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WO2016078843A1 - Mechanisches bauteil mit kraftsensor - Google Patents

Mechanisches bauteil mit kraftsensor Download PDF

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WO2016078843A1
WO2016078843A1 PCT/EP2015/074083 EP2015074083W WO2016078843A1 WO 2016078843 A1 WO2016078843 A1 WO 2016078843A1 EP 2015074083 W EP2015074083 W EP 2015074083W WO 2016078843 A1 WO2016078843 A1 WO 2016078843A1
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WO
WIPO (PCT)
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force sensor
intermediate element
component
mechanical component
component according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2015/074083
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus HASKAMP
Michael Klank
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of WO2016078843A1 publication Critical patent/WO2016078843A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes

Definitions

  • the invention relates to a mechanical component for a vehicle, comprising a measuring range having a surface and at least one force sensor assigned to the measuring range for detecting a force which stresses the component.
  • Mechanical component in a preferred embodiment as a pendulum support and the force sensor is designed as a flexurally elastic deformation element, which is positively connected within a measuring range with the pendulum support.
  • the deformation element acts as an amplifier of a mechanical
  • the mechanical change of the deformation element which is made of a magnetic material, is accompanied by a change in the magnetic field, which can be measured and converted into electrical signals.
  • the deformation of the deformation element is detected by a suitable sensor, preferably by performing a magnetic field measurement.
  • the force sensor by means of a
  • the arranged in the measuring range of the component intermediate element has two main functions, namely, first, a carrier function by acting as a support for the force sensor or the sensitive element of the force sensor is used, and secondly a
  • Transfer function by acting as a transmission element and transmits the occurring on the surface of the component due to loads deformations on the sensitive element of the force sensor.
  • the intermediate element is thus coupled in the force flow direction with the component, d. H. Deformations which occur in the surface of the component are transmitted directly to the intermediate element and from there to the sensitive element.
  • the advantage here is that the force sensor or the sensitive element can be prefabricated as a unit with the intermediate element and then connected to the component.
  • the intermediate element is non-positively or materially connected to the component.
  • the advantage here is that the surface of the component does not need to be additionally processed, causing its functionality or strength
  • the intermediate element preferably at its ends, by means of clamping or clamping elements,
  • a riveted joint between the component and intermediate element is also conceivable.
  • An alternative cohesive attachment can be done by gluing.
  • the force sensor is mounted on the intermediate element, preferably in a positive, positive or cohesive manner.
  • the force sensor can, depending on the design, for example, by a suitable
  • Adhesive methods are applied to the intermediate element, this being
  • the Force sensor can be connected by means of a welded connection or by positive elements with the intermediate element.
  • the force sensor is arranged within a housing which is fastened to the intermediate element.
  • the force sensor is encapsulated, d. H. protected from the outside and shielded, so that its functionality can not be affected by external influences.
  • the housing with the intermediate element can also be manufactured as a separate prefabricated unit and connected to the component.
  • the force sensor is as
  • the force sensor comprises a sensitive element, also called a sensor element, of carbon nanotubes (CNT), which are applied to the surface of the intermediate element as a layer, preferably in the form of a lacquer bonding the CNT.
  • CNT carbon nanotubes
  • the force sensor is as
  • the piezoresistive layer is applied to the intermediate element.
  • the piezoresistive layer is applied to a metal plate, which can be fixed via a welded connection on the intermediate element.
  • the sole FIGURE shows a module 1 of a force sensor 4, called sensor module 1 for short, which is represented by a dashed rectangular frame
  • the sensor module 1 is mounted on a mechanical component 2, which may be rod-shaped or cylindrical.
  • the sensor element 1 comprises an intermediate element 3, a sensitive element 4 of a force sensor, also called force sensor 4 for short, and a housing 5, which is fastened on the intermediate element 3 and encapsulates the sensitive element 4 to the outside.
  • the sensitive element 4, which can be arranged on a plate, not shown, is positively over two
  • the intermediate element 3 is clamped by two clamping bands 7, 8 with the surface 2 a of the component 2.
  • clamping bands 7, 8, between which lies the measuring range, between the intermediate element 3 and the surface 2a of the component 2 a frictional connection is made, which is a slip-free transmission of expansions of the component 2 on the
  • the sensor module 1, comprising the intermediate element 3, the force sensor 4 and the housing 5, can be manufactured as a prefabricated structural unit and subsequently assembled with the component 2.
  • z. B. strain gauges in question.
  • carbon nanotubes as a sensitive element, as in the same time application filed by the applicant with the internal file reference ZF 006408.
  • the measurement via the sensitive element 4 can be made inductively, resistively, optically, magnetostrictively, capacitively, piezoelectrically or magnetoresistively.
  • a preferred embodiment of a mechanical component is a
  • Pendulum support which is rod-shaped and part of a roll stabilization system of a vehicle. With the sensor module, which is mounted according to the invention on the pendulum support, the support force can be measured.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauteil (2) für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und einem dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor (4) zur Erfassung einer das Bauteil (2) beanspruchenden Kraft, wobei der Kraftsensor (4) mittels eines Zwischenelements (3) auf der Oberfläche (2a) des Bauteils (2) befestigt ist.

Description

Mechanisches Bauteil mit Kraftsensor
Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauteil für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und mindestens einen dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor zur Erfassung einer das Bauteil beanspruchenden Kraft.
In der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2013 213 672.2 ist ein mechanisches Bauteil mit einem Kraftsensor offenbart, wobei das
mechanisches Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform als Pendelstütze und der Kraftsensor als biegeelastisches Verformungselement ausgebildet ist, welcher innerhalb eines Messbereiches formschlüssig mit der Pendelstütze verbunden ist. Das Verformungselement wirkt dabei als Verstärker einer mechanischen
Beanspruchung in der stabförmig ausgebildeten Pendelstütze, in welcher erste Linie Zug- und Druckspannungen auftreten. Die aus einer Druck- oder Zugspannung resultierende Stauchung oder Dehnung der Pendelstütze wird auf das bogenförmig ausgebildete Verformungselement übertragen und bewirkt eine Biegung, wodurch die Dehnung oder Stauchung verstärkt wird. Die mechanische Änderung des Verformungselements, welches aus einem magnetischen Material hergestellt ist, geht mit einer Änderung des Magnetfeldes einher, was messbar und in elektrische Signale umwandelbar ist. Die Verformung des Verformungselements wird durch eine geeignete Sensorik, vorzugsweise unter Durchführung einer Magnetfeldmessung erfasst.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, weitere Potenziale der
Kraftmessung an mechanischen Bauteilen auszuschöpfen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kraftsensor mittels eines
Zwischenelements auf der Oberfläche des Bauteils befestigt ist. Das im Messbereich des Bauteils angeordnete Zwischenelement hat im Wesentlichen zwei Funktionen, nämlich erstens eine Trägerfunktion, indem es als Träger für den Kraftsensor bzw. das sensitive Element des Kraftsensors dient, und zweitens eine
Übertragungsfunktion, indem es als Übertragungselement fungiert und die an der Oberfläche des Bauteils infolge von Belastungen auftretenden Verformungen auf das sensitive Element des Kraftsensors überträgt. Das Zwischenelement ist somit in Kraftflussrichtung mit dem Bauteil gekoppelt, d. h. Verformungen, welche in der Oberfläche des Bauteils auftreten, werden unmittelbar auf das Zwischenelement und von diesem auf das sensitive Element übertragen. Vorteilhaft dabei ist, dass der Kraftsensor bzw. das sensitive Element als Baueinheit mit dem Zwischenelement vorgefertigt und danach mit dem Bauteil verbunden werden kann.
Bevorzugt ist das Zwischenelement kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Oberfläche des Bauteils nicht zusätzlich bearbeitet werden muss, wodurch seine Funktionsfähigkeit oder Festigkeit
beeinträchtigt werden könnte. Vielmehr ist lediglich eine glatte Oberfläche
erforderlich, um einen Reibungsschluss zu gewährleisten, welcher das Messergebnis gegebenenfalls verfälschen könnte.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Zwischenelement, bevorzugt an dessen Enden, mit Hilfe von Spann- oder Klemmelementen,
vorzugsweise von Spannbändern oder Schellen am Bauteil befestigt. Damit wird ein hinreichender Reibungsschluss zwischen der Oberfläche des Bauteils und der Kontaktfläche des Zwischenelements hergestellt, sodass eine schlupffreie
Übertragung der Verformung vom Bauelement auf das Zwischenelement
gewährleistet ist. Eine Nietverbindung zwischen Bauteil und Zwischenelement ist ebenfalls denkbar. Eine alternative stoffschlüssige Befestigung kann durch Kleben erfolgen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor auf dem Zwischenelement befestigt, und zwar vorzugsweise kraft-, form-, oder stoffschlüssig. Der Kraftsensor kann je nach Bauart beispielsweise durch ein geeignetes
Klebeverfahren auf das Zwischenelement aufgebracht werden, wobei dieses
Klebeverfahren direkt am Bauteil nicht anwendbar wäre. Ferner könnte der Kraftsensor mittels einer Schweißverbindung oder durch formschlüssige Elemente mit dem Zwischenelement verbunden werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches an dem Zwischenelement befestigt ist. Damit ist der Kraftsensor gekapselt, d. h. nach außen geschützt und abgeschirmt, sodass seine Funktionsfähigkeit nicht durch äußere Einflüsse beeinträchtigt werden kann. Das Gehäuse mit dem Zwischenelement kann ebenfalls als separate vorgefertigte Baueinheit hergestellt und mit dem Bauteil verbunden werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor als
Dehnungsmessstreifen ausgebildet, welcher sich mit einfachen Mitteln an dem Zwischenelement, z. B. durch Kleben befestigen lässt. Der Dehnungsmessstreifen erfasst somit mittelbar - über das Zwischenelement - die Verformungen des
Bauteiles.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kraftsensor ein sensitives Element, auch Sensorelement genannt, aus Carbon Nanotubes (CNT), welche auf die Oberfläche des Zwischenelements als Schicht aufgebracht werden, vorzugsweise in Form eines die CNT bindenden Lackes. Ausführliche Informationen über die Verwendung von CNT als sensitives Element eines Kraftsensor finden sich in der zeitgleich eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem internen
Aktenzeichen ZF 006408.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor als
piezoresistive Schicht ausgebildet, welche auf das Zwischenelement aufgebracht ist. Vorzugsweise wird die piezoresistive Schicht auf ein Metallplättchen aufgetragen, welches über eine Schweißverbindung auf dem Zwischenelement fixiert werden kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können.
Die einzige Figur zeigt ein Modul 1 eines Kraftsensors 4, kurz Sensormodul 1 genannt, welches durch einen gestrichelten rechteckförmigen Rahmen
hervorgehoben ist. Das Sensormodul 1 ist auf einem mechanischen Bauteil 2, welches Stab- oder zylinderförmig ausgebildet sein kann, befestigt. Das
mechanisches Bauteil 2, welches eine Oberfläche 2a aufweist, wird durch eine Zugkraft, dargestellt durch zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Pfeile F, beansprucht, d. h. in dem Bauteil 2 treten, verteilt über den Querschnitt,
Zugspannungen auf, welche zu Dehnungen des Bauteils 2, insbesondere auch an deren Oberfläche 2a führen. Das Sensorelement 1 umfasst ein Zwischenelement 3, ein sensitives Element 4 eines Kraftsensors, auch kurz Kraftsensor 4 genannt, sowie ein Gehäuse 5, welches auf dem Zwischenelement 3 befestigt ist und das sensitive Element 4 nach außen abkapselt. Das sensitive Element 4, welches auf einem nicht dargestellten Plättchen angeordnet sein kann, ist formschlüssig über zwei
Formschlusselemente 6a, 6b in Form von Anschlägen gegenüber dem
Zwischenelement 3 fixiert. Das Zwischenelement 3 ist über zwei Spannbänder 7, 8 mit der Oberfläche 2a des Bauteils 2 verspannt. Durch die Spannbänder 7, 8, zwischen denen der Messbereich liegt, wird zwischen dem Zwischenelement 3 und der Oberfläche 2a des Bauteils 2 eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt, welche eine schlupffreie Übertragung von Dehnungen des Bauteils 2 auf das
Zwischenelement 3 erlaubt. Das Sensormodul 1 , umfassend das Zwischenelement 3, den Kraftsensor 4 sowie das Gehäuse 5, ist als vorgefertigte Baueinheit herstellbar und anschließend mit dem Bauteil 2 montierbar.
Als sensitive Elemente 4 bzw. Kraftsensoren 4 kommen die meisten handelsüblichen Kraftsensoren, z. B. Dehnungsmessstreifen in Frage. Möglich ist jedoch auch die Verwendung von Carbon Nanotubes als sensitives Element, wie dies in der zeitgleich eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen ZF 006408 beschrieben ist. Die Messung über das sensitive Element 4 kann induktiv, resistiv, optisch, magnetostriktiv, kapazitiv, piezoelektrisch oder magnetoresistiv erfolgen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines mechanischen Bauteils ist eine
Pendelstütze, die stabförmig ausgebildet und Teil eines Wankstabilisierungssystems eines Fahrzeuges ist. Mit dem Sensormodul, welches erfindungsgemäß an der Pendelstütze befestigt wird, kann die Stützkraft gemessen werden.
Bezuqszeichen
1 Sensormodul
mechanisches Bauteil
2a Oberfläche des Bauteils
3 Zwischenelement
sensitives Element (Kraftsensor)
5 Gehäuse
6a Formschlusselement
6b Formschlusselement
7 Spannband
8 Spannband
F Zugkraft

Claims

Patentansprüche
1 . Mechanisches Bauteil für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und einem dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor zur Erfassung einer das Bauteil beanspruchenden Kraft, wobei der Kraftsensor (4) mittels eines Zwischenelements (3) auf der Oberfläche (2a) des Bauteils (2) befestigt ist.
2. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (3) kraftschlüssig mit dem Bauteil (2) verbunden ist.
3. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (3) mit Hilfe von Spann- oder Klemmelementen (7, 8) mit dem Bauteil (2) verbunden ist.
4. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) auf dem Zwischenelement (3) angeordnet ist.
5. Mechanisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) kraft-, form- oder stoffschlüssig auf dem Zwischenelement (3) befestigt ist.
6. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) innerhalb eines Gehäuses (5) angeordnet ist, welches an dem Zwischenelement (3) befestigt ist.
7. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist.
8. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) ein sensitives Element aus Carbon
Nanotubes aufweist, wobei die Carbon Nanotubes auf das Zwischenelement (3) aufgebracht sind.
9. Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) als piezoresistive Schicht ausgebildet ist, welche auf das Zwischenelement (3) aufgebracht ist.
PCT/EP2015/074083 2014-11-20 2015-10-19 Mechanisches bauteil mit kraftsensor Ceased WO2016078843A1 (de)

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