DE102016111881A1 - Measuring sensor for measuring deformations and brake with such a sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Messaufnehmer (1) zur Messung von Verformungen über eine Widerstandsänderung mit einer Gitterstruktur (100), welche auf einem Tragkörper (200) aufgebracht ist. Der Messaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass die Gitterstruktur (100) mindestens ein Dehnungsgitter (110, 111) und mindestens ein Kompensationsgitter (120, 121) umfasst, wobei das mindestens eine Kompensationsgitter (120, 121) gegenüber dem mindestens einen Dehnungsgitter (110, 111) in zumindest einer Richtung reduzierten Verformungen ausgesetzt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bremse, die mindestens einen solchen Messaufnehmer (1) aufweist.The invention relates to a sensor (1) for measuring deformations via a change in resistance with a grid structure (100) which is applied to a support body (200). The sensor is characterized in that the grid structure (100) comprises at least one expansion grid (110, 111) and at least one compensation grid (120, 121), the at least one compensation grid (120, 121) being opposite the at least one expansion grid (110, 110). 111) is exposed in at least one direction reduced deformations. The invention further relates to a brake which has at least one such sensor (1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Messaufnehmer zur Messung von Verformungen über eine Widerstandsänderung mit einer Gitterstruktur, welche auf einem Tragkörper aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bremse mit einem solchen Messaufnehmer.The invention relates to a sensor for measuring deformations via a resistance change with a grid structure, which is applied to a support body. The invention further relates to a brake with such a sensor.
Messaufnehmer für auf Kräfte bezogene Verformungsmessungen sind in vielen unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Dabei werden häufig Dehnungsmessstreifen verwendet.Sensors for force related deformation measurements are known in many different designs. Strain gauges are often used.
Derartige Messaufnehmer mit z. B. elektrisch aufgedampftem Dünnschichtgitter sind beispielsweise als Scherkraftsensoren ausgelegt und dienen zur Kraftermittlung aus Verformungen (z. B. Dehnungen) an oder in einer kraftführenden Struktur bzw. Strukturbauteil anhand von Widerstandsänderungen. Ein solches Strukturbauteil kann beispielsweise ein Achskörper, eine Wandung, ein Bauteil einer Bremse usw. sein. Ein solcher Sensor weist häufig eine Vorzugsrichtung auf, in der er empfindlicher ist als in anderen Richtungen. Nachteilig bei einem derartigen Sensor ist jedoch, dass Änderungen der Umgebungsbedingugen, beispielsweise Temperaturschwankungen, das Messergebnis stark beeinflussen.Such sensors with z. B. electrically vapor-deposited thin-film gratings are designed for example as shear force sensors and are used for force determination from deformations (eg strains) on or in a force-carrying structure or structural component based on resistance changes. Such a structural component can be, for example, an axle body, a wall, a component of a brake, etc. Such a sensor often has a preferred direction in which it is more sensitive than in other directions. However, a disadvantage of such a sensor is that changes in the ambient conditions, for example temperature fluctuations, strongly influence the measurement result.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Messaufnehmer zu schaffen, bei dem das Messergebnis möglichst wenig von Umgebungsparametern, insbesondere einer Umgebungstemperatur beeinflusst wird.It is an object of the invention to provide an improved sensor in which the measurement result is influenced as little as possible by environmental parameters, in particular an ambient temperature.
Es ist eine weitere Aufgabe, eine Bremse mit verbesserter Kraftmessung bereitzustellen.It is another object to provide a brake with improved force measurement.
Die Aufgabe wird durch einen Messaufnehmer bzw. eine Bremse mit einem Messaufnehmer mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved by a sensor or a brake with a sensor with the respective features of the independent claims.
Ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer der eingangs genannten Art weist eine Gitterstruktur auf, die mindestens ein Dehnungsgitter und mindestens ein Kompensationsgitter umfasst, wobei das mindestens eine Kompensationsgitter gegenüber dem mindestens einen Dehnungsgitter zumindest in einer Richtung reduzierten Verformungen ausgesetzt ist.An inventive sensor of the type mentioned has a grid structure comprising at least one expansion grid and at least one compensation grating, wherein the at least one compensation grating is exposed to at least one strain grating reduced in at least one direction deformations.
Das mindestens eine Dehnungsgitter ist beispielsweise mit seiner Vorzugsrichtung in einer bevorzugten Messrichtung des Messaufnehmers angeordnet und zur Verformungserfassung vorgesehen. Gegenüber dem Dehnungsgitter erfährt das Kompensationsgitter nur reduzierte Verfomungen. Es dient zur Kompensation von Umgebungsbedingungen des Messaufnehmers, z. B. zur Temperaturkompensation. Dadurch, dass das mindestens eine Kompensationsgitter nur reduzierten Verformungen ausgesetzt ist, erfährt es zwar den Anteil der Widerstandsänderungen, die durch Änderungen der Umgebungsbedingungen bedingt sind, nicht aber einen verformungsbedingten Anteil. Das Dehnungsgitter erfährt dagegen beide Einflüsse. Ein Vergleich der Widerstandsänderungen des Dehnungsgitters und des Kompensationsgitters ermöglicht es, den Anteil der Widerstandsänderung, der auf der Verformung beruht, von dem Anteil, der durch Änderungen der Umgebungsbedingungen bedingt ist, zu trennen.The at least one expansion grid is arranged, for example, with its preferred direction in a preferred measuring direction of the measuring sensor and provided for deformation detection. Compared to the expansion grid, the compensation grid experiences only reduced deformations. It serves to compensate for environmental conditions of the sensor, z. B. for temperature compensation. Due to the fact that the at least one compensation grid is only exposed to reduced deformations, it experiences the proportion of changes in resistance caused by changes in the ambient conditions, but not a deformation-related proportion. The expansion grid, on the other hand, experiences both influences. A comparison of the resistance changes of the expansion grid and the compensation grid makes it possible to separate the proportion of the resistance change, which is based on the deformation, from the proportion which is caused by changes in the ambient conditions.
Es ist vorgesehen, dass die Gitterstruktur auf einer Oberfläche des Tragkörpers aufgebracht ist. Diese Oberfläche kann so in entsprechender Weise für ein Aufbringen der Gitterstruktur behandelt werden. So kann in einer Ausführung die Gitterstruktur als ein aufgedampftes Dünnschichtgitter ausgebildet sein. Damit ergibt sich ein so genannter Dünnschicht-Messaufnehmer. Dieses Verfahren ist ausgereift und weist hohe Qualitäten auf. Wenn der Grundkörper metallisch ist, wird eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aufgebracht.It is envisaged that the grid structure is applied to a surface of the support body. This surface can thus be treated in a corresponding manner for applying the grid structure. Thus, in one embodiment, the grid structure may be formed as a vapor-deposited thin-film grid. This results in a so-called thin-film sensor. This process is mature and has high qualities. If the base body is metallic, an electrically insulating intermediate layer is applied.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Tragkörper einen Grundkörper, auf welchem die Gitterstruktur aufgebracht ist, auf. Dies ergibt einerseits den Vorteil einer einfachen Handhabbarkeit der Gitterstruktur und andererseits den Vorteil einer Anpassung des Messaufnehmers an unterschiedliche Einbaubedingungen. Dabei wird eine Verformung des Grundkörpers, der z. B. plattenförmig ausgebildet sein kann, auf das oder die Dehnungsgitter übertragen. Zur Reduzierung der Verformungen des mindestens einen Kompensationsgitters weist der Grundkörper bevorzugt Einschnitte auf, die das mindestens eine Kompensationsgitter umgeben. Durch die Einschnitte wird der Bereich des Grundkörpers, in dem das mindestens eine Kompensationsgitter angeordnet ist, weniger stark verformt als andere Bereiche. Die Einschnitte umgeben das mindestens eine Kompensationsgitter bevorzugt klammerartig. Die Einschnitte können gerade, gewinkelt oder auch bogenförmig ausgebildet sein. Letzteres ist insbesondere bei einer runden Grundform des Trag- oder Grundkörpers vorteilhaft.In an advantageous embodiment, the support body on a base body on which the grid structure is applied, on. On the one hand, this results in the advantage of easy handling of the lattice structure and, on the other hand, the advantage of adapting the sensor to different installation conditions. In this case, a deformation of the body, the z. B. may be plate-shaped, transferred to the or the expansion grid. In order to reduce the deformations of the at least one compensation grid, the base body preferably has notches which surround the at least one compensation grid. As a result of the cuts, the area of the basic body in which the at least one compensation grid is arranged is less deformed than other areas. The incisions surround the at least one compensation grating, preferably in a clip-like manner. The cuts can be straight, angled or too be formed arcuate. The latter is particularly advantageous in a round basic shape of the support or body.
Einen weiteren Vorteil kann der Tragkörper dadurch bieten, dass er eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verdrehsicherung des Messaufnehmers in bestimmten Einbausituationen bildet.A further advantage of the support body can offer in that it forms a positive and / or cohesive anti-rotation of the sensor in certain installation situations.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Tragkörper durch eine dünne Metallfolie gebildet, wobei eine Befestigung der Metallfolie mit einem zu vermessenden Körper nur in Teilbereichen der Metallfolie vorgesehen ist. Das mindestens eine Kompensationsgitter ist so auf der Metallfolie positioniert, dass es außerhalb der befestigten Teilbereiche liegt. Dadurch, dass der Tragkörper eine dünne Metallfolie ist, werden Verformungen des befestigten Teilbereichs nicht oder nur minimal lateral auf die anderen Abschnitte des Tragkörpers übertragen, wodurch das Kompensationgitter nur reduzierte Verformungen erfährt.In a further advantageous embodiment of the support body is formed by a thin metal foil, wherein an attachment of the metal foil is provided with a body to be measured only in partial areas of the metal foil. The at least one compensation grid is positioned on the metal foil so that it lies outside of the attached portions. Due to the fact that the support body is a thin metal foil, deformations of the attached portion are not transferred or only minimally laterally transmitted to the other portions of the support body, whereby the compensation grating undergoes only reduced deformations.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Messaufnehmer ein Dehnungsgitterpaar mit zwei Dehnungsgittern und ein Kompensationsgitterpaar mit zwei Kompensationsgittern auf. Bevorzugt sind die einzelnen Messgitter nach Art einer Wheatstoneschen Brücke elekrisch miteinander verschaltet, wobei die Verschaltung der Gitter weiter bevorzugt bereits auf dem Messaufnehmer erfolgt.In a preferred embodiment, the sensor has a pair of expansion grids with two expansion gratings and a compensation grating pair with two compensation gratings. Preferably, the individual measuring gratings are electrically interconnected in the manner of a Wheatstone bridge, with the interconnection of the gratings more preferably already taking place on the measuring transducer.
Auf diese Weise erfolgt eine Kompensation ohne dass ein zusätzlicher Schaltungsaufwand zur Trennung der Anteile der Widerstandsänderungen erforderlich wäre. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass bereits vorhandene generelle elektrische Verschaltungsprinzipien, z. B. zur Entstörung des Gesamtwiderstands des Messaufnehmers und eines zusätzlichen Temperaturausgleichs, weiter verwendet werden können. Somit sind in der Messwertverarbeitung und -bearbeitung keine Kosten verursachende Veränderungen, Anpassungen oder Ergänzungen notwendig, denn eine übliche Brückenschaltung der Gitterstruktur kann beibehalten werden.In this way, a compensation without any additional circuit complexity would be required to separate the shares of resistance changes. A particular advantage is that already existing general electrical Verschaltungsprinzipien, z. B. for suppression of the total resistance of the sensor and an additional temperature compensation, can continue to be used. Thus, no cost-causing changes, adjustments or additions are necessary in the measured value processing and processing, because a conventional bridge circuit of the grid structure can be maintained.
In einer Ausführung sind die mindestens zwei Dehnungsgitter längs einer zentralen Mittellinie angeordnet, und die mindestens zwei Kompensationsgitter sind längs einer weiteren Mittellinie angeordnet, wobei die Mittellinie der mindestens zwei Kompensationsgitter die Mittellinie der mindestens zwei Dehnungsgitter in einem Winkel, dessen Wert in einem Bereich von 0° bis 180° liegt, schneidet. In bevorzugter Ausgestaltung kann dieser Winkel 90° betragen. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die Kompensationsgitter in enger Nachbarschaft mit den Dehnungsgittern liegen, aber durch die bevorzugte Messrichtung nicht oder in nur geringem Maße beeinflusst werden.In one embodiment, the at least two strain gratings are arranged along a central centerline, and the at least two compensation gratings are arranged along another centerline, the centerline of the at least two compensation gratings centering the at least two strain gratings at an angle whose value is in a range of zero ° to 180 °, cuts. In a preferred embodiment, this angle can be 90 °. This advantageously achieves that the compensation gratings are in close proximity to the expansion gratings, but are not or only slightly influenced by the preferred measuring direction.
Für eine Erfassung einer Verformung, die in einer Verformungsrichtung auftritt, wird der Messaufnehmer mit seiner bevorzugten Messrichtung in dieser Verformungsrichtung angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, dass die zentrale Mittellinie der beiden Dehnungsgitter in der Messrichtung des Messaufnehmers verläuft.For detecting a deformation which occurs in a deformation direction, the sensor is arranged with its preferred measuring direction in this deformation direction. It is advantageous that the central center line of the two strain gills in the measuring direction of the sensor runs.
Bevorzugt weist jedes Dehnungsgitter und auch jedes Kompensationsgitter eine Anzahl von untereinander parallel und voneinander beabstandet angeordneten elektrisch leitenden Längsleitern auf, die jeweils in einer elektrischen Reihenschaltung hintereinander elektrisch leitend verbunden sind und – im Fall der Dehnungsgitter – in der Messrichtung des Messaufnehmers verlaufen. Die Gitter weisen in dieser Ausgestaltung eine mäanderförmige Leiterstruktur auf. Die Längsleiter können somit in ihrer Längsrichtung die Erfassung der Verformung in gleicher Richtung ausführen. Die Kompensationsgitter sind dagegen bevorzugt so ausgerichtet, dass ihre Längsleiter quer, insbesondere senkrecht zur bevorzugten Messrichtung verlaufen.Each expansion grid and also each compensation grid preferably has a number of electrically conductive longitudinal conductors arranged parallel to one another and at a distance from each other, which are each electrically conductively connected in series in an electrical series circuit and, in the case of the expansion gratings, extend in the measuring direction of the measuring sensor. The grids have a meander-shaped conductor structure in this embodiment. The longitudinal conductors can thus perform in their longitudinal direction, the detection of the deformation in the same direction. By contrast, the compensation gratings are preferably oriented such that their longitudinal conductors run transversely, in particular perpendicular to the preferred measuring direction.
Eine Bremse für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, weist mindestens einen oben beschriebenen Messaufnehmer auf. Damit ist eine präzise Erfassung von Verformungen und somit von in der Bremse wirkenden Kräften, z. B. Bremskraft, in einfacher Weise möglich, wobei das Messergebnis verfälschende Umgebungseinflüsse möglichst kompensiert sind.A brake for a vehicle, in particular a rail vehicle, has at least one sensor as described above. This is a precise detection of deformations and thus of forces acting in the brake, z. B. braking force, in a simple manner possible, the measurement result falsifying environmental influences are compensated as possible.
Hierbei ist vorgesehen, dass der mindestens eine Messaufnehmer in oder an einem Strukturbauteil der Bremse angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Integration des Messaufnehmers in die Bremse.It is provided that the at least one sensor is arranged in or on a structural component of the brake. This results in a simple integration of the sensor in the brake.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:The invention will now be explained in more detail by means of an embodiment with reference to the accompanying drawings. Hereby shows:
Gleiche oder ähnliche Bauteile und Funktionsgruppen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Koordinaten x, y, z dienen zur Orientierung.Identical or similar components and functional groups are provided in the figures with the same reference numerals. Coordinates x, y, z are for orientation.
In
Die Bremse
Ein Strukturbauteil
Eine umfassende Beschreibung und ausführliche Erläuterung der Bremse
Im Folgenden werden die Bauteile und Funktionsgruppen der Bremse
Die Bremse
Das in
Bei einem Bremsvorgang durch Einwirkung der Bremskraft
Dies erfolgt zwischen dem ersten Wandabschnitt
Die x-Richtung verläuft in Längsrichtung des zweiten Wandabschnitts
Der Messaufnehmer
In den
Der Messaufnehmer
Die Leiter der Gitterstruktur
Jedes Dehnungsgitter
Aufgrund der Ausrichtung der Längsleiter
Entlang einer in y-Richtung verlaufenden zentralen Mittellinie
Die Enden der Leiter benachbarter Dehnungsgitter
Durch die Anordnung der Dehnungsgitter
Bei dem in den
In dem gezeigten Beispiel ist der Grundkörper
Erfindungsgemäß ist bei dem Messaufnehmer
Eine Dehnung oder Kontraktion des Messaufnehmers
Bei Kontraktion oder Dehnung in y-Richtung, also senkrecht zur Messrichtung
Bezüglich des Grundaufbaus entspricht der in
Insbesondere weist der Messaufnehmer
Im Unterschied zu dem Tragkörper
Bei dem in
Im Rahmen dieser Anmeldung wird eine Verwendung der Messaufnehmer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messaufnehmersensor
- 22
- Bremsebrake
- 44
- Reibbelagfriction lining
- 55
- Bremsscheibebrake disc
- 66
- ReibbelaghalterReibbelaghalter
- 77
- BremsscheibendrehachseBrake disk rotational axis
- 88th
- Zangenhebelcaliper lever
- 1010
- Nachstelleinrichtungreadjustment
- 1212
- Lagerzapfenpivot
- 1414
- Strukturbauteil/GehäuseStructural component / Housing
- 1616
- Bremszylinderbrake cylinder
- 1818
- BremszylinderdruckBrake cylinder pressure
- 2020
- Axialer AbstandAxial distance
- 2222
- RückstelleinrichtungReset device
- 2424
- Bolzenbolt
- 2626
- Konsoleconsole
- 2828
- Befestigungsbohrungmounting hole
- 3030
- Bremskraftbraking force
- 3232
- Reibungskraft/RadumfangskraftFrictional force / wheel peripheral
- 33–3533-35
- Wandabschnittwall section
- 3636
- Führungslagerguide bearing
- 3838
- Kammerchamber
- 4040
- Anschlussconnection
- 42 42
- Ausnehmung/Öffnung im ersten WandabschnittRecess / opening in the first wall section
- 4444
- Äußere VerformungExternal deformation
- 4646
- Innere VerformungInner deformation
- 4848
- Gemittelte VerformungAverage deformation
- 5050
- Wandungwall
- 100100
- Gitterstrukturlattice structure
- 110–111110-111
- Dehnungsgittergrid expansion
- 120–121120-121
- Kompensationsgittercompensation grid
- 130–133130-133
- Anschlussverbindungport connection
- 140140
- Längsleiterlongitudinal conductor
- 141141
- Verbindungconnection
- 200200
- Tragkörpersupporting body
- 201201
- Grundkörperbody
- 202–203202-203
- Oberflächesurface
- 204204
- Randedge
- 205205
- Wandflächewall surface
- 210210
- Metallfoliemetal foil
- 211211
- Schweißverbindungwelded joint
- 300300
- Messrichtung/VerformungsrichtungMeasuring direction / direction of deformation
- 301, 302301, 302
- Mittelliniecenter line
- x, y, zx, y, z
- Koordinatencoordinates
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008015873 A1 [0004] DE 102008015873 A1 [0004]
- DE 102013008185 A1 [0032, 0036] DE 102013008185 A1 [0032, 0036]
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- 2016-06-29 DE DE102016111881.8A patent/DE102016111881A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |