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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils, insbesondere nach Art eines Dehnmessstreifen-Verfahrens, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils, insbesondere nach Art eines Dehnmessstreifen-Verfahrens, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Messung von Kräften und/oder Drehmomenten mittels Dehnmessstreifen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verfahren und Vorrichtungen, bei denen mittels eines Kraftkopplungselements mit Widerstandselementen, die bei Belastung ihren elektrischen Widerstand verändern, Kräfte oder Belastungen aufgrund einer Verformung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite gemessen werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Messvorrichtungen und Messverfahren bekannt, bei denen zur Messung von Kräften und/oder Drehmomenten Dehnmessstreifen auf ein belastetes Bauteil oder ein damit gekoppeltes Kraftkopplungselement aufgeklebt sind bzw. werden. Aufgrund der Belastung verändert sich ein elektrischer Widerstand des Dehnmessstreifens. Diese Veränderung wird über eine Auswerteeinheit oder eine Auswertesteuerung ausgewertete und ausgegeben. Das
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils, insbesondere nach Art eines Dehnmessstreifen-Verfahrens, mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder nebengeordneten Anspruches, bei dem eine Eingangsbelastung des Bauteils auf ein mit dem belasteten Bauteil gekoppelten Kraftkopplungselement übertragen wird und eine Verformung des Kraftkopplungselements erfasst wird, wobei eine Richtung der Eingangsbelastung über das Kraftkopplungselement umgelenkt und die Verformung an einer Stelle, an welcher die Eingangsbelastung umgelenkt ist, erfasst wird, haben dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, dass eine montagefreundlichere und/oder dauerhaftere Lösung realisierbar ist. Durch die Anbringung an einer umgelenkten Stelle ist die Montage dort vereinfacht. Insbesondere ist die Anbringung flexibler. Die Herstellung des Bauteils und des Kraftkopplungselementes mit dem Sensor wird in einer Ausführungsform separat durchgeführt. In einem Schritt wird der Sensor an dem Kraftkopplungselement angeordnet. In einem anderen Schritt wird das Bauteil mit einer entsprechenden Aufnahme ausgebildet. Weiter wird das Kraftkopplungselement mit dem Sensor an dem Bauteil angeordnet. Die Anordnung wird entsprechend befestigt. Beispielsweise wird das Kraftkopplungselement in das Bauteil gepresst. In einer anderen Ausführungsform wird das Kraftkopplungselement zumindest an einer Stelle mit dem Kraftkopplungselement verstiftet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kraftkopplungselement mit dem Bauteil an einer Stelle, an welcher die Belastung nicht umgelenkt ist und an einer Stelle, an welcher die Kraft umgelenkt ist, kontaktiert wird. Insbesondere wird das Kraftkopplungselement an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Bauteil in zusammenwirkender Weise verbunden. An der ersten Stelle wird das Bauteil dreh- und/oder ortsfest mit dem Kraftkopplungselement verbunden. An der zweiten Stelle wird das Bauteil mit dem Kraftkopplungselement kontaktierend, insbesondere in zumindest überwiegender Weise kraftschlüssiger Verbindung, angeordnet. Auf diese Weise ist zumindest eine geringe Relativbewegung des Kraftkopplungselements gegenüber dem Bauteil zumindest an der zweiten Stelle realisierbar.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Verformung über mindestens ein Widerstandselement erfasst wird, welches bei einer Verformung zumindest seine elektrische Widerstandseigenschaft ändert. Das Widerstandselement wird bevorzugt an einem Bereich, an welchem eine Verformung deutlich messbar ist, angeordnet. Insbesondere wird das Widerstandselement an einer Stresszone angeordnet, bzw. an einem der Stresszone gegenüberliegenden oder benachbarten Bereich. In einer Ausführungsform wird ein Widerstandselement vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform werden mehrere Widerstandselemente vorgesehen. Bevorzugt werden mehrere Widerstandselemente elektrisch leitend miteinander verbunden, beispielsweise über eine geeignete Brückenschaltung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils, insbesondere nach Art eines Dehnmessstreifen-Verfahrens, mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder nebengeordneten Anspruches hat dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, dass bei der Vorrichtung zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils, insbesondere nach Art eines Dehnmessstreifen-Verfahrens, bei dem eine Eingangsbelastung des belasteten Bauteils auf ein mit dem belasteten Bauteil gekoppelten Kraftkopplungselement übertragen wird und eine Verformung des Kraftkopplungselements erfasst wird, vorgesehen ist, dass Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sind. Das Bauteil weist eine Eingangsseite für eine Belastungseinleitung, beispielsweise ein Drehmoment, auf. In einer Ausführungsform ist das Bauteil als Gehäuseflansch oder dergleichen ausgebildet. Bevorzugt ist das Bauteil hohl ausgebildet. Weiter bevorzugt ist das Bauteil rotationssymmetrisch ausgebildet, insbesondere um eine Drehachse oder kurz Achse. Die Belastung mittels Drehmoment erfolgt bevorzugt als Drehmoment um die Drehachse. Weiter umfasst das Bauteil einen Raum zur Aufnahme eines Kraftkopplungselements. Das Kraftkopplungselement ist bevorzugt im Inneren des Flanschgehäuses oder Gehäuseflansches angeordnet. Das Kraftkopplungselement ist an einer Stelle bevorzugt drehfest mit dem Bauteil verbunden. An einer anderen Stelle ist das Kraftkopplungselement bevorzugt kraftschlüssig mit dem Bauteil verbunden. Das Kraftkopplungselement ist derart mit dem Bauteil verbunden, dass eine Relativbewegung zwischen dem Kraftkopplungselement und dem Bauteil realisierbar ist, beispielsweise aufgrund einer Verformung des Kraftkopplungselements. Bevorzugt ist das Kraftkopplungselement konzentrisch zu der Achse ausgebildet bzw. erstreckt sich im Wesentlichen in Richtung der Drehachse.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens ein Kraftkopplungselement umfassen, das mindestens einen ersten Abschnitt, der sich in eine erste Richtung erstreckt, und mindestens einen zweiten Abschnitt, der sich in eine zweite Richtung quer zu der ersten Richtung erstreckt, aufweist, um eine Kraftumlenkung von der ersten Richtung in die zweite Richtung zu realisieren. Das Kraftkopplungselement weist bevorzugt einen stabförmigen oder zapfenförmigen ersten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt ist beispielsweise als Vollmaterial ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist der erste Abschnitt zumindest teilweise als Hohlmaterial ausgebildet. Insbesondere ist der erste Abschnitt stiftförmig, zum Beispiel zylindrisch, konisch oder mit einem sich entlang der axialen Richtung im Querschnitt, das heißt radial zur axialen Richtung, beliebig veränderlichen Durchmesser oder Abmaß ausgebildet. Weiter weist das Kraftkopplungselement einen zweiten Abschnitt, der sich bevorzugt übergangslos an den ersten Abschnitt anfügt, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt bevorzugt einteilig ausgebildet sind. In einer anderen Ausführungsform ist zumindest ein Verbindungsmittel zwischen erstem und zweitem Abschnitt vorgesehen. Der zweite Abschnitt erstreckt sich quer, insbesondere senkrecht, das heißt radial, zu dem ersten Abschnitt, sodass ein schirmförmiges Kopplungselement, das heißt mit einem etwa T-förmigen Querschnitt, realisiert ist. Eine von der Eingangsseite über das Bauteil auf das Kraftkopplungselement übertragene Belastung wird so von dem ersten Abschnitt auf den zweiten Abschnitt übertragen und durch die vorgesehene Umlenkung entsprechend umgelenkt. Entsprechend ist eine durch eine Eingangsbelastung hervorgerufene Formänderung des Kraftkopplungselements an dem zweiten Abschnitt erfassbar.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Kraftkopplungselement an dem zweiten Abschnitt mindestens einen als Stresszone ausgebildeten belastungssensitiven Bereich aufweist. Um die durch die Eingangsbelastung hervorgerufene Formänderung an dem zweiten Abschnitt deutlicher zu erfassen, ist zumindest abschnittsweise der zweite Abschnitt mit mindestens einem als Stresszone ausgebildeten belastungssensitven Bereich versehen. In einer Ausführungsform ist ein belastungssensitiver Bereich vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere belastungssensitive Bereiche vorgesehen. Der belastungssensitive Bereich ist geeignet, eine Belastung bzw. die dadurch hervorgerufene Formänderung in dem Bereich zu verstärken, sodass diese dort deutlicher erfassbar ist. In einer Ausführungsform ist die so ausgebildete Stresszone umlaufend um die Drehachse, insbesondere radial davon beabstandet, ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere Stresszonen, beispielsweise mit einem unterschiedlichen Abstand zur Drehachse und/oder mit unterschiedlichen Formen ausgebildet. Die Stresszone ist beispielsweise aus einem anderen Material als der verbleibende zweite Abschnitt ausgebildet.
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Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Stresszone als materialverdünnter Bereich ausgebildet ist. Durch eine Materialverdünnung ist eine Verformung aufgrund von einer Belastung deutlicher erfassbar. Entsprechend ist die Stresszone bevorzugt als Nut, Schlitz oder dergleichen ausgebildet. An dem Grund bzw. an der dem Grund gegenüberliegenden Seite ist eine Verformung besonders gut erfassbar.
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Entsprechend ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Mittel einen Sensor zur Erfassung der Verformung des Kraftkopplungselements aufweisen, wobei der Sensor an dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, insbesondere an der Stresszone angeordnet ist. Der Sensor weist entsprechende Mittel zur Erfassung der Verformung auf. Diese sind bevorzugt in dem Grund oder weiter bevorzugt an einer gegenüberliegenden Seite angeordnet.
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Noch eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Sensor mindestens ein Widerstandselement aufweist, welches bei einer Verformung zumindest seine elektrische Widerstandseigenschaft ändert. Durch Aufbringung von Widerstandselementen im Bereich der Stresszone, das heißt an dem Grund der Stresszone und/oder an einer der Stresszone gegenüberliegenden Seite oder Oberfläche, ist eine Verformung besonders gut erfassbar. Entsprechend klar und deutlich sind die Widerstandsveränderungen erfassbar und entsprechend deutlich können entsprechende Signale generiert werden.
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Zudem ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Mittel ein Bauteil, welches belastbar ist, umfassen, an welchem eingangsseitig mindestens ein Kraftkopplungselement mit dem ersten Abschnitt und ausgangsseitig mit dem zweiten Abschnitt zur Kraftübertragung befestigt ist. Eingangsseitig weist das Bauteil einen Kopplungsteil auf. Diese dient nach außen weisend zur Aufnahme einer Kraft- oder Drehmomentübertragungseinheit, beispielsweise einem Antrieb, einem Aktuator oder dergleichen. Nach innen bzw. entgegengesetzt weisend weist der Kopplungsteil eine Aufnahme für das Kraftkopplungselement auf. Das Kraftkopplungselement ist drehfest und/oder ortsfest mit dem Kopplungsteil verbunden. Auf diese Weise wird eine Eingangsbelastung auf das Kraftkopplungselement übertragen.
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Zusammenfassend lässt sich Folgendes festhalten.
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In einen als Flansch oder Flanschgehäuse/Gehäuseflansch ausgebildeten Bauteil wird ein Kraftkopplungselement eingepresst, das die Torsion von Eingangsseite zum Ausgang auf eine Stresszone überleitet. Auf der Stresszone bzw. an einem Grund der Stresszone oder dem Grund gegenüberliegenden Seite sind in Metalldünnschichttechnik Widerstandselemente aufgebracht, die ihren Widerstand entsprechend der bewirkten Dehnung oder Stauchung der Stresszone ändern. Die Anordnung der Widerstände erfolgt in Brückenschaltung. Die als Widerstandselemente ausgebildeten Messelemente können auch auf einem Metallträger aufgebracht sein der auf das Kraftkopplungselement aufgeschweißt wird. In dem Fall ist das Kraftkopplungselement mehrteilig ausgebildet. Oberhalb der Messelemente, das heißt benachbart zu den Messelementen, ist eine Leiterplatte angeordnet, die einen Verstärker, die elektrischen Bauelemente und die Kontaktierung zur Auswertesteuerung trägt. Die Messelemente auf dem Kraftkopplungselement können durch Bonddrähte, durch eine Kontaktfedergruppe oder mittels anderer geeigneter Verbindungen elektrisch kontaktiert werden. Die mechanische Kraftkopplung auf der Eingangsseite erfolgt durch bekannte Technik wie z. B. Verstiften. Die Korrektur eines Offsets und ggf. eine Verstärkung erfolgt über die elektrische Kontaktierung nach der Montage in den Flansch. Der Flansch kann auch eine beliebige Freiformkonstruktion sein, die entweder einer Drehbelastung oder einer Biegekraft ausgesetzt ist. Vorteile der Erfindung sind zum Beispiel, dass die Herstellung von Flansch und Kraftkopplungselement mit Sensor unabhängig erfolgen können. Das Kraftkopplungselement kann zudem nahezu beliebige Formen annehmen. Beispielsweise kommt ein derartiges Bauteil bei einem Querstabilisator für Kraftfahrzeug zum Einsatz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch in einer Querschnittsansicht eine Vorrichtung zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils und
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2 schematisch in einer Querschnittsansicht einen vergrößerten Ausschnitt einer Kontaktierung mit der Leiterplatte mittels Druckfederkontaktierung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht eine Vorrichtung 100 zur Belastungsmessung eines belasteten Bauteils 10. Das Bauteil 10 ist als Flanschgehäuse 11 ausgebildet. Dieses weist eine Eingangsseite 12 und eine Ausgangsseite 13 auf. An der Eingangsseite 12 weist das Flanschgehäuse 11 einen Kopplungsteil 14 auf, der mittig um eine sich in axiale Richtung erstreckende Achse A ausgebildet ist. Der Kopplungsteil 14 ist nach außen weisend zur Aufnahme eines Antriebs oder Aktuators (hier nicht dargestellt) ausgebildet und weist eine entsprechende Ausnehmung 15 auf. Nach innen weisend weist der Kopplungsteil 14 eine Aufnahme 16 für ein Kraftkopplungselement 20 auf. Das Kraftkopplungselement 20 ist über die Aufnahme 16 mit dem Flanschgehäuse 11 verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung mittels Verstiften. Das Kraftkopplungselement 20 ist umfänglich von einer Gehäusewandung 17 des Flanschgehäuses 11 umgeben. Die Gehäusewandung 17 sowie das Kraftkopplungselement 20 erstrecken sich zumindest teilweise in axiale Richtung. Das Kraftkopplungselement 20 weist einen ersten Abschnitt 21 auf, welcher zapfenförmig oder wellenförmig ausgebildet ist und sich in axiale Richtung erstreckt. Mit dem ersten Abschnitt ist das Kraftkopplungselement 20 eingangsseitig mit dem Kopplungsteil 15 verbunden. Ausgangsseitig weist das Kraftkopplungselement 20 einen zweiten Abschnitt 22 auf. Der zweite Abschnitt 22 grenzt an den ersten Abschnitt 21 an. Dabei erstreckt sich der zweite Abschnitt 22 quer zu dem ersten Abschnitt 21. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der zweite Abschnitt 22 etwa rechtwinklig, das heißt radial, von dem ersten Abschnitt 21, sodass im Querschnitt ein etwa T-förmiges Profil des Kraftkopplungselements 20 realisiert ist. Der zweite Abschnitt 22 ist etwa scheibenförmig ausgebildet und grenzt mit dessen radial äußerer Oberfläche 23 an eine innere Oberfläche der Gehäusewandung 17 an. Entsprechend ist die äußere Kontur des zweiten Abschnitts 22 an die innere Kontur der Gehäusewandung 17 angepasst. Bevorzugt sind die beiden Konturen komplementär ausgebildet. An einer inneren Seite weist der zweite Abschnitt 22 einen als Stresszone 24a ausgebildeten belastungssensitiven Bereich 24 auf. Dieser ist in dem vorliegenden Beispiel als Materialverdünnung des zweiten Abschnitts 22 ausgebildet. Die Materialverdünnung bzw. die Stresszone 24a ist vorliegend vollumfänglich ausgebildet. Diese verläuft von dem ersten Abschnitt radial etwa bis zur Mitte des zweiten Abschnitts 22. An einer nach außen weisenden Seite weist der zweite Abschnitt eine Aufnahme 26 für einen Messsensor 30 auf. Die Aufnahme 26 ist durch einen umlaufenden, in axiale Richtung vorstehenden Rand 27 ausgebildet. Der Sensor 30 umfasst Messelemente, die als Widerstandselemente 35 ausgebildet sind und nach Art eines Dehnungsmessstreifens funktionieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Widerstandselemente 35 auf der nach außen weisenden Seite des zweiten Abschnitts 22 gegenüberliegend zu der Stresszone 24a angeordnet. Dabei sind die Widerstandselemente 35 als in Metalldünnschichttechnik auf den zweiten Abschnitt 22 aufgebrachte Widerstandselemente 35 ausgebildet. Die Widerstandselemente 35 sind in einer Brückenschaltung angeordnet. Für eine Messung sind die Widerstandselemente 35 mit einer Leiterplatte 38 des Sensors 30 verbunden. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung der Widerstandselemente 35 mit der Leiterplatte 38 über eine Verdrahtung 36, hier mittels Bonddrähten 36a. Die Leiterplatte 38 weist zudem einen Verstärker auf, um die Signale zu verstärken. Für die Auswertung der Signale ist die Leiterplatte 38 über einen Stecker 39 mit einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit kontaktiert.
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Die 2 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht einen vergrößerten Ausschnitt einer Kontaktierung mit der Leiterplatte mittels Druckfederkontaktierung 40. In 2 ist eine alternative Kontaktierung der Widerstandselemente 35 mit der Leiterplatte 38 dargestellt. Die Leiterplatte 38 weist Kontaktflächen 41 auf, die als Vorsprünge 41a ausgebildet sind. An die Kontaktflächen 41 grenzen Kontaktfedern 42 an, die entsprechend vorgespannt sind, um einen Kontakt zu bewirkten. An dem den Kontaktflächen 41 gegenüberliegenden Ende kontaktieren die Kontaktfedern jeweils einen Kontaktniet 43. Der Kontaktniet 43 ist elektrisch leitend mit dem entsprechenden Widerstandselement 35 verbunden, sodass eine Druckfederkontaktierung der Widerstandselemente 35 mit der Leiterplatte 38 realisiert ist. Die Kontaktfedern 42 sind in einem Leiterplattengehäuse 38a aufgenommen, welches bevorzugt als Aufnahme 26 ausgebildet ist.
