eingestellt werden kann. Bevorzugt kann das Lager auch im Anbaugerät 1a sein, besonders bevorzugt können auch die Aktoren im Anbaugerät sein.
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In der 2 ist ein Überwachungsmodul 100 gezeigt, welches ein messendes Lager 10, eine Steuerungseinrichtung 20 mit einem Datenspeicher 20a, eine Auswerteeinheit 21 und eine Schnittstelle 22 zu einem Aktor (nicht dargestellt) aufweist.
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Im Datenspeicher 20a sind Sollwerte bzw. Sollwertbereiche für Messwerte, insbesondere Kraftbeträge hinterlegt. Mittels der Auswerteeinheit 21 kann ein erfasster Messwert mit den Sollwerten verglichen werden, und je nach Abweichung kann eine Ansteuerung eines Aktors über die Schnittstelle 22 erfolgen.
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In der 3 ist ein Überwachungsmodul 100 mit einem kraftmessenden Lager 10 und mit einer Steuerungseinrichtung 20 gezeigt, wobei das Lager 10 einen Innenring 11, einen Wälzkörper 12, einen Außenring 13, eine Laufbahn 14 für den bzw. mehrere Wälzkörper 12 sowie eine kraftmessende Beschichtung 16 aufweist. Die kraftmessende Beschichtung 16 ist hier auf einer Innenmantelfläche des Außenrings 13 aufgebracht und überdeckt dabei zumindest teilweise auch die Laufbahn 14. Die Beschichtung 16 kann wahlweise zusätzlich oder alternativ auch auf der Außenmantelfläche des Innenrings 11 aufgebracht sein. Besonders bevorzugt kann die Beschichtung auch auf der Außenmantelfläche des Außenrings 13 und auf der Innenmantelfläche des Außenrings 13 aufgebracht sein.
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Der bzw. die Wälzkörper 16 überrollt bzw. überrollen die Laufbahn 14 und üben eine Kraft auf die Beschichtung 16 aus, insbesondere indem die Beschichtung 16 überrollt wird oder indem der jeweilige Ring 11, 13 eine Belastung erfährt, welche zu einer Spannung in der Beschichtung 16 führt.
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In der 4 ist im Detail eine Beschichtung 16 eines kraftmessenden Lagers 10 gezeigt. Die Beschichtung 16 ist auf einem Außenring 13 aufgebracht und bedeckt eine Laufbahn 14 des Lagers 10. Die Beschichtung 16 ist aus vier Lagen aufgebaut, nämlich einer ersten Lage 16a, einer zweiten Lage 16b, einer dritten Lage 16c und einer vierten Lage 16d. Die erste Lage 16a entspricht einer untersten Schutz- oder Isolierschicht (”insulation layer”), die zweite Lage 16b entspricht einer darauf angeordneten Nickel-Chrom(NiCr)-Schicht, die dritte Lage 16c entspricht einer darauf angeordneten Kaptonfolie, und die vierte Lage 16d entspricht einer auf der Kaptonfolie vorgesehenen elektrischen Kontaktschicht, insbesondere aus Gold. In der zweiten Lage 16b sind Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 ausgebildet, an welchen eine jeweilige Kraft (insbesondere aufgrund einer Widerstandsmessung) erfasst und wahlweise auch ausgewertet werden kann.
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Die Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 sind an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf die Laufbahn 14 angeordnet und weisen voneinander abweichende Ausrichtungen auf. Hierdurch können Lagerkräfte in mehreren Raumrichtungen erfasst werden. Die Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 weisen durch Laser eingebrachte Strukturen bzw. Leitungen auf, bevorzugt auch eine mäanderförmige Struktur, mit welcher ein Widerstand gemessen werden kann, insbesondere gemäß einem Messprinzip vergleichbar zu jenem bei Dehnungsmessstreifen.
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In der 5 ist beispielhaft eine Anordnung von Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 einer kraftmessenden Beschichtung 16 in Bezug auf eine Laufbahn 14 eines Lagers 10 in einer Detailansicht dargestellt, wobei die Struktur der Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 nur schematisch angedeutet ist, insbesondere zur Verdeutlichung, dass eine Messung gemäß dem Messprinzip von Dehnungsmessstreifen erfolgen kann. Die Laufbahn 14 ist zentrisch auf der Außenmantelfläche eines Innenrings 11 des Lagers 10 angeordnet, und eine erste Messbrücke 16.1 ist direkt auf der Laufbahn 14 mit einer Anordnung quer zur Laufbahn 14 angeordnet. Die erste Messbrücke 16.1 kann bevorzugt quer zur Laufbahn 14 wirkende Kräfte erfassen, da die mäanderförmige Struktur eines Teils der Messbrücke 16.1 sich in Querrichtung erstreckt. Eine zweite Messbrücke 16.2 ist an einer Stirnfläche 15 des Innenrings 11 angeordnet und eingerichtet, Oberflächenkräfte in Umfangsrichtung zu erfassen. Eine dritte Messbrücke 16.3 ist auf der Außenmantelfläche neben der Laufbahn 14 angeordnet und eingerichtet, Querkräfte zu erfassen. Eine vierte Messbrücke 16.4 ist sowohl auf der Laufbahn als auch neben der Laufbahn 14 angeordnet und derart ausgerichtet, dass bevorzugt Kräfte in Umfangsichtung erfasst werden. Alle Messbrücken 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 sind mit einer Auswerteeinheit 21 einer Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Die Beschichtung 16 bildet zusammen mit dem Lager 10 und der Steuerungseinrichtung 20 ein Überwachungsmodul 100.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Landwirtschaftsfahrzeug
- 1a
- Anbaugerät, insbesondere Bodenbearbeitungsgerät
- 1b
- Werkzeug des Anbaugerätes
- 2
- Kupplung
- 3
- Zapfwelle
- 3a
- Triebstrang
- 4
- Flansch
- 5.1
- (erster) Aktor
- 5.2
- zweiter Aktor
- 10
- messendes Lager, insbesondere Wälzlager
- 11
- Innenring
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Außenring
- 14
- Laufbahn
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Beschichtung
- 16a
- erste Lage
- 16b
- zweite Lage
- 16c
- dritte Lage
- 16d
- vierte Lage
- 16.1
- (erste) Messbrücke
- 16.2
- zweite Messbrücke
- 16.3
- dritte Messbrücke
- 16.4
- vierte Messbrücke
- 20
- Steuerungseinrichtung
- 20a
- Datenspeicher
- 21
- Auswerteeinheit
- 22
- Schnittstelle
- 100
- Überwachungsmodul