DE102020106427B4 - Force sensor system with overload protection - Google Patents
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Abstract
Kraftsensorsystem (10), aufweisend
- eine Gehäuseanordnung (12) mit mindestens einer Durchgangsausnehmung (14), die mindestens einen Durchmesser (D1) aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor (16) aufzunehmen;
- mindestens einen Kraftmesssensor (16), der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung (14) angeordnet ist; und
- mindestens einen Widerlagerkörper (18), der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung (14) angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem (10) zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper (18) und der Durchgangsausnehmung (14) radiales Spiel (RS) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung (14) zwischen mindestens einem Kraftmesssensor (16) und mindestens einem Widerlagerkörper (18) eine Abstandseinrichtung (24) aufweist, die ausgebildet ist, den Widerlagerkörper (18) belastungsfrei zum Kraftmesssensor (16) widerzulagern.
Force sensor system (10), comprising
- a housing arrangement (12) with at least one through-hole (14) having at least one diameter (D1) to accommodate at least one force measuring sensor (16);
- at least one force measuring sensor (16) arranged in the at least one through-hole (14); and
- at least one abutment body (18) which is arranged in the at least one through-hole (14), wherein the force sensor system (10) has radial play (RS) between the at least one abutment body (18) and the through-hole (14), characterized in that the at least one through-hole (14) has a spacing device (24) between at least one force measuring sensor (16) and at least one abutment body (18), which is designed to abut the abutment body (18) against the force measuring sensor (16) without any load.
Description
Die Erfindung betrifft ein kraftdetektierendes Sensorsystem mit Überlastschutz.The invention relates to a force-detecting sensor system with overload protection.
Es hat sich herausgestellt, dass im Maschinenbereich Off-Highway, hierzu gehören Land- und Baumaschinen, und im Anhängerbereich ein ständiges Bedürfnis an einem Kraftsensorsystem besteht, um Kräfte unter teilweise stark voneinander abweichenden Bedingungen präzise zu messen.It has been found that in the off-highway machinery sector, including agricultural and construction machinery, and in the trailer sector there is a constant need for a force sensor system to precisely measure forces under sometimes very different conditions.
Bisher bestanden Probleme für Kraftsensorsysteme dann, wenn der Messbereich und der Überlastbereich so weit auseinanderliegen, dass ein konventioneller Kraftmesssensor bei Überlast versagt oder Kräfte nur ungenau misst.Until now, problems for force sensor systems existed when the measuring range and the overload range were so far apart that a conventional force measuring sensor failed in the event of an overload or only measured forces inaccurately.
Insbesondere im Off-Highway-Bereich sind Maschinen sehr robust zu konstruieren, um extreme Belastungen unbeschadet zu überstehen. Als Beispiel kann man die Radlagerkräfte einer Baumaschine anführen. Beispielhaft ist bei einem Radlader das Gewicht in der Schaufel zu ermitteln. So können in dessen Schaufel beispielsweise drei Tonnen Material transportiert werden. Bei einem Radlader mit einem Leergewicht von ungefähr dreizehn Tonnen bedeutet dies, dass pro Rad etwa vier Tonnen Gewicht anliegen. Diesen Wert kann man als Nennlast annehmen, auf die das Kraftsensorsystem auszulegen ist, um das Gewicht des geförderten Materials in der Schaufel möglichst genau zu erfassen. Es gibt im Betrieb von Radladern jedoch Situationen ungleicher Belastungsverteilung auf die Räder. Etwa wenn aufgrund von Fahrmanövern achtzig Prozent des Gesamtgewichtes auf einem Rad lasten. Dies entspricht etwa dreizehn Tonnen beziehungsweise mehr als dem Dreifachen der ursprünglichen Auslegung. Ist das Kraftsensorsystem so ausgelegt, dass es eine gute Messgenauigkeit für die vier Tonnen Nennlast aufweist, würde es bei Überlast zerstört. Legt man das Kraftsensorsystem so aus, dass es die Überlast ohne Beschädigung übersteht, ist die Messgenauigkeit bei der vorgenannten Nennlast deutlich reduziert.Particularly in the off-highway sector, machines must be constructed very robustly in order to withstand extreme loads without damage. One example is the wheel bearing forces of a construction machine. For example, the weight in the bucket of a wheel loader must be determined. For example, three tons of material can be transported in its bucket. For a wheel loader with an empty weight of approximately thirteen tons, this means that each wheel has about four tons of weight. This value can be assumed to be the nominal load for which the force sensor system must be designed in order to record the weight of the material transported in the bucket as accurately as possible. However, there are situations in the operation of wheel loaders where the load is unevenly distributed across the wheels. For example, when driving maneuvers result in eighty percent of the total weight being applied to one wheel. This corresponds to approximately thirteen tons, or more than three times the original design. If the force sensor system is designed to have good measurement accuracy for the four-ton nominal load, it would be destroyed if overloaded. If the force sensor system is designed to withstand the overload without damage, the measuring accuracy at the aforementioned nominal load is significantly reduced.
Die
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein messgenaues Kraftsensorsystem mit einem Überlastschutz zu schaffen.It is therefore an object of the invention to provide a precise force sensor system with overload protection.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mithin durch ein Kraftsensorsystem, eine Gehäuseanordnung und einen Kraftmesssensor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is thus achieved by a force sensor system, a housing arrangement, and a force measuring sensor having the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, each of which may represent an aspect of the invention individually or in combination.
Die Erfindung betrifft somit ein Kraftsensorsystem, aufweisend eine Gehäuseanordnung mit mindestens einer Durchgangsausnehmung, die mindestens einen Durchmesser aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor aufzunehmen;
mindestens einen Kraftmesssensor, der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung angeordnet ist; und
mindestens einen Widerlagerkörper, der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper und der Durchgangsausnehmung radiales Spiel aufweist.The invention thus relates to a force sensor system comprising a housing arrangement with at least one through-hole having at least one diameter to accommodate at least one force measuring sensor;
at least one force measuring sensor arranged in the at least one through-hole; and
at least one abutment body arranged in the at least one through-hole, wherein the force sensor system has radial play between the at least one abutment body and the through-hole.
Nachfolgend werden eine Grundidee der Erfindung und einzelne Aspekte des beanspruchten Erfindungsgegenstandes erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt.Below, a basic idea of the invention and individual aspects of the claimed subject matter are explained, and furthermore, preferred modified embodiments of the invention are described. Explanations, particularly regarding advantages and definitions of features, are essentially descriptive and preferred, but not limiting, examples. If an explanation is limiting, this will be expressly stated.
Eine Grundidee der Erfindung ist es somit, dass infolge der beanspruchten Konstruktion des Kraftsensorsystems ab einer definierten Belastung das radiale Spiel geschlossen wird und die Kräfte um den Kraftmesssensor herumgeleitet werden. Dies ist auch bekannt als Kraftnebenschluss. Insbesondere soll dieser Kraftnebenschluss erst außerhalb des Messbereiches in Funktion treten, um das Messergebnis nicht zu verfälschen, beziehungsweise um die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Der Kraftnebenschluss wird mit der Überbrückung des Spiels, also eines geringen Spaltes, erreicht. Da bei Dehnungsmessungen nur sehr geringe Wege beziehungsweise Deformationen auftreten, sind präzise gefertigte Maschinenkomponenten erforderlich. Abhängig vom Betrag des Spiels und der Materialeigenschaften, kann eingestellt beziehungsweise definiert werden, ab welcher Kraft, Spannung und/oder Dehnung eine Materialverformung zu einem geschlossenen Spalt führt und somit der Kraftnebenschluss gebildet wird.A basic idea of the invention is that, as a result of the claimed design of the force sensor system, the radial play is closed from a defined load onwards and the forces are diverted around the force measuring sensor. This is also known as force shunt. In particular, this force shunt should only become active outside the measuring range in order to To avoid distorting the measurement result and to maintain measurement accuracy, the force shunt is achieved by bridging the play, i.e., a small gap. Since only very small displacements or deformations occur during strain measurements, precisely manufactured machine components are required. Depending on the amount of play and the material properties, the force, stress, and/or strain level at which a material deformation leads to a closed gap and thus the force shunt is formed can be set or defined.
Der Widerlagerkörper bildet somit mit dem definierten Spalt ein radiales Spiel zur Gehäuseanordnung. Dieses radiale Spiel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Durchgangsausnehmung präzise hergestellt wird, beispielsweise über ein Schleifverfahren. Anschließend wird der Durchmesser der Durchgangsausnehmung gemessen und anschließend der passende Widerlagerkörper ausgewählt und eingesetzt. Überschreitet nun eine Belastung, die auf die Gehäuseanordnung wirkt, ein definiertes Maß, wird das Spiel beziehungsweise der Spalt geschlossen und ein Teil der Kraft um den Kraftmesssensor herumgeleitet.The abutment body thus forms a radial clearance with the housing assembly with the defined gap. This radial clearance can be created, for example, by precisely manufacturing the through-hole, for example, using a grinding process. The diameter of the through-hole is then measured, and the appropriate abutment body is selected and inserted. If a load acting on the housing assembly exceeds a defined value, the clearance or gap is closed, and part of the force is diverted around the force measuring sensor.
Als radiales Spiel gilt im Sinne der Erfindung zumindest ein solcher Spalt, der einen Materialabstand zwischen der Innenfläche der Durchgangsausnehmung und der Außenfläche des Widerlagerkörpers an einer bestimmten Stelle derart aufweist, dass zur regulären Kraftdetektion eines auf einen bestimmten Wertebereich eingestellten Kraftsensorsystems kein Kraftnebenschluss erfolgt.In the sense of the invention, radial play is defined as at least such a gap which has a material distance between the inner surface of the through-hole and the outer surface of the abutment body at a specific location such that no force shunt occurs for the regular force detection of a force sensor system set to a specific value range.
Beispielhaft kann ein zweiter Widerlagerkörper derart in der Gehäuseanordnung platziert werden, dass der zweite Widerlagerkörper durch eine entsprechend wirkende Widerlagerung die Gehäusedeformation zur gewünschten Datenerfassung einstellt. Zusätzlich oder alternativ kann die Gehäuseanordnung durch Durchgangsöffnungen und/oder Nuten derart konstruiert werden, dass die Durchgangsöffnungen und/oder Nuten durch eine entsprechend wirkende Materialschwächung die Gehäusedeformation zur gewünschten Datenerfassung einstellen. Diese Maßnahmen können vorteilhaft sein, um die Gehäuseanordnung für verschiedene Kraftniveaus verwenden zu können und/oder um an ausgewählten Stellen ein Krafterhöhung zu bewirken.For example, a second abutment body can be placed in the housing assembly in such a way that the second abutment body adjusts the housing deformation for the desired data acquisition through a correspondingly acting abutment. Additionally or alternatively, the housing assembly can be constructed with through-holes and/or grooves in such a way that the through-holes and/or grooves adjust the housing deformation for the desired data acquisition through a correspondingly acting material weakening. These measures can be advantageous for using the housing assembly for different force levels and/or for increasing the force at selected locations.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die mindestens eine Durchgangsausnehmung zumindest zwei unterschiedliche Durchmesser aufweist, nämlich einen kleinen Durchmesser und einen größeren Durchmesser;
der mindestens eine Kraftmesssensor in der mindestens einen Durchgangsausnehmung im Bereich des kleinen Durchmessers angeordnet ist; und der mindestens eine Widerlagerkörper in der mindestens einen Durchgangsausnehmung im Bereich des größeren Durchmessers angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper und der Durchgangsausnehmung im Bereich des größeren Durchmessers das radiale Spiel aufweist. Durch die unterschiedlichen Durchmesser kann sichergestellt werden, dass sich der Widerlagerkörper und der Kraftmesssensor nicht berühren. Dies ist sinnvoll, um die Messgenauigkeit des Kraftmesssensors hoch zu halten. Insbesondere wenn der Kraftmesssensor im potentiellen Kontaktbereich sensorische Mittel aufweist, kann dies das Risiko von Fehldetektionen reduzieren.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that
the at least one through-hole has at least two different diameters, namely a small diameter and a larger diameter;
the at least one force measuring sensor is arranged in the at least one through-hole in the region of the small diameter; and the at least one abutment body is arranged in the at least one through-hole in the region of the larger diameter, wherein the force sensor system has radial play between the at least one abutment body and the through-hole in the region of the larger diameter. The different diameters ensure that the abutment body and the force measuring sensor do not touch each other. This is useful in order to maintain the high measurement accuracy of the force measuring sensor. In particular, if the force measuring sensor has sensor means in the potential contact area, this can reduce the risk of false detections.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren Dehnungsmessstreifen ist oder sind, vorzugsweise geklebt oder gesputtert, und/oder im Wesentlichen eine zylindrische Form mit mindestens einer Stirnfläche und/oder einer Mantelfläche aufweist oder aufweisen, wobei die mindestens eine Stirnfläche und/oder die Mantelfläche mäanderförmig verlaufende Dehnungsmittel aufweisen.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that one or more force measuring sensors is or are strain gauges, preferably glued or sputtered, and/or has or have a substantially cylindrical shape with at least one end face and/or one lateral surface, wherein the at least one end face and/or the lateral surface have meandering expansion means.
Ein Dehnungsmessstreifen ist ein Sensor, der zur Messung der Dehnung eines Objekts verwendet wird. Die gebräuchlichste Art von Dehnungsmessstreifen besteht aus einer isolierenden flexiblen Unterlage, die ein Metallfolienmuster trägt. Der Dehnungsmessstreifen wird mit einem geeigneten Klebstoff, wie z. B. Cyanacrylat, am Objekt befestigt. Es ist auch möglich, den Dehnungsmesser auf das zu erfassende Objekt zu sputtern. Wenn das Objekt verformt wird, wird die Folie verformt, wodurch sich ihr elektrischer Widerstand ändert. Diese Widerstandsänderung, die in der Regel mit einer Wheatstone-Brücke gemessen wird, hängt mit der Dehnung durch die als Dehnungsfaktor bekannte Größe zusammen. Ein Dehnungsmessstreifen nutzt die physikalische Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit und deren Abhängigkeit von der Geometrie des Leiters. Wenn ein elektrischer Leiter innerhalb der Grenzen seiner Elastizität so gedehnt wird, dass er nicht bricht oder sich dauerhaft verformt, wird er schmaler und länger, was seinen elektrischen Widerstand von Ende zu Ende erhöht. Wenn ein Leiter umgekehrt so zusammengedrückt wird, dass er nicht geknickt wird, verbreitert und verkürzt er sich, was seinen elektrischen Widerstand von Ende zu Ende verringert. Aus dem gemessenen elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens kann auf die Höhe der induzierten Spannung geschlossen werden. Ein typischer Dehnungsmessstreifen ordnet einen langen, dünnen leitenden Streifen in einer Mäanderform an, also einem Zick-Zack-Muster aus parallelen Linien. Dadurch wird die Empfindlichkeit nicht erhöht, da die prozentuale Widerstandsänderung für eine bestimmte Dehnung für die gesamte Zick-Zack-Linie die gleiche ist wie für eine einzelne Leiterbahn. Eine einzelne lineare Leiterbahn müsste extrem dünn sein, wodurch sie überhitzen könnte. Dadurch würde sich ihr Widerstand ändern und sie würde sich ausdehnen würde. Oder die Leiterbahn müsste mit einer viel niedrigeren Spannung betrieben werden, wodurch es schwierig wäre, Widerstandsänderungen genau zu messen.A strain gauge is a sensor used to measure the strain of an object. The most common type of strain gauge consists of an insulating flexible pad supporting a metal foil pattern. The strain gauge is attached to the object with a suitable adhesive, such as cyanoacrylate. It is also possible to sputter the strain gauge onto the object to be sensed. When the object is deformed, the foil is deformed, changing its electrical resistance. This change in resistance, usually measured using a Wheatstone bridge, is related to the strain by a quantity known as the strain factor. A strain gauge exploits the physical property of electrical conductivity and its dependence on the geometry of the conductor. When an electrical conductor is stretched within the limits of its elasticity to a point where it does not break or become permanently deformed, it becomes narrower and longer, increasing its electrical resistance from end to end. Conversely, if a conductor is compressed in a way that prevents it from being bent, it widens and shortens, reducing its electrical resistance from end to end. The measured electrical resistance of the strain gauge can be used to determine the magnitude of the induced voltage. A typical strain gauge arranges a long, thin conductive strip in a meandering pattern, a zigzag pattern of parallel lines. This increases the sensitivity. not increased because the percentage change in resistance for a given stretch is the same for the entire zigzag line as it is for a single trace. A single linear trace would have to be extremely thin, which could cause it to overheat. This would change its resistance and cause it to stretch. Or the trace would have to be operated at a much lower voltage, making it difficult to accurately measure resistance changes.
Das Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper, auch Target genannt, durch Beschuss mit energiereichen Ionen, vorwiegend Edelgasionen, herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen.Sputtering, also called cathode sputtering, is a physical process in which atoms are released from a solid, also called a target, by bombardment with high-energy ions, mainly noble gas ions, and pass into the gas phase.
Bei einem Kraftmesssensor, der im Wesentlichen eine zylindrische Form mit mindestens einer Stirnfläche und/oder einer Mantelfläche aufweist, wobei die mindestens eine Stirnfläche und/oder die Mantelfläche mäanderförmig verlaufende Dehnungsmittel aufweisen, handelt es sich um einen Kraftmesssensor, der auf Dünnschichtsensortechnologie basiert und der das Messverfahren von Dehnungsmessstreifen nutzt. Beispielhaft und nicht limitierend sind die Dehnungsmittel direkt auf die Stirnseite und zur Temperaturkompensation auch auf die Mantelfläche eines kleinen Zylinders aus Stahl beschichtet. Der Kraftmesssensor wird mit leichtem Übermaß in die Durchgangsausnehmung der Gehäuseanordnung eingepresst und erfährt so die gleiche Dehnung wie das umgebende Material. Die Dünnschichtsensortechnologiefunktionalität wird in der Regel durch eine Submikrometer-dünne, dehnungsempfindliche Metallbeschichtung realisiert, die durch Mikrobearbeitung strukturiert wird. Diese Messstruktur ermöglicht eine kontinuierliche Kraft- und Drehmomentmessung während des Betriebs. Durch diese Messtechnik ist es beispielsweise möglich Drehmoment sehr schnell und genau zu bestimmen. Insbesondere handelt es sich um ein Mehrschichtsystem aus Isolationsbeschichtung und dehnungsempfindlicher Metallbeschichtung, insbesondere mittels PVD-Verfahren, physical vapour deposition-Verfahren. Anders als bei Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung wird mithilfe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt. Das gasförmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt, wo es kondensiert und die Zielschicht bildet. Besonders bevorzugt für gute Messergebnisse, jedoch nicht limitierend, handelt es sich bei der im Wesentlichen zylindrischen Form des Kraftmesssensors um einen Bolzen, mit bevorzugt acht Millimeter Durchmesser und beispielhaft einer Länge von zwanzig Millimeter. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass die zylindrische Grundstruktur teilweise Abweichungen aufweisen kann, beispielsweise kleine Ausnehmungen. Möglich ist auch eine vollständig zylindrische Form.A force measuring sensor that essentially has a cylindrical shape with at least one end face and/or one outer surface, wherein the at least one end face and/or the outer surface have meandering strain gauges, is a force measuring sensor based on thin-film sensor technology and uses the strain gauge measuring method. By way of example and not limitation, the strain gauges are coated directly onto the end face and, for temperature compensation, also onto the outer surface of a small steel cylinder. The force measuring sensor is pressed into the through-hole of the housing assembly with a slight oversize and thus experiences the same strain as the surrounding material. The thin-film sensor technology functionality is usually realized through a submicrometer-thin, strain-sensitive metal coating that is structured by micromachining. This measuring structure enables continuous force and torque measurement during operation. This measuring technology makes it possible, for example, to determine torque very quickly and accurately. In particular, it is a multi-layer system consisting of an insulation coating and a strain-sensitive metal coating, particularly using the physical vapor deposition (PVD) process. Unlike chemical vapor deposition (CVD) process, the starting material is converted into the gas phase using physical processes. The gaseous material is then fed to the substrate to be coated, where it condenses and forms the target layer. Particularly preferred for good measurement results, but not limiting, is the essentially cylindrical shape of the force measuring sensor, a bolt, preferably with a diameter of eight millimeters and, for example, a length of twenty millimeters. This essentially means that the basic cylindrical structure may have some deviations, such as small recesses. A completely cylindrical shape is also possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass einer oder mehrere Widerlagerkörper Wälzkörper sind. Wälzkörper sind beispielsweise aus Wälzlagern bekannt als Kugeln, Rollen, Zylinderrollen, Nadeln, Kegel oder andere Rotationskörper aus Stahl, Keramik oder speziellen, extra harten Kunststoffen, die als Elemente eines Wälzlagers oder einer Linearwälzführung die Reibung zwischen den verschiedenen Komponenten des Lagers oder der Führung erheblich reduzieren und damit die relative Bewegung verschiedener Maschinenelemente zueinander extrem erleichtern. Wegen der völlig anderen Anwendungsform ist es somit fernliegend auf Wälzkörper zurückzugreifen. Es hat sich herausgestellt, dass Wälzkörper besonders als Widerlagerkörper geeignet sind, da hochpräzise Herstellungsverfahren für Wälzkörper existieren und der radiale Spalt somit optimal eingestellt werden kann. Insbesondere können die Wälzkörper aus Chromstahl gefertigt sein. Dieser Werkstoff ist sehr hart, aber leicht rostend, mit Bezug auf die bevorzugte Stahlsorte 100Cr6; einem Stahl mit einem Gehalt von circa einem Gewichtsprozent Kohlenstoff und etwa anderthalb Gewichtsprozent Chrom. Weitere Stähle sind zum Beispiel 100CrMnSi6-4 und 100CrMo7, wobei die Legierungselemente Mangan und Molybdän der besseren Durchhärtbarkeit dienen. Wegen der Rostanfälligkeit ist die Nutzung eines Deckelelements besonders bevorzugt. Für Anwendungen in korrosiver Umgebung können auch die hochlegierten Stähle X65Cr13 und X30CrMoN15-1 verwendet werden.According to a preferred embodiment of the invention, one or more abutment bodies are rolling elements. Rolling elements are known, for example, from rolling bearings as balls, rollers, cylindrical rollers, needles, cones, or other rotating bodies made of steel, ceramic, or special, extra-hard plastics. As elements of a rolling bearing or linear roller guide, these elements significantly reduce the friction between the various components of the bearing or guide and thus greatly facilitate the relative movement of various machine elements. Due to the completely different application, it is therefore unlikely that rolling elements would be used. It has been found that rolling elements are particularly suitable as abutment bodies, since high-precision manufacturing processes for rolling elements exist and the radial gap can thus be optimally adjusted. In particular, the rolling elements can be made of chromium steel. This material is very hard but easily rusts, with reference to the preferred steel grade 100Cr6; a steel with a carbon content of approximately one percent by weight and approximately one and a half percent by weight of chromium. Other steels include 100CrMnSi6-4 and 100CrMo7, with the alloying elements manganese and molybdenum serving to improve through-hardenability. Due to their susceptibility to rust, the use of a cover element is particularly preferred. For applications in corrosive environments, the high-alloy steels X65Cr13 and X30CrMoN15-1 can also be used.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung zwischen mindestens einem Kraftmesssensor und mindestens einem Widerlagerkörper eine Abstandseinrichtung aufweist, um den Widerlagerkörper belastungsfrei zum Kraftmesssensor widerzulagern. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung im Übergangsbereich von einem größeren Durchmesser auf einen kleinen Durchmesser eine Stufe als Abstandseinrichtung aufweist, um den Widerlagerkörper widerzulagern. Zweck dieses Merkmals ist, dass die Messgenauigkeit des Kraftmesssensors nicht beeinträchtigt wird.According to the invention, the at least one through-hole between at least one force measuring sensor and at least one abutment body comprises a spacing device to support the abutment body against the force measuring sensor without stress. For example, the at least one through-hole may comprise a step in the transition region from a larger diameter to a smaller diameter as a spacing device to support the abutment body. The purpose of this feature is to ensure that the measurement accuracy of the force measuring sensor is not impaired.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung an einem oder an beiden Enden ein Deckelelement aufweist, das vorzugsweise derart zweistufig ausgebildet ist, dass ein Innendurchmessersegment in den Durchmesser, vorzugsweise den größeren Durchmesser, der Durchgangsausnehmung eingreift und dass ein einen noch größeren Durchmesser aufweisendes Außendurchmessersegment auf einer Außenfläche der Gehäuseanordnung aufliegt. Somit kann einerseits sichergestellt werden, dass der Widerlagerkörper nicht aus der Durchgangsausnehmung herausfällt. Zudem kann kein Schmutz in die Durchgangsausnehmung eindringen. Das Deckelelement kann kraft- und/oder formschlüssig, und insbesondere lösbar, mit der Gehäuseanordnung verbunden werden, um stets auf den Kraftmesssensor und/oder den Widerlagerkörper zugreifen zu können.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the at least one through-hole has a cover element at one or both ends, which is preferably designed in two stages such that an inner diameter segment engages in the diameter, preferably the larger diameter, of the through-hole and that an outer diameter segment having an even larger diameter is arranged on an outer surface rests on the housing assembly. This ensures that the abutment body does not fall out of the through-hole. Furthermore, no dirt can penetrate into the through-hole. The cover element can be connected to the housing assembly in a force-locking and/or form-locking manner, and in particular, detachably, to ensure constant access to the force sensor and/or the abutment body.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäuseanordnung eine oder mehrere Durchgangsöffnungen und/oder eine oder mehrere Nuten aufweist,
um über dieses oder diese mit einem Bauteil verbunden zu werden, und/oder um über dieses oder diese einen Kraftfluss zur Kraftdetektion einzustellen. Einerseits ist die Gehäuseanordnung mit dem zu prüfenden Bauteil zu verbinden. Eine Verbindung über eine oder mehrere Durchgangsöffnungen und/oder eine oder mehrere Nuten beeinträchtigen das Messergebnis nicht nachteilig. Andererseits können über die Position der Verbindung dieser Komponenten auch die Kraftflüsse eingestellt werden, sodass die Messqualität verbessert und die Überlastsicherung erreicht werden kann.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the housing arrangement has one or more through-openings and/or one or more grooves,
to be connected to a component via this or these, and/or to set a force flow for force detection via this or these. On the one hand, the housing assembly must be connected to the component to be tested. A connection via one or more through holes and/or one or more grooves does not adversely affect the measurement result. On the other hand, the force flows can also be adjusted via the position of the connection of these components, thus improving the measurement quality and achieving overload protection.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Kraftsensorsystem mindestens zwei Widerlagerkörper in einer Durchgangsausnehmung aufweist,
die vorzugsweise sich entlang der Durchgangsausnehmung gegenüberliegend angeordnet sind, und/oder
die insbesondere den Kraftmesssensor entlang der Durchgangsausnehmung an jeweils einem Ende umgeben. Somit können Deformationen in zwei zueinander gegensätzlichen Richtungen durch den jeweils anderen Widerlagerkörper ausgeglichen werden. Dies erhöht die Robustheit und somit die Messqualität des Kraftsensorsystems.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that
the force sensor system has at least two abutment bodies in a through-hole,
which are preferably arranged opposite each other along the through-hole, and/or
which, in particular, surround the force sensor along the through-hole at one end each. Thus, deformations in two opposing directions can be compensated by the other abutment body. This increases the robustness and thus the measurement quality of the force sensor system.
Vorzugsweise ist die Gehäuseanordnung quaderförmig ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass die vorgenannten Merkmale bei einer Quaderform besonders gut realisiert werden können. Allerdings sind auch andere Formen für die Gehäuseanordnung möglich.Preferably, the housing arrangement is cuboid-shaped. It has been found that the aforementioned features can be realized particularly well with a cuboid shape. However, other shapes for the housing arrangement are also possible.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
-
1 : einen Längsschnitt durch ein Kraftsensorsystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Gehäuseanordnung, einem Kraftmesssensor und einem Widerlagerkörper, wobei im Bereich des Widerlagerkörpers eine Belastung auf die Gehäuseanordnung wirkt; -
2 : einen Längsschnitt durch ein Kraftsensorsystem gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Kraftsensorsystem gegenüber1 einen weiteren Widerlagerkörper aufweist, und mit einer andere Belastung beaufschlagt wird, die jeweils im Bereich des Widerlagerkörpers auf die Gehäuseanordnung wirkt; -
3 : eine perspektivische Ansicht eines Längsschnitts des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
4 : eine perspektivische Ansicht des gesamten Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
5 : eine symbolische Detailansicht des Längsschnitts des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich des Widerlagerkörpers; -
6 : eine perspektivische Ansicht des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, montiert zwischen zwei Bauteilen; -
7 : mehrere Ansichten von Kraftsensorsystemen gemäß unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Kraftsensorsysteme unterschiedliche Durchgangsöffnungen und/oder Nuten aufweisen; -
8 : eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber der1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor; -
9 : eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber den1 und8 abweichend angeordneten Kraftmesssensor; -
10 : eine perspektivische und eine Schnittansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor und mit einer abweichenden Kabelverbindung; und -
11 : eine Schnittansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor.
-
1 : a longitudinal section through a force sensor system according to a first preferred embodiment of the invention, with a housing arrangement, a force measuring sensor and an abutment body, wherein a load acts on the housing arrangement in the region of the abutment body; -
2 : a longitudinal section through a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, wherein the force sensor system is opposite1 has a further abutment body and is subjected to a different load which acts on the housing arrangement in the area of the abutment body; -
3 : a perspective view of a longitudinal section of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention; -
4 : a perspective view of the entire force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention; -
5 : a symbolic detailed view of the longitudinal section of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention in the region of the abutment body; -
6 : a perspective view of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention, mounted between two components; -
7 : several views of force sensor systems according to different preferred embodiments of the invention, wherein the force sensor systems have different through-openings and/or grooves; -
8 : a perspective view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with a1 differently arranged force measuring sensor; -
9 : a perspective view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with a1 and8 differently arranged force measuring sensor; -
10 : a perspective and a sectional view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with a1 differently arranged force measuring sensor and with a different cable connection; and -
11 : a sectional view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with a1 differently arranged force measuring sensor.
Die
eine Gehäuseanordnung 12 mit mindestens einerDurchgangsausnehmung 14, die mindestens einen Durchmesser D1 aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor 16 aufzunehmen;mindestens einen Kraftmesssensor 16, der in dermindestens einen Durchgangsausnehmung 14 angeordnet ist; undmindestens einen Widerlagerkörper 18, der in dermindestens einen Durchgangsausnehmung 14 angeordnet ist,wobei das Kraftsensorsystem 10 zwischen demmindestens einen Widerlagerkörper 18 und der Durchgangsausnehmung 14 radiales Spiel RS aufweist.
- a
housing arrangement 12 with at least one through-hole 14 having at least a diameter D1 to accommodate at least oneforce measuring sensor 16; - at least one
force measuring sensor 16 arranged in the at least one through-hole 14; and - at least one
abutment body 18 which is arranged in the at least one through-hole 14, wherein theforce sensor system 10 has radial play RS between the at least oneabutment body 18 and the through-hole 14.
Die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen des Kraftsensorsystems 10 sind gemäß den
der mindestens eine Kraftmesssensor 16 in der mindestens einen Durchgangsausnehmung 14 im Bereich des kleinen Durchmessers D1 angeordnet ist; und
der mindestens eine Widerlagerkörper 18 in der mindestens einen Durchgangsausnehmung 14 im Bereich des größeren Durchmessers D2 angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem 10 zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper 18 und der Durchgangsausnehmung 14 im Bereich des größeren Durchmessers D2 das radiale Spiel RS aufweist. Hierbei handelt es sich jedoch um bevorzugte, jedoch nicht limitierende Merkmale des Kraftsensorsystems 10.The illustrated preferred embodiments of the
the at least one
The at least one
Der Kraftmesssensor 16 detektiert auf ihn wirkende Belastungen B und leitet diese Information mittels einer Kabelverbindung 40 ausThe
Gemäß einer bevorzugten und nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren 16 Dehnungsmessstreifen ist oder sind, vorzugsweise geklebt oder gesputtert.According to a preferred and not shown embodiment of the invention, it is provided that one or more
Demgegenüber in den offenbarten Figuren dargestellt, wenn auch nur bevorzugt und nicht limitierend, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren 16 im Wesentlichen eine zylindrische Form mit mindestens einer Stirnfläche 20 und einer Mantelfläche 22 aufweist oder aufweisen, wobei die mindestens eine Stirnfläche 20 und die Mantelfläche 22 mäanderförmig verlaufende Dehnungsmittel aufweisen. Die Zylinderform ist in den Figuren deutlich schematisiert. Im Wesentlichen bedeutet hierbei mit Blick auf die Zylinderform, dass der jeweilige Kraftmesssensor 16 entlang der Durchgangsausnehmung 14 geführt werden kann und gleichzeitig hinreichend Kontakt zur Durchgangsausnehmung 14 aufweist, um eine qualitative Kraftmessung durchzuführen.In contrast, the disclosed figures show, albeit only by preference and not by limitation, that one or more
Dabei ist gemäß den dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass die Widerlagerkörper 18 Wälzkörper sind. Auch dies ist ein separates Merkmal und nicht limitierend.According to the illustrated embodiment, the
Besonders in
Weiterhin ist das beispielhafte Ausführungsbeispiel in den
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gehäuseanordnung 12 eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 34 und/oder eine oder mehrere Nuten 36 aufweist. In
Beispielhaft in
die vorzugsweise sich entlang der Durchgangsausnehmung 14 gegenüberliegend angeordnet sind, und/oder
die insbesondere den Kraftmesssensor 16 entlang der Durchgangsausnehmung 14 an jeweils einem Ende umgeben. Letzteres Merkmal bedeutet, dass ein Widerlagerkörper 18 näher zum Außenbereich angeordnet ist als der zu schützende Kraftmesssensor 16.For example in
which are preferably arranged opposite each other along the through-
which, in particular, surround the
In den Figuren ist beispielhaft dargestellt, dass die Gehäuseanordnung 12 quaderförmig ausgebildet ist. Diese Form hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei auch andere Formen für die Gehäuseanordnung 12 möglich sind, sofern sie einen Kraftnebenschluss ermöglichen.The figures show, by way of example, that the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- KraftsensorsystemForce sensor system
- 1212
- GehäuseanordnungHousing arrangement
- 1414
- DurchgangsausnehmungThrough recess
- 1616
- Kraftmesssensorforce measuring sensor
- 1818
- Widerlagerkörperabutment body
- 2020
- Stirnflächefrontal surface
- 2222
- Mantelflächelateral surface
- 2424
- AbstandseinrichtungDistance device
- 2626
- DeckelelementCover element
- 2828
- Innendurchmessersegmentinner diameter segment
- 3030
- AußendurchmessersegmentOuter diameter segment
- 3232
- Außenfläche der GehäuseanordnungOuter surface of the housing assembly
- 3434
- Durchgangsöffnungpassage opening
- 3636
- NutGroove
- 3838
- Bauteilcomponent
- 4040
- KabelverbindungCable connection
- D1D1
- kleiner Durchmessersmall diameter
- D2D2
- größerer Durchmesserlarger diameter
- RSRS
- radiales Spielradial play
- BB
- BelastungBurden
Claims (7)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| EP21712023.7A EP4118406A1 (en) | 2020-03-10 | 2021-03-02 | Force sensor system with overload protection |
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| Publication Number | Publication Date |
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| DE102020106427B4 true DE102020106427B4 (en) | 2025-05-15 |
Family
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|---|---|---|---|
| DE102020106427.6A Active DE102020106427B4 (en) | 2020-03-10 | 2020-03-10 | Force sensor system with overload protection |
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| EP (1) | EP4118406A1 (en) |
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2021
- 2021-03-02 WO PCT/DE2021/100211 patent/WO2021180270A1/en not_active Ceased
- 2021-03-02 EP EP21712023.7A patent/EP4118406A1/en not_active Ceased
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4118406A1 (en) | 2023-01-18 |
| DE102020106427A1 (en) | 2021-09-16 |
| WO2021180270A1 (en) | 2021-09-16 |
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Legal Events
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