CN113474627A - 安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间的测量系统 - Google Patents

安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间的测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量系统，其具有平坦的测量元件容座(1)，该测量元件容座(1)具有大致平行的覆盖表面(2)，该测量系统适合安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间，具有至少一个压电测量元件(10、20)，测量元件(10)布置在测量元件容座(1)中的贯通开口(3)中。根据本发明，至少一个测量元件(10)以限定的游隙机械地固定在贯通开口(3)中。

Description

安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间的测量系统
本发明涉及一种具有平坦的测量元件容座的测量系统，该测量元件容座具有大致平行的覆盖表面，该测量系统适合安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间，具有至少一个压电测量元件，其中，测量元件布置在测量元件容座的贯通开口中。此外，本发明涉及一种带有平行的、引入力的边界表面以及周向表面的测量元件，该测量元件具有布置在各边界表面之间的压电测量元件盘。
压电传感器或带有多个测量元件的测量系统的一项测量任务是测量两个机器部件之间的力矩和横向力。例如，机器部件可以在待测量点处分别具有法兰。测量系统应设计为尽可能平坦且整体高度低，以便可以理想地省略用于补偿测量系统整体高度的额外的机械调整、例如在轴组件中。系统的各个测量元件必须固定在其测量任务的位置上，以便于组装，并且它们相对于彼此的位置是已知的，可用于后续评估。测量元件机械地夹紧在两个机器部件之间，例如通过相邻法兰的夹紧螺钉。
在该背景下，从EP 0 459 068 B1中已知一种平坦的薄盘力传感器，其安装高度与普通标准垫圈的安装高度相对应，使得该薄盘力传感器可用于螺栓力的动态力测量，为此垫圈的替换是必要的。这使得无需对安装环境进行机械处理即可进行安装。为了不损坏已安装的压电垫圈，使用的测量元件仅测量总螺栓力的部分力，并且该测量元件的直径排除了损坏的风险。为了抑制存在的间隙弹簧层的影响，将测量元件以高机械预张力下焊接到传感器保持件中。然后对表面进行研磨并选择性抛光。然后，测量元件的表面必须涂覆气相沉积层以加强它们的测力部件。一个主要缺点是，将测量元件焊接连接到测量元件容座会把干扰变量引入到测量元件中。此外，测量元件或传感器保持件的材料选择是有限的，因为只有少数材料适合焊接到测量元件。
此外，从DE 43 40 670 C2中已知了一种用于测量作用在机器部件上的力和扭矩的设备。压电压力测量元件布置在中间板中相对应的通孔中，中间板布置在两个机器部件之间。测量元件定位在软的、永久弹性的铸料的中间板的相对应的较大孔中。为了补偿高度差，在测量元件的上方和下方额外提供了平面平行的适配器盘。缺点是测量设备费时的制造，其中，必须在施加了铸料并装配了适配器垫圈后研磨中间板的两侧。此外，无法排除干扰变量通过铸料引入到测量元件中。
本发明的目的是改进平坦的测量系统，该测量系统具有保持在测量元件容座中的至少一个上述类型的测量元件，以将测量元件保持在限定位置，其中，很大程度上避免了由于不同的热膨胀以及相邻机器部件的不平整和位置公差而导致的干扰变量的引入。
根据本发明，这是通过在测量元件容座的贯通开口中以限定的游隙机械地固定至少一个测量元件来实现的。
浮动安装补偿了相邻机器部件的不平整和位置公差。此类测量系统的一个或多个测量元件既不通过焊接或粘合接头也不通过弹性铸料连接至测量元件容座，而是以浮动的方式安装(即固定到位并在所有空间方向上有足够的游隙)在贯通开口中，从而不会在测量元件中散布干扰保持力。细微的构件差异可通过测量元件和测量元件容座之间存在的间隙来补偿。
由于没有与测量元件焊接，测量元件容座可以使用不同的材料，比如钢、铝、不同的铝合金或者甚至塑料。
压电测量元件不一定由与相邻机器部件相同的材料制成。为了降低由于不同热膨胀产生的负面影响，用与相邻机器部件相同的材料制造测量元件容座是有利的。
根据本发明，至少一个测量元件在其周向表面上具有结构，该结构接合在贯通开口的周向壁上对应的结构中，在平行于覆盖表面/或垂直于测量元件容座的覆盖表面的至少一个空间方向上有游隙，其中，使用了不同的实施例变型。
根据本发明的第一实施例变型，环形沟槽形成在至少一个测量元件的周向表面上，其接纳至少一个弹簧元件，其中，弹簧元件接合在贯通开口的周向壁中的环形沟槽中。这大大简化了测量系统的制造。所需要的只是通过3D打印或CNC铣削生产适合特定测量情形的测量元件容座、例如适合轴组件中的法兰的薄而环形的测量元件容座，然后可以将单个测量元件卡夹在通孔中。
在本发明的另一个有利变型中，在至少一个测量元件上形成周向腹板，该周向腹板接合在贯通开口的环形沟槽中，其中，环形沟槽一方面由基部部分界定，另一方面由可插入基部部分的测量元件容座的覆盖件界定。在组装测量系统时，各个测量元件插入在测量元件容座中且相对于贯通开口有略微的游隙，线缆插入在基部部分中并且在覆盖件紧固后以限定的游隙机械地固定。
根据本发明的特别有利的实施例变型，测量元件容座中的至少一个贯通开口可设计为细长孔。尽管是浮动支承，但通过测量元件容座中的细长孔和圆形贯通开口的组合也可以实现高定位精度。
因此，根据本发明的测量元件，其特征在于，测量元件的周向表面具有可以使测量元件带有游隙地机械地固定在测量元件容座中的结构。
下面参考示例性实施例更详细地解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的测量系统的俯视图，该测量系统具有布置在环形的测量元件容座中的多个测量元件；
图2示出了测量元件区域内的测量系统的放大细节的分解图；
图3示出了根据图1中的线III-III的处于安装位置的测量元件的剖视图；
图4示出了测量元件的实施例变型的根据图3的剖视图；
图5示出了没有覆盖件的测量元件容座基部部分的三维示意图；
图6示出了根据本发明的测量系统的实施例变型细节的分解图；
图7示出了测量元件容座中贯通开口(细长孔)的细节；以及图8示出了插入了测量元件的根据图7的贯通开口。
在各实施例变型中，具有相同功能的部件设有相同的附图标记。
图1至3所示的根据本发明的测量系统的第一实施例变型具有薄而平坦的测量元件容座1，该测量元件容座1具有平面平行的覆盖表面2，该测量元件容座1具有环形设计，并且可以安装在扭矩和/或力传递的机器部件(未示出)之间。在所示示例中，六个测量元件10沿周向方向以相等间距在期望的测量点处定位在测量元件容座1的对应的贯通开口3中，并且以浮动方式安装在测量元件容座1中、即以限定的游隙机械地固定。
为此目的，每个环形测量元件10在其外周向表面11上具有结构，该结构接合在贯通开口3的周向壁4上对应的结构中，在平行和/或垂直于测量元件容座1的覆盖表面2的至少一个空间方向上有游隙。
在根据图1至图3的所示示例中，环形沟槽13形成在每个测量元件10的周向表面11上，该环形沟槽13容纳至少一个弹簧元件6，其中，弹簧元件6接合在贯通开口3的周向壁4的环形沟槽5中。
在将测量元件10安装到测量元件容座1中时，首先将设计为例如一侧开口的环形弹簧的弹簧元件6插入到测量元件容座1的环形沟槽5中，并用辅助装置(例如心轴)扩宽，以使测量元件10能够卡入贯通开口3中，然后环形弹簧接合在测量元件10的环形沟槽13中(见图3)。
在安装测量元件10时，测量元件容座1的环形沟槽5的深度足够容纳整个环形弹簧6。此外，环形沟槽5的宽度略微大于环形弹簧6的宽度，因此可以在垂直于测量元件容座1的覆盖表面2的方向上设定0.01mm至0.5mm范围内的游隙。
此外，测量元件10的外径略微小于通孔3的直径，因此可以在平行于测量元件容座1的覆盖表面2的所有方向上设定0.01mm至0.5mm范围内的游隙。
测量元件10的引入力的边界表面12略微、例如>0.01mm地突出超出测量元件容座1的平面平行的覆盖表面2，从而确保在直接摩擦接触测量元件10情况下的测量，而没有被测量元件容座1分流的干扰力。
根据图1至图3的圆形测量元件10具有可容纳螺钉或紧固装置的中心贯通开口15，相邻机器部件、例如轴组件的法兰可通过该螺钉或紧固装置而被拧紧(未示出)。
在根据图3的剖视图中，测量元件10被示出作为非对称圆环形的传感器，其整体高度低，例如在2mm至6mm范围内，其两个半壳体17、18容纳了两个测量元件盘19。然而，也可以使用其他圆环形的传感器以及不带通孔的圆形测量元件20(见图6)。
此外，测量元件10也可以有多于两个测量元件盘19以及优选地组合成一条连接线缆的多个信号输出，因此可以在相同的测量位置用一个测量元件10同时实现不同的测量值(例如，压力或力测量、以及扭矩测量)。为了在一个测量位置完成多个测量任务，两个测量元件10也可以一个在另一个上方地布置在贯通开口3中。
测量元件容座1包括基部部分7以及可插入基部部分7的覆盖件8，其中，凹槽9从单个测量元件10开始布置在基部部分7中，用于测量元件10的电接触16。将测量元件10的各个信号导体聚拢在一起，以在圆形的测量元件容座1的外周缘上形成连接器元件21。
根据图4的实施例变型示出了一种测量系统，在该测量系统中，在测量元件10上形成周向腹板14，该周向腹板14接合在测量元件容座1的贯通开口3中的环形沟槽5中，其中，环形沟槽5一方面由基部部分7界定，另一方面由可插入基部部分7的测量元件容座1的覆盖件8界定。在该变型中，测量元件10的引入力的边界表面12也略微突出超过测量元件容座1的平面平行的覆盖表面2，因此可以在测量元件10的摩擦连接的情况下直接进行测量，而没有通过测量元件容座1分流的任何干扰力。
环形沟槽5的宽度略微大于周向腹板14的宽度，因此可以在垂直于测量元件容座1的覆盖表面2的方向上设定0.01mm至0.5mm范围内的游隙。
此外，同样在本发明的该变型中，测量元件10(带有中心贯通开口15)或20(不带贯通开口)的直径略微小于贯通开口3的直径。此外，周向腹板14与周向沟槽5的沟槽基部维持一定距离，因此可以在平行于测量元件容座1的覆盖表面2的所有方向上设定0.01mm至0.5mm范围内的游隙。
在图5中，示出了两件式测量元件容座1的基部部分7，而没有覆盖件8，也没有测量元件10，其中，除了贯通开口3和凹槽9外，还设有开口22，用于固定测量系统位置的定位销。
从垂直于测量元件容座1的平面平行的覆盖表面2的方向看，带有游隙地插入测量元件容座1的测量元件10或20可以是圆形封闭的(见图6)或是圆环形的而带有贯通开口15(见图2)。
图6示出了本发明的变型，其中，测量元件20带有封闭的、引入力的界面12，该测量元件20配备有套环或周向腹板14，该周向腹板14在覆盖件8插入后将测量元件20带有游隙地保持在其位置。安装情况如图4的剖视图所示。
在图7和图8中概示的本发明的实施例变型中，在测量元件容座1中的至少一个贯通开口3设计为细长孔23。因此在该变型中，在细长孔23长直径D的方向上可获得在几毫米(mm)范围内的增加的游隙。因此，对于测量元件容座1的单个或所有测量元件10，可以提供通过细长孔23的长度以及对准限定的单个或所有测量元件10的不对称位置公差。

Claims (12)

1.测量系统，具有平坦的测量元件容座(1)，所述测量元件容座(1)具有大致平行的覆盖表面(2)，所述测量系统适合安装在传递扭矩和/或力的机器部件之间，所述测量系统具有至少一个压电测量元件(10、20)，其中，所述测量元件(10、20)布置在所述测量元件容座(1)的贯通开口(3)中，其特征在于，至少一个测量元件(10、20)以限定的游隙机械地固定在所述贯通开口(3)中。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述至少一个测量元件(10、20)包括在其周向表面(11)上的结构，所述结构接合在所述贯通开口(3)的周向壁(4)上对应的结构中，在平行于所述覆盖表面(2)和/或垂直于所述覆盖表面(2)的至少一个空间方向上有游隙。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，在所述至少一个测量元件(10、20)的周向表面(11)上形成环形沟槽(13)，所述沟槽容纳至少一个弹簧元件(6)，其中，所述弹簧元件(6)接合在所述贯通开口(3)的周向壁(4)中的环形沟槽(5)中。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述弹簧元件(6)设计为在一侧开口的环形弹簧。
5.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，在所述至少一个测量元件(10、20)上形成周向腹板(14)，所述周向腹板(14)接合在所述贯通开口(3)中的环形沟槽(5)中，其中，所述环形沟槽(5)一方面由基部部分(7)界定，另一方面由所述测量元件容座(1)的覆盖件(8)界定，所述覆盖件(8)能插入所述基部部分(7)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量系统，其特征在于，在沿垂直于所述测量元件容座(1)的平面平行的覆盖表面(2)的方向观察时，所述至少一个测量元件(10、20)为具有贯通开口(15)的圆形封闭或圆环形设计。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量系统，其特征在于，所述测量元件容座(1)中的至少一个贯通开口(3)设计为细长孔(23)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量系统，其特征在于，多个测量元件(10、20)、优选地沿周向方向等间距地布置在环形测量元件容座(1)中。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的测量系统，其特征在于，多个测量元件(10、20)布置在测力板的预定位置中。
10.根据权利要求8或9所述的测量系统，其特征在于，所述测量元件容座(1)包括基部部分(7)以及能插入所述基部部分(7)中的覆盖件(8)，其中，在基部部分(7)上从单个测量元件(10、20)的位置开始形成用于所述测量元件(10、20)电接触的凹槽(9)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的测量系统，其特征在于，所述测量元件容座(1)由钢、铝、铝合金或塑料制成。
12.测量元件(10、20)，带有平行的、引入力的边界表面(12)和周向表面(11)，所述测量元件具有布置在各所述边界表面(12)之间的压电测量元件盘(19)，其特征在于，所述测量元件(10、20)的所述周向表面(11)包括有通过其能将所述测量元件(10、20)带有游隙地机械地固定在测量元件容座(1)中的结构。
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