CN111693194A - 力测量设备、传动装置、执行装置和力测量设备的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力测量设备(1)，其测量原理基于测量两个部件(3、5)的相对位置，该相对位置会被弹性的回位力影响，设有测量装置(7)，其设置用于利用磁相互作用测量所述相对位置。尤其是提出，将这种力测量设备(1)例如用于防止执行装置的超调。本发明还涉及一种传动装置、一种执行装置以及力测量设备的应用。

Description

力测量设备、传动装置、执行装置和力测量设备的应用

技术领域

本发明涉及一种力测量设备，其具有第一部件和第二部件，其中，第一部件和第二部件相对于彼此沿着运动方向可运动地支承。弹性的回位力沿着该运动方向起作用。还设有测量装置，该测量装置的输出信号有关于第一部件相对于第二部件沿着运动方向的相对位置。此外本发明还涉及一种具有这样的力测量设备的传动装置和一种具有这样的传动装置的执行装置。本发明还涉及一种力测量设备的应用。

背景技术

此类的力测量设备、传动装置和执行装置是已知的，其中，力测量设备通常具有延伸尺寸测量条。事实证明，测量条的安装很复杂，因为它通常必须手工完成。

此类的力测量设备例如与涡轮蜗杆传动装置组合使用，以便确定由蜗杆轴驱动的涡轮的转矩。转矩在本发明意义上涉及力。在此已知，蜗杆轴在两侧利用弹簧预紧并且蜗杆轴在运行时的偏移被机械量取。然而这具有以下缺点，即，由于存在预紧，因此测量精度会受到影响，从而从最大力矩的30％开始才能产生可靠的测量结果。

另一已知的替选解决方案在于，蜗杆轴通过弹性体支撑，其中，蜗杆轴靠置在板上并且向该板施加负载，并且压力传感器测量弹性体的变形。该已知的替选解决方案也通常不满足在实践中对测量精度所提的要求。

发明内容

在该背景下，本发明的目的在于，提供一种力测量设备、一种传动装置和一种执行装置，它们具有改善的使用性能。尤其是应当提出一种力测量设备，其可以更简单制成和/或具有更高的测量精度。

为了实现所述目的，本发明提出权利要求1的特征。尤其是因此按照本发明在开头描述类型的力测量设备中为了实现所述目的而提出，测量装置设置用于利用磁相互作用测量所述相对位置。

将磁相互作用充分用于测量所述相对位置有以下优点：该测量不被机械耦合和耦回干扰，从而能达到非常高的测量精度。这样的测量也能够简单地在结构上实现，因为消除了用于将测量传感器机械地与两个相对于彼此可运动的部件连接的在结构上的耗费。基于对磁相互作用的使用，因此不要求将测量传感器与两个部件机械连接。由此改善了已知力测量设备的使用性能。

如果现在向例如在两部件之中的位置可改变的部件上施加外力，那么第一部件相对于第二部件的相对位置改变。基于弹性的回位力，在建立力平衡之后获得确定的相对位置。该相对位置通过测量装置的测量因此允许推断出所使用的外力。测量设备因此就是力测量设备。

力测量设备例如可以设置用于直接测量外力或者弹性的回位力。力测量设备也可以设置用于确定由弹性的回位力的大小得出的力，例如涡轮上的转矩，该转矩基于由蜗杆轴施加的轴向力产生。

可以构成有换算单元，其设置用于将所述相对位置换算成由弹性的回位力的大小得出的力。优选将利用磁场传感器检测的距离换算成这样的力。也可以规定，测量大小的换算由外部单元实施，从而利用力测量设备直接仅能输出这样的值，该值由测量装置的磁场传感器输出。

测量装置的输出信号直接可以是由磁场传感器输出的信号。在此也可以是已经换算的信号。

可以规定，所述磁互相作用基于磁感应。附加或替代地，所述磁互相作用也可以基于霍尔效应。

可以规定，测量装置具有磁场传感器。该磁场传感器例如可以是线圈或者霍尔传感器。该线圈在此可以面状和/或螺旋状构成。尤其是LDC传感器适合作为磁场传感器。例如磁场传感器也可以是上面已经提到的磁场传感器。

优选磁场传感器设置用于检测在第一部件和第二部件之间的限定所述相对位置的距离。此类的距离测量能以特别高的精度实施。

特别简单的是，利用磁场传感器直接检测磁场传感器距第一部件或距第二部件的距离。这在如下情况下特别符合目的，即，磁场传感器与相应另一部件位置固定地连接。如果其中一个组件的位置改变导致另一组件的位置的相应改变，那么这两个组件是位置固定的。

磁场传感器的特点也可以是，磁场传感器设置用于检测静态磁场和/或能随时间变化的磁场。

优选第一部件或第二部件包括磁场传感器。

在力测量设备的一种有利设计中可以规定，弹性的回位力通过弹性的回位元件引起。优选第一部件经由弹性的回位元件与第二部件机械连接。此类的实体的和/或机械的元件导致良好可控的回位力。特别优选，弹性的回位元件形成环形的变形体，该变形体能沿着运动方向变形。例如环形的变形体可以构成为碟形弹簧。这样的碟形弹簧尤其是可以具有如下优点，即，在清晰限定的例如小于一毫米或小于十分之一毫米的小偏移中应实现大的力。

可以规定，弹性的回位力如此设置，使得在最大负载时实现小于半毫米的偏移。优选，该偏移小于十分之一毫米。对于此类的力测量设备存在另外的应用场合，例如结合传动装置和执行装置，和结合多个另外的技术领域。

有利地可以是，弹性的回位元件不与第一部件和/或第二部件一体地构成。这相对于一体的构成会是有利的，因为由此回位元件和这两个部件可以分别通过对于其最适合的制造方法制造。因此例如可以规定，回位元件由扁平板或由带状材料冲压而成。第一部件和/或第二部件例如可以通过车削加工制成。第一部件和/或第二部件例如可以构成为套筒或环。优选回位元件和/或第一部件和/或第二部件由金属制成。

在力测量设备的另一有利的设计中可以规定，测量装置包括电路板。在电路板上能良好地安装对于测量所需的组件和电学构件并且同时可以将电路板在结构上简单地装入力测量设备中。可以规定，在电路板上安装磁场传感器。优选，磁场传感器被印刷，例如可以将形成磁场传感器的线圈的导体电路印刷在电路板上。

也可以规定，电路板至少在一个区域中沿径向伸出超过第一部件。在此有利的是，在该区域中可以将分析电子器件设置在电路板上。

可以规定，第一部件或第二部件包括测量装置。优选第一部件或第二部件包括电路板。

重要的技术应用在以下情况下获得，即规定，在力测量设备中能容纳可旋转的轴。可以规定，在力测量设备的容纳部中构成有用于支承可旋转的轴的轴承。

此外可以规定，运动方向形成轴向方向。优选地，能容纳到力测量设备中的轴、例如已经提到的轴沿着所述轴向方向定向。此外优选电路板、例如之前已经提到的电路板沿径向定向。这意味着，电路板在垂直于运动方向的平面中指向。

可以规定，第一部件和第二部件相对于彼此不可相对转动地支承。这具有如下优点：运动方向唯一地限定，并且这两个部件沿运动方向能够相对于彼此移动。

在本发明的另一设计中可以规定，磁场传感器和/或电路板(其优选承载磁场传感器)的面法线沿着运动方向定向。优选所述运动方向是轴向运动方向。优选，距磁场传感器的距离被检测的部件的朝向磁场传感器的一侧在磁场传感器的检测区域中在正交于运动方向的平面中面状地构成。上面提到的部件是第一部件或第二部件。各单个参与测量过程的组件的面状构成和/或多个此类组件的面状构成的组合的优点在于，由此可以实现非常紧凑的结构方式并且同时能够实现非常高的测量精度。

可以规定，距磁场传感器的距离被检测的部件至少在磁场传感器的检测区域中能导电。这简化了借助于磁相互作用的测量。尤其是在将优选磁预紧的霍尔传感器用作磁场传感器时可以有利的是，该部件在磁场传感器的检测区域中能导磁。

例如为了防止在测量时温度改变导致错误而可以规定，磁场传感器和距磁场传感器的距离被检测的部件具有相同的磁材料。例如两个组件可以是含铜的。之前提到的部件例如可以包含黄铜或青铜。类似或相同材料的使用的优点在于，温度改变对测量结果影响较小，从而即使对于为换算设置校正的情况，测量结果也具有较高精度。温度改变因此会导致例如在磁场传感器中的电阻改变，由此可以改变测量信号。例如这会在将线圈用作磁场传感器时对其电感产生影响，从而可能会改变测量结果。这通过在待测量的对应面上使用相同或类似的材料而至少部分得以补偿。

已经证明有利的是，当磁场传感器、例如线圈的导体电路由铜制成时，第一部件或者位置被探测的部件由黄铜构成。另一部件和/或回位元件例如可以由钢制成，以便补偿第一部件的导磁性的温度依赖性。

一种特别紧凑的结构方式在如下情况下可以实现，即规定，磁场传感器设置在第一部件和/或第二部件的径向延伸尺寸内。优选，第一部件和/或第二部件环状或套筒状构成。

为了实现所述目的，按照本发明规定针对传动装置的并列权利要求的特征。尤其是为了实现所述目的，因此按照本发明在一种开头描述类型的传动装置中提出，传动装置具有力测量设备，该力测量设备按照本发明、尤其是如之前所述和/或按照针对力测量设备的权利要求构成。本发明力测量设备的之前已经描述的优点在传动装置中特别适用。例如可以规定，传动装置是涡轮蜗杆传动装置并且力测量设备以之前描述的方式用于确定涡轮转矩。

在传动装置的一种设计中可以规定，第一部件与沿运动方向可运动的传动装置部件垂直于运动方向非弹性地连接。有利的是，由此第一部件相对于第二部件的相对位置被传动装置部件沿着运动方向的位置预定。“非弹性”在此意味着弹性显著小于弹性的回位力的弹性。尤其是，所述连接关于垂直于运动方向的方向也可以是位置固定的。传动装置部件优选是蜗杆轴。可运动的传动装置部件可以特别有效地被供应用于外力测量。优选第二部件包括传动装置的壳体。第二部件也可以与传动装置的壳体非弹性地连接。在该情况下，所述相对位置因此通过可运动的传动装置部件和壳体的相对的位置来预定。

可以规定，第一部件经由轴承与传动装置部件、例如之前已经提到的传动装置部件连接。优选地，传动装置部件在该轴承中能自由旋转并且沿着所述运动方向向第一部件上以非弹性方式传递位置变化。这能实现将本发明力测量设备特别紧凑地集成到本发明传动装置中。

为了实现所述目的，按照本发明规定针对执行装置的并列权利要求的特征。尤其是为了实现所述目的，因此按照本发明规定，执行装置具有马达，利用该马达经由传动装置能驱动执行元件。传动装置按照本发明、尤其是如之前所述那样和/或按照针对传动装置的权利要求构成。优选地，力测量设备设置用于避免执行元件的超调。

之前已经描述的本发明力测量设备的一种应用在如下情况下可以具有特别的按照本发明的质量，即规定，将本发明力测量设备用于防止执行装置的超调，该执行装置例如可以如之前所述那样构成。

附图说明

现在借助实施例详细描述本发明，但本发明不局限于该实施例。其它实施例通过单个或多个权利要求的特征彼此间和/或与之前所描述的单个或多个特征的组合来获得。

示出：

图1示出本发明力测量设备的在横截面中剖开的实施例的视图，图2和图3示出按照图1的力测量设备的两个不同透视图，

图4示出按照图1示出的实施例的电路板的俯视图，

图5示出按照图1的力测量设备被装入传动装置的壳体中。

具体实施方式

接下来整体上描述图1至图5。在各图中示出本发明力测量设备1的一个实施例，该力测量设备包括第一部件3和第二部件5。第一部件3是由金属通过车削加工制成的空心体，该空心体形成套筒，该套筒带有向外的凸缘21。第二部件5包括电路板15、第一金属环23和第二金属环25。

在第一金属环23和第二金属环25之间夹紧有回位元件13，该回位元件在此处描述的实施例中形成碟形弹簧。电路板15、第一金属环23、回位元件13和第二金属环25借助多个螺钉27互相拧接，其中，螺钉27也可以穿过第二金属环25，以便将力测量设备1与另一个元件、例如传动装置的壳体37拧接。力测量设备1与执行装置的传动装置的壳体37的这种拧接在图5中示出。

回位元件13的另一端部卡紧在套筒29的处于外部的凸肩和第一部件3之间，从而套筒29沿着运动方向6的运动在例如第二部件5与壳体37固定时导致回位元件13的变形并且导致在第一部件3和第二部件5之间的距离11的增加。在此，运动方向6相应于沿着力测量设备1的轴向轴线31的轴向运动方向6。即使当力测量设备1不是完美的旋转体时，还可以说，力测量设备1具有旋转对称。

电路板15是测量装置7的一个组件，利用该测量装置可以在应用磁相互作用的情况下测量第一部件3相对于第二部件5沿着运动方向6的相对位置。磁场传感器9印刷在电路板15上，该磁场传感器在此处描述的实施例中形成面状构成的螺旋状线圈。在此是LDC传感器。电路板15以及螺旋状构成的并且形成线圈的磁场传感器9在图4中在俯视图中示出。

第一部件3可以由黄铜制成，而第二部件5和/或回位元件13可以由钢制成。磁场传感器9可以具有铜线圈。

磁场传感器9为了测量而通电。由此产生磁场，该磁场在金属的第一部件3的凸缘21中引起涡流，该涡流产生反向磁场。该反向磁场根据楞次定律削弱由磁场传感器9产生的磁场。该削弱可以被磁场传感器9探测。削弱度取决于凸缘21距磁场传感器9的距离。第一部件3和磁场传感器9越近，削弱则越大。

磁场传感器9和第一部件3的距离在此处示出的实施例中等于在第一部件3和第二部件5之间的距离11。该距离11与施加到套筒29上的外力有直接联系。回位元件13因此产生弹性的回位力。该回位力随着在第一部件3和第二部件5之间的距离11增大而增加。在回位力等于外力的时刻，在确定的距离11处产生平衡。因此能够有效地利用测量装置7测量力。

在电路板15上也安装有换算单元17，利用该换算单元能够将由磁场传感器9测量的信号换算成力。确切的换算规则在此可以通过输入确定的参数并将其存储到未进一步显示的存储器中来确定。参数在此是回位元件13的弹簧力。为了计算转矩而可以输入距离作为其它参数。可看到，电路板15径向伸出超过第一部件3。在该伸出的区域中设有换算单元17，从而第一部件3相对于第二部件5的可运动性即使在间隙尺寸小时也不受妨碍。

测量装置7的输出信号在此处示出的实施例中相应于力的具体测量值。在一种替选的实施例中，由磁场传感器9检测的信号的换算也在力测量设备1之外在读取由测量装置7输出的输出信号之后进行。测量装置7可以具有数据输出接口和/或数据输入接口。

磁场传感器9在此处描述的实施例中距轴向轴线31具有径向距离，该径向距离小于第一部件3的径向延伸尺寸19的一半，其中，在此处示出的实施例中，第一部件3的径向延伸尺寸19等于凸缘21的直径。磁场传感器9因此处于第一部件3的径向延伸尺寸19内，该第一部件是距磁场传感器9的距离被检测的部件3。

在此示出的实施例中，回位元件的弹簧常数是每毫米10000牛。在示例性的1000牛的最大负载时，第一部件3相对于第二部件5的偏移是十分之一毫米。

力测量设备1例如可以用于监控执行装置和/或传动装置的负载和/或用于防止执行装置的超调

。执行装置可以具有马达，该马达驱动传动装置部件39。在图5中，传动装置部件39构成为蜗杆轴。蜗杆轴本身驱动涡轮。由此可以驱动执行元件，例如阀。

第一部件3可以经由轴承与传动装置部件39连接，其中，传动装置部件39在该轴承中能自由旋转。轴承例如可以在轴承容纳部35中轴向贴靠在套筒29的处于内部的凸肩33上，从而传动装置部件39的轴向运动被套筒29容纳。第二部件5可以借助于螺钉27与执行装置的壳体37连接，从而通过传动装置部件39的轴向移动而改变在第一部件3和第二部件5之间的距离。

通过确定回位元件13的弹簧常数和蜗杆轴距涡轮中点的距离，可以借助于力测量设备1测量施加在涡轮上的转矩。借助于测量的该转矩例如可以规定，一旦转矩超出确定的值，则中断阀控制。

在一种力测量设备1(其测量原理基于测量两个部件3、5的相对位置，该相对位置会受到弹性的回位力影响)中提出，设有测量装置7，该测量装置设置用于利用磁相互作用测量相对位置。尤其是提出，这样的力测量设备1例如用于监控执行装置和/或传动装置的负载和/或用于防止执行装置的超调。

附图标记列表

1 力测量设备

3 第一部件

5 第二部件

6 运动方向

7 测量装置

9 磁场传感器

11 在第一部件和第二部件之间的距离

13 回位元件

15 电路板

17 换算单元

19 第一部件的径向延伸尺寸

21 第一部件的凸缘

23 第一金属环

25 第二金属环

27 螺钉

29 套筒

31 力测量设备的轴向轴线

33 凸肩

35 轴承容纳部

37 壳体

39 传动装置部件

Claims (15)

1.力测量设备(1)，具有第一部件(3)和第二部件(5)，其中，第一部件(3)和第二部件(5)相对于彼此克服弹性的回位力沿着运动方向(6)可运动地支承，并且设有测量装置(7)，该测量装置的输出信号有关于第一部件(3)相对于第二部件(5)沿着所述运动方向(6)的相对位置，其特征在于，测量装置(7)设置用于利用磁相互作用测量所述相对位置。

2.按照前一项权利要求所述的力测量设备(1)，其特征在于，所述磁互相作用基于磁感应和/或霍尔效应，和/或测量装置(7)具有磁场传感器(9)，尤其是，磁场传感器(9)设置用于检测在第一部件(3)和第二部件(5)之间的限定所述相对位置的距离(11)。

3.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，所述弹性的回位力通过弹性的回位元件(13)引起，尤其是，第一部件(3)经由弹性的回位元件(13)与第二部件(5)机械连接和/或所述弹性的回位元件(13)形成变形体，该变形体能沿着所述运动方向(6)变形。

4.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，弹性的回位元件(13)不与第一部件(3)和/或第二部件(5)一体地构成，尤其是，弹性的回位元件(13)由扁平板或者带状材料冲压而成，和/或，第一部件(3)和/或第二部件(5)通过车削加工制成。

5.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，构成有换算单元(17)，该换算单元设置为用于将所述相对位置、尤其是利用磁场传感器(9)检测的距离(11)换算成由弹性的回位力的大小得出的力。

6.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，磁场传感器(9)具有铜线，和/或第一部件(3)由黄铜制成，和/或回位元件(13)由钢制成。

7.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，测量装置(7)包括电路板(15)，尤其是，磁场传感器(9)安装在该电路板(15)上和/或电路板(15)至少在一个区域中径向伸出超过第一部件(3)。

8.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，在力测量设备(1)的容纳部中构成有轴承，该轴承用于支承可旋转的轴，和/或所述运动方向(6)形成轴向方向(6)，尤其是，一个能容纳到力测量装置(1)中的轴或者所述轴沿着所述轴向方向(6)定向和/或电路板(15)沿径向定向。

9.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，磁场传感器(9)或者电路板(15)的面法线沿着运动方向(6)定向，尤其是，距磁场传感器(9)的距离(11)被检测的部件(3、5)的朝向磁场传感器(9)的一侧在磁场传感器(9)的检测区域中在正交于运动方向(6)的平面中面状地构成。

10.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，距磁场传感器(9)的距离(11)被检测的部件(3、5)至少在磁场传感器(9)的检测区域中能导电和/或能导磁，尤其是，磁场传感器(9)和距磁场传感器(9)的距离(11)被检测的部件(3、5)包含相同的磁材料。

11.按照前述权利要求之一所述的力测量设备(1)，其特征在于，磁场传感器(9)设置在第一部件(3)和/或第二部件(5)的径向延伸尺寸(19)中，尤其是，第一部件(3)和/或第二部件(5)环状或套筒状构成。

12.传动装置、尤其是涡轮蜗杆传动装置，具有按照上述权利要求之一所述的力测量设备(1)，尤其是第一部件(3)与传动装置部件(39)垂直于运动方向非弹性地连接，从而第一部件(3)相对于第二部件(5)的相对位置被可运动的传动装置部件(39)沿着运动方向(6)的位置预定，和/或，第二部件(5)形成壳体(37)或者与传动装置的壳体(37)非弹性地连接。

13.按照前一项权利要求所述的传动装置，其特征在于，第一部件(3)经由轴承与传动装置部件(39)连接，其中，传动装置部件(39)在该轴承中能自由旋转并且沿着运动方向(6)向第一部件(3)上以非弹性方式传递位置变化。

14.执行装置，具有经由按照权利要求12或13所述的传动装置被马达驱动的执行元件，尤其是，力测量设备(1)设置用于避免执行元件的超调。

15.按照权利要求1至11之一所述的力测量设备(1)的应用，用于监控执行装置和/或传动装置的负载和/或用于防止执行装置的超调。

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