DE102017127997A1 - Measuring arrangement with overload protection for measuring an axial force - Google Patents
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Abstract
Messanordnung (200), umfassend ein Messelement (210) zur Messung einer Axialkraft (Fa), ein Deformationselement (220), das unter Kraftbeaufschlagung einen größeren axialen Verformungsweg als das Messelement (210) aufweist, und ein Anschlagselement (230). Die Bauteile sind derart angeordnet, dass die Axialkraft (Fa) über das Anschlagselement (230), das Deformationselement (220) und das Messelement (210) übertragbar ist, wobei das Anschlagselement (230) weiter derart ausgebildet ist, dass es sich in axiale Richtung (a) an dem Deformationselement (220) entlang in Richtung des Messelements (210) erstreckt. Das Anschlagselement (230) ist weiter gegen einen Anschlag (250) derart ausrichtbar, dass im unbelasteten Zustand in axiale Richtung (a) ein Spalt (240) zwischen dem Anschlagselement (230) und dem Anschlag (250) gebildet wird, und dass bei einer axialen Überlastkraft das Anschlagselement (230) gegen den Anschlag (250) anschlägt und dadurch die Einwirkung der Axialkraft (Fa) auf das Messelement (210) begrenzt.Measuring arrangement (200), comprising a measuring element (210) for measuring an axial force (Fa), a deformation element (220), which has a greater axial deformation path than the measuring element (210) under the application of force, and a stop element (230). The components are arranged such that the axial force (Fa) via the stop element (230), the deformation element (220) and the measuring element (210) is transferable, wherein the stop member (230) is further formed such that it is in the axial direction (A) extends along the deformation element (220) in the direction of the measuring element (210). The stop element (230) is further aligned against a stop (250) such that in the unloaded state in the axial direction (a) a gap (240) between the stop member (230) and the stopper (250) is formed, and that in a axial overload force abuts the stop element (230) against the stop (250) and thereby limits the action of the axial force (Fa) on the measuring element (210).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einer Überlastsicherung zur Messung einer Axialkraft.The present invention relates to a measuring arrangement with an overload protection for measuring an axial force.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei einer Kraftmessung ist ein Messelement allgemein so ausgelegt, dass eine vergleichsweise hohe Kraft durch den Querschnitt des Messelement-Bauteils geleitet wird, um eine nennenswerte Deformation des Messelements zu erreichen.In a force measurement, a measuring element is generally designed so that a comparatively high force is conducted through the cross section of the measuring element component in order to achieve a significant deformation of the measuring element.
So zeigt
In der Anwendung gibt es Überlastfälle mit einem Mehrfachen der eigentlich zu messenden Maximalkraft. Überlastsituationen können bei Fahrzeugen beispielsweise bei Schwellen-Überfahrten oder Bordstein-Remplern auftreten. Da das Messelement im Allgemeinen einen relativ geringen Querschnitt zur Erfassung einer hohen Signalgüte aufweist, wird bei Überlast die Fließgrenze des Materials überschritten und eine bleibende Deformation am Messelement tritt auf.In the application, there are overload cases with a multiple of the maximum force actually to be measured. Overload situations can occur in vehicles, for example, in threshold crossings or curbs. Since the measuring element generally has a relatively small cross-section for detecting a high signal quality, the yield stress of the material is exceeded in the event of an overload and a permanent deformation on the measuring element occurs.
Wenn nun bei Überlastsituationen ein Mehrfaches des Messbereichsendwerts des Messelements erreicht werden kann, dann muss das Messelement wieder deutlich steifer ausgeführt werden, um keine bleibende Deformation und somit Beschädigung zu erfahren. Zur Vorbeugung einer solchen Beschädigung bei Überlastfällen ist es daher erforderlich, das Messelement so auszulegen, dass die maximal ertragbaren (Überlast-)Dehnungen nicht überschritten werden können. Das führt jedoch dazu, dass der Messeffekt im eigentlich gewünschten Messbereich sehr gering wird und somit die Messgüte des resultierenden Sensors verschlechtert ist.If, in overload situations, a multiple of the measuring range end value of the measuring element can be achieved, then the measuring element has to be made significantly stiffer again in order to avoid any permanent deformation and thus damage. To prevent such damage in case of overload, it is therefore necessary to design the measuring element so that the maximum sustainable (overload) strains can not be exceeded. However, this means that the measuring effect in the actually desired measuring range is very low and thus the quality of measurement of the resulting sensor is deteriorated.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung mit Überlastsicherung zur Messung einer Axialkraft anzugeben, die die für das Messelement sichtbare Höhe der Überlastkraft verringert.It is therefore an object of the invention to provide a measuring arrangement with overload protection for measuring an axial force, which reduces the visible for the measuring element height of the overload force.
Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit einem Messelement zur Messung einer Axialkraft, einem Deformationselement und einem Anschlagselement gelöst. Das Deformationselement weist unter Kraftbeaufschlagung einen größeren axialen Verformungsweg als das Messelement auf.This object is achieved by a measuring arrangement with a measuring element for measuring an axial force, a deformation element and a stop element. The deformation element has a larger axial deformation path under force than the measuring element.
Die Bauteile sind derart angeordnet, dass die Axialkraft über das Anschlagselement, das Deformationselement und das Messelement übertragbar ist, wobei das Anschlagselement weiter derart ausgebildet ist, dass es sich in axiale Richtung an dem Deformationselement entlang in Richtung des Messelements erstreckt.The components are arranged such that the axial force on the stop element, the deformation element and the measuring element is transferable, wherein the stop element is further formed such that it extends in the axial direction of the deformation element in the direction of the measuring element.
Das Anschlagselement ist weiter gegen einen Anschlag derart ausrichtbar, dass im unbelasteten Zustand in axiale Richtung ein Spalt zwischen dem Anschlagselement und dem Anschlag gebildet wird, und dass bei einer axialen Überlastkraft das Anschlagselement gegen den Anschlag anschlägt und dadurch die Einwirkung der Axialkraft auf das Messelement begrenzt.The stop element is further aligned against a stop such that in the unloaded state, a gap between the stop element and the stop is formed in the axial direction, and that stops at an axial overload load, the stop element against the stop and thereby limits the action of the axial force on the measuring element ,
In anderen Worten beschrieben, ist das Deformationselement in Serie zum Messelement angeordnet, wobei das Anschlagselement und das Deformationselement einer eingeleiteten Kraft ausgesetzt werden können, und wobei das Anschlagselement sich seitlich am Deformationselement entlang oder als Durchgriff, beispielsweise als Durchgangsloch, durch das Deformationselement hindurch, erstreckt, und gegen einen Anschlag anschlagen kann, um eine Krafteinleitung auf das Messelement zu begrenzen.In other words, the deformation element is arranged in series with the measuring element, wherein the stop element and the deformation element can be subjected to an applied force, and wherein the stop element extends laterally along the deformation element or as a passage, for example as a through hole, through the deformation element , and can strike against a stop to limit an application of force to the measuring element.
Das Deformationselement weist gegenüber dem Messelement also eine geringere Steifigkeit, beispielsweise größer Faktor
Somit liegt eine wirksame Überlastsicherung vor, die bei einer Kraftbeaufschlagung die größer als der gewünschte Messbereichsendwert, jedoch deutlich geringer als die Überlast-Kraft, ist, eingreift.Thus, there is an effective overload protection, which is at a force application which is greater than the desired measuring range, but significantly less than the overload force engages.
In einer Ausführungsform ist die Messanordnung ringförmig oder rechteckig ausgebildet. Es ist also möglich die erfindungsgemäße Messanordnung geometrisch verschieden auszubilden. In einer Ausführungsform ist das Messelement ein Messring. In one embodiment, the measuring arrangement is annular or rectangular. It is therefore possible to design the measuring arrangement according to the invention geometrically differently. In one embodiment, the measuring element is a measuring ring.
Das Messelement kann auf Basis einer Dehnungsmessung, einer inversmagnetostriktiven Messung oder einer Wirbelstrom-Abstandsmessung ausgebildet sein. Bei diesen Technologien können Dehnungen im Mikrometerbereich erfasst werden, was es ermöglicht sehr kleine Wege in Kraftrichtung zu messen. Als Dehnungsmessung kommt beispielsweise eine Direktbeschichtung, wie von der Anmelderin unter dem Namen Sensotect bekannt, in Frage.The measuring element may be formed on the basis of a strain measurement, an inverse magnetostrictive measurement or an eddy current distance measurement. With these technologies, strains in the micrometer range can be detected, which makes it possible to measure very small paths in the direction of force. As a strain measurement, for example, a direct coating, as known from the applicant under the name Sensotect, in question.
In einer Ausführungsform umfasst die Messanordnung ein Stützelement, das zwischen Deformationselement und Messelement angeordnet ist. Das Stützelement kann eine Stützscheibe oder ein Stützring sein. Das Stützelement gewährleistet eine homogene Krafteinleitung in das Messelement.In one embodiment, the measuring arrangement comprises a support element which is arranged between the deformation element and the measuring element. The support element may be a support disk or a support ring. The support element ensures a homogeneous introduction of force into the measuring element.
In einer Ausführungsform ist das Deformationselement aus einem Elastomer gebildet.In one embodiment, the deformation element is formed from an elastomer.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Deformationselement mit dem Messelement und/oder dem Anschlagselement und/oder dem Stützelement verbunden oder einteilig ausgebildet. Das Deformationselement kann beispielsweise als (an-)gespritztes Elastomer an dem Messelement und/oder dem Anschlagselement und/oder dem Stützelement ausgebildet sein.In a further embodiment, the deformation element is connected to the measuring element and / or the stop element and / or the support element or integrally formed. The deformation element may be formed, for example, as an (on) injection-molded elastomer on the measuring element and / or the stop element and / or the support element.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Anschlag durch ein Anlaufelement, insbesondere eine Anlaufscheibe oder einen Anlaufring, gebildet. Das Anlaufelement gewährleistet ebenfalls eine homogene Krafteinleitung in das Messelement.In a further embodiment, the stop is formed by a starting element, in particular a thrust washer or a thrust ring. The starting element likewise ensures a homogeneous introduction of force into the measuring element.
Die Flächen des Messelements und dessen Gegenflächen, beispielsweise die Flächen des Anlaufelements oder des Stützelements, können mit einem reibungsmindernden Element, beispielsweise einer tribologischen Beschichtung oder einem reibungsmindernden Stoff, wie Fett, versehen sein. Damit wird die Reibung zwischen dem Messelement und den berührenden Bauteilen, über die die Kraft eingeleitet wird, verringert. Die Verringerung der Reibung hat zur Folge, dass das über das Messelement erfasste Signal eine geringere Hysterese aufweist. Eine solche Hysterese entsteht dadurch, dass sich das Messelement unter Kraft auf seinen Gegenflächen, beispielsweise durch Aufweitung, bewegt. Wird diese Bewegung durch Reibung behindert, so entsteht eine Hysterese.The surfaces of the measuring element and its mating surfaces, for example the surfaces of the starting element or of the support element, may be provided with a friction-reducing element, for example a tribological coating or a friction-reducing material, such as grease. Thus, the friction between the measuring element and the contacting components, via which the force is introduced, is reduced. The reduction in friction has the consequence that the signal detected via the measuring element has a lower hysteresis. Such a hysteresis arises from the fact that the measuring element moves under force on its mating surfaces, for example by widening. If this movement is hindered by friction, a hysteresis is created.
In einer Ausführungsform ist das Anlaufelement Teil einer Umgebungskonstruktion, beispielsweise Teil eines Zugrohrs einer Deichsel eines Anhängers. Das Messelement ist also direkt an der Umgebungskonstruktion angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein Bauteil eingespart wird und die Messanordnung kompakt ausgebildet werden kann. Beispielsweise ist dann eine separate Anlaufscheibe oder ein separater Anlaufring nicht erforderlich.In one embodiment, the starting element is part of a surrounding structure, for example part of a drawbar of a drawbar of a trailer. The measuring element is thus arranged directly on the surrounding structure. This has the advantage that a component is saved and the measuring arrangement can be made compact. For example, then a separate thrust washer or a separate thrust ring is not required.
In einer Ausführungsform ist das Anschlagselement Teil der Umgebungskonstruktion, insbesondere eines Gehäuses einer Deichsel eines Anhängers. Dies hat den Vorteil, dass ein Bauteil, das die Funktion des Anschlagselements übernimmt, eingespart wird und die Messanordnung kompakt ausgebildet werden kann.In one embodiment, the stop element is part of the surrounding construction, in particular a housing of a drawbar of a trailer. This has the advantage that a component which takes over the function of the stop element, is saved and the measuring arrangement can be made compact.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Anschlagselement in axiale Richtung radial außen von dem Deformationselement. Somit kann eine große Stützfläche bei gleichem radialem Bauraum erreicht werden.In one embodiment, the stop element extends in the axial direction radially outward from the deformation element. Thus, a large support surface can be achieved with the same radial space.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Anschlagselement in axiale Richtung radial innen von dem Deformationselement. Dies ermöglicht eine einfache außenliegende Kontaktierung, beispielsweise über einen Kabelabgang, des Messelements.In one embodiment, the stop element extends in the axial direction radially inward of the deformation element. This allows a simple external contacting, for example via a cable outlet, of the measuring element.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Anschlagselement in axiale Richtung radial innen und radial außen von dem Deformationselement. Durch die beidseitige Abstützung vergrößert sich die Stützfläche und somit die Stabilität. Das Anschlagselement steht weiter unter einer geringeren Deformation.In one embodiment, the stop element extends in the axial direction radially inward and radially outward from the deformation element. Due to the two-sided support increases the support surface and thus the stability. The stop element is still under a lower deformation.
In einer Ausführungsform ist das Messelement u-förmig ausgebildet, wobei sich die u-Form in axiale Richtung öffnet. Durch die u-förmige Ausgestaltung wird mehr Kraft pro Querschnittsfläche in das Messelement eingeleitet.In one embodiment, the measuring element is U-shaped, wherein the U-shape opens in the axial direction. Due to the U-shaped configuration, more force per cross-sectional area is introduced into the measuring element.
In einer Ausführungsform weist das Deformationselement mindestens ein Durchgangsloch auf, wobei das Anschlagselement mindestens einen Anschlagsstift umfasst. Der Anschlagsstift ist durch das Durchgangsloch durchführbar. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass in radiale Richtung kein Bauraum für die Anordnung des Anschlagselementes erforderlich ist. Somit ist es auch bei beengten Platzverhältnissen einfach anwendbar.In one embodiment, the deformation element has at least one through hole, wherein the stop element comprises at least one stop pin. The stopper pin is feasible through the through hole. This embodiment has the advantage that in the radial direction no space for the arrangement of the stop element is required. Thus, it is easily applicable even in confined spaces.
In einer Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform ist das Durchgangsloch auch durch das Messelement hindurch gebildet. In anderen Worten ausgedrückt, erstreckt sich der Anschlagsstift durch das Deformationselement und das Messelement hindurch und kann in einem Überlastfall an einem Anschlag anschlagen. In dieser Ausführungsform sind das Messelement und der Anschlag hintereinander im Kraftfluss der Axialkraft angeordnet.In a development of the preceding embodiment, the through-hole is also formed through the measuring element. In other words, the stop pin extends through the deformation element and the measuring element and can strike a stop in the event of an overload. In this embodiment, the measuring element and the stop are arranged one behind the other in the force flow of the axial force.
In einer Ausführungsform sind das Messelement und der Anschlag derart angeordnet, dass sie in axiale Richtung sich nicht hintereinander im Kraftfluss der Axialkraft befinden. So können das Messelement und der Anschlag als einteiliges Bauteil, insbesondere als Ring, ausgebildet sein, das abschnittsweise einen Messbereich des Messelements und einen Anschlagsbereich des Anschlagselementes aufweist. In anderen Worten ausgedrückt, kann sich das Anschlagselement auf nicht sensierten Abschnitten des einteiligen Bauteils abstützen. Hierbei ist es weiter möglich den Messbereich des Messelements, also den sensierten Abschnitt des einteiligen Bauteils, u-förmig und gegebenenfalls mit einem Krafteinleitungs-Pin auszubilden, um mehr Kraft pro Querschnittsfläche zu erzielen. In one embodiment, the measuring element and the stop are arranged such that they are not in the axial direction in succession in the force flow of the axial force. Thus, the measuring element and the stop may be formed as a one-piece component, in particular as a ring, which has a measuring range of the measuring element and a stop region of the stop element in sections. In other words, the stopper member can be supported on non-sensed portions of the one-piece component. In this case, it is also possible to form the measuring region of the measuring element, that is to say the sensed section of the one-piece component, in a U-shape and optionally with a force introduction pin in order to achieve more force per cross-sectional area.
Ebenso ist ein nicht einheitliches beziehungsweise einteiliges Bauteil denkbar, bei dem das Messelements und der Anschlag weiterhin in axiale Richtung sich nicht hintereinander im Kraftfluss der Axialkraft befinden. So können das Messelement und der Anschlag als einzelne Segmente ausgebildet sein.Likewise, a non-uniform or one-piece component is conceivable in which the measuring element and the stop continue to be in the axial direction not consecutively in the force flow of the axial force. Thus, the measuring element and the stopper may be formed as individual segments.
Ein Vorteil der Anordnung, bei der das Messelements und der Anschlag in axiale Richtung sich nicht hintereinander im Kraftfluss der Axialkraft befinden, ist, dass ein geringer Bauraum in radiale Richtung erforderlich ist, da das Anschlagselement nicht seitlich am Messelement vorbeigeführt werden muss. Auch gegenüber der Ausführungsform mit einem Durchgriff im Messelement hat diese Ausführungsform einen Vorteil, nämlich, dass eine größere Auflagefläche für das Anschlagselement erzielt werden kann.An advantage of the arrangement in which the measuring element and the stop in the axial direction are not consecutively in the force flow of the axial force, is that a small space in the radial direction is required because the stop element does not have to be guided past the side of the measuring element. Also with respect to the embodiment with a penetration in the measuring element, this embodiment has an advantage, namely that a larger contact surface for the stop element can be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Deformationselement und/oder das Anschlagselement segmentiert. Dies ermöglicht, dass sich das Anschlagselement entlang des Deformationselements in Richtung des Anschlags zwischen zwei Segmenten des Deformationselements hindurch erstrecken kann. Die Ausführungsform weist ähnliche Vorteile für den erforderlichen Bauraum wie zuvor beschrieben auf.In a further embodiment, the deformation element and / or the stop element are segmented. This allows the stop element to extend along the deformation element in the direction of the abutment between two segments of the deformation element. The embodiment has similar advantages for the required installation space as described above.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Es zeigen:
-
1 eine Überblicksdarstellung einer Messanordnung in einer Umgebungskonstruktionmit einem Zugrohr 152 und einem Gehäuse132 ; -
2 eine Überblicksdarstellung einer Messanordnung in einer Umgebungskonstruktionmit einem Zugrohr 252 und einem Gehäuse232 mit einem separatenAnlaufring 250 und einem separatenAnschlagselement 230 ; -
3a ,3b eine ringförmige Messanordnung in zwei unterschiedlichen Perspektivdarstellungen; -
4 ein Ausführungsbeispiel einer weiteren ringförmigen Messanordnung; -
5 ein Ausführungsbeispiel einer rechteckigen Messanordnung; -
6 ein Ausführungsbeispiel einer weiteren ringförmigen Messanordnung mit einem u-förmigen Messring610 ; -
7a ,7b ein Ausführungsbeispiel einer weiteren ringförmigen Messanordnungmit Durchganglöchern 770 undAnschlagsstiften 780 in einer Perspektivdarstellung in7a und einer Explosionsdarstellung in7b ; -
8 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit einem kompakten Design desMesselements 810 und dem Anschlag 850 , sowie segmentiertem Deformationselement820 ; und -
9 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit Merkmalen aus7a ,7b und8 .
-
1 an overview of a measuring device in a surrounding construction with adraft tube 152 and ahousing 132 ; -
2 an overview of a measuring device in a surrounding construction with adraft tube 252 and ahousing 232 with aseparate stop ring 250 and aseparate stop element 230 ; -
3a .3b an annular measuring arrangement in two different perspective views; -
4 an embodiment of another annular measuring arrangement; -
5 an embodiment of a rectangular measuring arrangement; -
6 an embodiment of another annular measuring arrangement with aU-shaped measuring ring 610 ; -
7a .7b an embodiment of a further annular measuring arrangement with throughholes 770 and stoppins 780 in a perspective view in7a and an exploded view in FIG7b ; -
8th an embodiment of a measuring arrangement with a compact design of the measuringelement 810 and thestop 850 , as well assegmented deformation element 820 ; and -
9 an embodiment of a measuring arrangement with features7a .7b and8th ,
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900
- Messanordnungmeasuring arrangement
- 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910
- Messelementmeasuring element
- 120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820, 920120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820, 920
- Deformationselementdeformation element
- 130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830, 930130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830, 930
- Anschlagselementstop element
- 132,232132.232
- Gehäusecasing
- 140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840, 940140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840, 940
- Spaltgap
- 150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950
- Anschlagattack
- 152,252152.252
- Zugrohrdraw tube
- 160, 260, 360, 460, 660, 760, 860, 960160, 260, 360, 460, 660, 760, 860, 960
- Stützelementsupport element
- 770,970770.970
- DurchgangslochThrough Hole
- 780, 980780, 980
- Anschlagsstiftstop pin
- aa
- axial Richtungaxial direction
- Fafa
- Axial kraftAxial force
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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