Classification and examples of next generation machine elements

Abstract

In order to fully exploit the potential of the rapidly progressing digitalisation of technical systems, it is necessary to provide reliable and significant process and condition related data. In this context, solutions are especially aspired to allow a simple integration into the surrounding system and to influence it as little as possible. The main challenges regarding the measurement of process and condition data in the operation and control of technical systems as well as in test environments are identified and presented at the beginning of this article. A promising approach to meet the resulting requirements is the integration of sensory functions into simple standardised machine elements. In order to facilitate the discussion and interdisciplinary development of machine elements with sensory functions, an extension of the existing classification of mechatronic machine elements is introduced and illustrated with examples. The introduced classification takes into account the classification according to Stücheli and Meboldt and is based on a comparison of conventional and mechatronic machine elements on a functional level with regard to the function structure. As a result, the three classes sensor carrying machine elements, sensor integrating machine elements and sensory utilizable machine elements are introduced and subsequently discussed in more detail on the basis of examples. Finally, an outlook is given on the main research areas with regard to the development of mechatronic machine elements. Key aspects include working principles and effects for application in mechatronic machine elements, system analysis with regard to load conditions, power supply of sensor and data processor in the environment of the machine element as well as data processing and signal transmission under typical environmental conditions of mechanical engineering.

Using Effect Catalogues for the Design of Sensing Machine Elements – Method and Exemplary Application

“…On the one hand, this avoids unplanned system downtimes or short-term maintenance work, and on the other hand, it prevents the replacement of components based on purely running time and not on the actual state of wear. Another advantage and a major potential of sensing machine elements according to Martin et al (2018) and Vorwerk-Handing et al (2019) is their standardisation, which enables easy integration into new as well as existing technical systems. In addition, sensing machine elements provide in-situ data, which also enables in-process monitoring of the overall system.…”

Entwicklung eines sensorintegrierten Verbundankers zur Überwachung der Befestigungssituation

“…Methoden und Untersuchungen zur Sensorintegration bzw. Mechatronisierung von standardisierten Maschinenelementen zeigen unter anderem Vorwerk‐Handing et al [7, 8]. Hier wird aufgeführt, dass durch eine Mechatronisierung Systeme möglich sind, die aktuelle Trends hin zur prädiktiven Instandhaltung ermöglichen.…”

“…Hier wird aufgeführt, dass durch eine Mechatronisierung Systeme möglich sind, die aktuelle Trends hin zur prädiktiven Instandhaltung ermöglichen. Dazu ist es erforderlich, die Eigenschaften und die Funktion der mechatronisierten Bauteile in einem möglichst geringen Maß zu beeinflussen [7]. Während zur Mechatronisierung eines Verbundankers die Vorarbeit zur Bestimmung potenzieller Messorte bereits geleistet wurde [6], ist es jedoch weiterhin nötig, wie in [8] beschrieben, potenzielle Messgrößen zu definieren und die relevante Messgröße mit einem Messprinzip an dieser Position aufzunehmen.…”

Ermittlung eines Designraums zur Mechatronisierung von Befestigungsmitteln am Beispiel von Verbundankern

“…Mit wachsendem Interesse der Bauindustrie an der Digitalisierung ihrer Prozesse und Zustandskontrollen werden neue unterstützende Systeme und Produkte erforderlich. Die Erfahrung der Integration von sensorischen Komponenten in bekannte konventionelle Bauteile, wie sie bereits im Maschinen‐ und Anlagenbau erste Anwendungen findet, kann auch im Bauwesen einen großen Mehrwert für die Erfassung von Prozess‐ und Zustandsgrößen generieren [1]. Um in bisher nicht mechatronisierten Befestigungsmitteln Sensorik einbringen zu können und dennoch die z.…”

“…Zukünftig sollen jedoch Befestigungssituationen im Sinne des Building Information Modelling (BIM) über die gesamte Lebensdauer beobachtet und Messdaten zum Zustand und deren Befestigungsqualität aufgezeichnet werden [3]. Hierfür ist es sinnvoll, die Sensoren direkt in die funktionserfüllenden lasteinleitenden Bauteile, die Befestigungsmittel, zu integrieren [1, 4]. Um zeit‐ und kostensparend ein technisch bewertetes und bereits bewährtes Verbundankersystem um eine sensorische Sekundärfunktion zu ergänzen, können somit Erweiterungen dieser Europäisch Technischen Bewertungen angestrebt werden.…”