DE102019103905A1

DE102019103905A1 - Mechanical component with a force measuring device and method for measuring a force

Info

Publication number: DE102019103905A1
Application number: DE102019103905.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Hornung
Original assignee: Sensor Technik Wiedemann GmbH
Current assignee: Sensor Technik Wiedemann GmbH
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2039-02-16
Also published as: DE102019103905B4

Abstract

Beschrieben wird ein mechanisches Bauteil (1) für eine Maschine, insbesondere eine Stütze für ein Fahrzeug und/oder einen Kran, mit einer Kraftmesseinrichtung (2) mit Sensoren (4; 19) zur Messung einer Verformung einer Oberfläche (5) des mechanischen Bauteils (1). Erfindungsgemäß umfasst die Kraftmesseinrichtung (2) einen Hohlraum (3) und die Oberfläche (5) umschließt den Hohlraum (3). Des Weiteren wird ein Verfahren beschrieben zum Messen einer auf ein mechanisches Bauteil (1) gemäß der vorangegangenen Beschreibung wirkenden Kraft. Dabei verformen sich die Oberflächen (5) des Hohlraums (3) durch die Krafteinwirkung und die Kraft wird aus Messsignalen der Sensoren (4; 19) berechnet.

A mechanical component (1) for a machine, in particular a support for a vehicle and / or a crane, is described with a force measuring device (2) with sensors (4; 19) for measuring a deformation of a surface (5) of the mechanical component ( 1). According to the invention, the force measuring device (2) comprises a cavity (3) and the surface (5) encloses the cavity (3). Furthermore, a method is described for measuring a force acting on a mechanical component (1) according to the preceding description. The surfaces (5) of the cavity (3) are deformed by the action of force and the force is calculated from measurement signals from the sensors (4; 19).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Bauteil für eine Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Messen einer auf ein mechanisches Bauteil wirkenden Kraft.The invention relates to a mechanical component for a machine according to the preamble of patent claim 1 and to a method for measuring a force acting on a mechanical component.

Stand der TechnikState of the art

Mechanische Bauteile, die sich unter der Einwirkung einer Kraft verformen und mit Sensoren ausgestattet sind, die die Verformung einer Oberfläche messen, um hieraus die einwirkende Kraft zu bestimmen, und das dazugehörige Verfahren zum Messen der Kraft sind wohlbekannt. Die mechanischen Bauteile werden beispielsweise als Stütze für ein Fahrzeug und/oder einen Kran eingesetzt und dienen dazu, die jeweiligen Krafteinwirkungen zu bestimmen und damit zum Beispiel eine Überlastung oder ein Umkippen des Fahrzeugs bzw. Krans zu verhindern.Mechanical components that deform under the action of a force and are equipped with sensors that measure the deformation of a surface in order to determine the applied force therefrom, and the associated method for measuring the force, are well known. The mechanical components are used, for example, as supports for a vehicle and / or a crane and are used to determine the respective force effects and thus, for example, to prevent overloading or tipping over of the vehicle or crane.

Typische Probleme dieser bekannten Lösungen sind, dass außen am Bauteil angeordnete Sensoren Witterungseinflüssen und Temperaturschwankungen stark ausgesetzt sind. Des Weiteren wirken sich Querkräfte sehr stark auf die außen am Bauteil angeordneten Sensoren aus, wobei in Richtung der Querkraft angeordnete Sensoren einen Druck und entgegen der Querkraft angeordnete Sensoren einen Zug messen.Typical problems of these known solutions are that sensors arranged on the outside of the component are heavily exposed to the effects of the weather and temperature fluctuations. Furthermore, lateral forces have a very strong effect on the sensors arranged on the outside of the component, sensors arranged in the direction of the lateral force measuring a pressure and sensors arranged counter to the lateral force measuring a tension.

Trotz der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bleibt daher die Unempfindlichkeit gegenüber Witterungseinflüssen, Temperaturschwankungen und/oder Querkräften ein zentrales Ziel der Weiterentwicklung von mechanischen Bauteilen mit einer Kraftmesseinrichtung sowie Verfahren zum Messen einer Kraft.Despite the solutions known from the prior art, insensitivity to weather influences, temperature fluctuations and / or transverse forces therefore remains a central goal of the further development of mechanical components with a force measuring device and methods for measuring a force.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mechanisches Bauteil mit einer Kraftmesseinrichtung sowie ein Verfahren zum Messen einer Kraft zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das mechanische Bauteil gemäß unabhängigem Anspruch 1 und das Verfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.The object of the present invention is therefore to provide a mechanical component with a force measuring device and a method for measuring a force which overcome the disadvantages of the prior art. According to the invention, this object is achieved by the mechanical component according to independent claim 1 and the method according to independent claim 15. Further advantageous aspects, details and embodiments of the invention emerge from the dependent claims, the description and the drawings.

Vorgeschlagen wird ein mechanisches Bauteil für eine Maschine mit einer Kraftmesseinrichtung mit Sensoren zur Messung einer Verformung einer Oberfläche des mechanischen Bauteils. Das mechanische Bauteil kann dabei beispielsweise ein Zwischenstück, zum Beispiel eine Scheibe oder ein Zylinder, sein, das zwischen zwei Elementen der Maschine angeordnet und mit diesen fest verbunden ist. Insbesondere kann das mechanische Bauteil aber auch eine Stütze für ein Fahrzeug und/oder einen Kran sein. In diesem Fall entfallen zusätzliche Verbindungen zu anderen Elementen, was zugleich konstruktiv einfacher als auch stabiler ist.A mechanical component for a machine with a force measuring device with sensors for measuring a deformation of a surface of the mechanical component is proposed. The mechanical component can be, for example, an intermediate piece, for example a disk or a cylinder, which is arranged between two elements of the machine and firmly connected to them. In particular, however, the mechanical component can also be a support for a vehicle and / or a crane. In this case, additional connections to other elements are not required, which is structurally simpler and more stable.

Unter Einwirkung einer externen Kraft verformt sich das mechanische Bauteil, wobei es sich vorzugsweise um eine elastische Verformung handelt. Aus der Verformung kann dann wiederum auf die zu Grunde liegende Kraft geschlossen werden, wobei die Geometrie des mechanischen Bauteils so wie die Materialien, aus denen das mechanische Bauteil besteht, einen entscheidenden Einfluss auf den Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung haben. Die Verformung der Oberfläche wird dann von den Sensoren gemessen und aus dieser Messung lässt sich die einwirkende Kraft, oder zumindest Komponenten hiervon, bestimmen.The mechanical component is deformed under the action of an external force, which is preferably an elastic deformation. From the deformation, in turn, the underlying force can be inferred, whereby the geometry of the mechanical component and the materials from which the mechanical component is made have a decisive influence on the relationship between force and deformation. The deformation of the surface is then measured by the sensors and from this measurement the acting force, or at least components thereof, can be determined.

Erfindungsgemäß umfasst die Kraftmesseinrichtung einen Hohlraum und die Oberfläche umschließt diesen Hohlraum. Die Sensoren, die die Verformung der Oberfläche messen, messen damit also die Verformung des Hohlraums. Dadurch sind die Sensoren ebenfalls im Bereich des Hohlraums angeordnet und damit vor Witterungseinflüssen geschützt. Auch Temperaturschwankungen müssen sich durch eine Wand des mechanischen Bauteils bis zum Hohlraum ausbreiten, so dass die Kraftmesseinrichtung zumindest vor schnellen Temperaturschwankungen geschützt ist. Schließlich reagiert der Hohlraum auch weniger stark auf Scherungen als die Außenseite des mechanischen Bauteils, so dass eine Messung von Zug- und/oder Druckkräften weniger durch die Verformungen auf Grund von Scherungen beeinflusst werden.According to the invention, the force measuring device comprises a cavity and the surface encloses this cavity. The sensors that measure the deformation of the surface use it to measure the deformation of the cavity. As a result, the sensors are also arranged in the area of the cavity and thus protected from the effects of the weather. Temperature fluctuations must also propagate through a wall of the mechanical component up to the cavity, so that the force measuring device is at least protected from rapid temperature fluctuations. Finally, the cavity also reacts less strongly to shearing than the outside of the mechanical component, so that a measurement of tensile and / or compressive forces are less influenced by the deformations due to shearing.

Der Hohlraum kann dabei in vielfältiger Weise hergestellt werden, beispielsweise als in ein solides Werkstück gebohrtes Topfloch, das dann von einem Deckel verschlossen wird. Alternativ dazu kann ein Ring fest mit einer Bodenplatte verbunden und wiederum von einem Deckel verschlossen werden.The cavity can be produced in a variety of ways, for example as a pot hole drilled into a solid workpiece, which is then closed by a cover. Alternatively, a ring can be firmly connected to a base plate and closed again by a cover.

Die Verformungen der Oberfläche können auch zunächst mit Hilfe von Hebeln oder anderen mechanischen Mitteln verarbeitet und erst dann von den Sensoren gemessen werden. Durch eine solche mechanische Verarbeitung kann die Verformung verstärkt werden, was die Messung für die Sensoren erleichtert, es werden dadurch aber auch zusätzliche Messungenauigkeiten eingeführt, die berücksichtigt werden müssen.The deformations of the surface can also first be processed with the help of levers or other mechanical means and only then measured by the sensors. Such mechanical processing can increase the deformation, which makes the measurement easier for the sensors, but it also introduces additional measurement inaccuracies that must be taken into account.

Vorteilhafterweise ist die Kraftmesseinrichtung zur Messung einer Stütz- und/oder Zug- und/oder Querkraft ausgebildet. Dabei kann eine Stütz- und/oder Zugkraft schon allein durch die Messung der Verformung des Hohlraums in einer Richtung entlang der Stütz- und/oder Zugkraft bestimmt werden, wozu mindestens ein Sensor benötigt wird. Für die Messung der Querkraft ist zusätzlich die Bestimmung der Stärke und Richtung der Verkippung einer Oberfläche des Hohlraums notwendig, wozu mindestens zwei weitere Sensoren benötigt werden. Insbesondere die Messung der Stützkraft ist oft von großer Bedeutung, da durch die Stützkraft sowohl die Gesamtbelastung der Maschine festgestellt werden kann, durch Unterschiede in der Stützkraft an den einzelnen Stützen aber auch eine Aussage über den Schwerpunkt der Maschine getroffen werden kann. Durch die Messung der Stützkräfte lassen sich also Überbelastungen als auch kritische Lagen des Schwerpunkts erkennen, wobei im letztgenannten Fall die Gefahr des Umkippens der Maschine besteht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Stützkraft auf einer Seite der Maschine Null wird oder sogar an einer Stütze eine Zugkraft auftritt. Werden gefährliche Zustände bekannt, so kann diesen durch entsprechende Entlastung entgegengewirkt werden. Auch durch die Messung der Querkräfte lassen sich insbesondere asymmetrische Belastungen erkennen, denen dann ebenfalls entgegengewirkt werden kann, wenn sie eine bestimmte Grenze überschreiten. The force measuring device is advantageously designed to measure a supporting and / or tensile and / or transverse force. A supporting and / or tensile force can be determined simply by measuring the deformation of the cavity in a direction along the supporting and / or tensile force, for which at least one sensor is required. To measure the transverse force, it is also necessary to determine the strength and direction of the tilting of a surface of the cavity, for which at least two additional sensors are required. In particular, the measurement of the supporting force is often of great importance, since the supporting force can be used to determine the total load on the machine, but also a statement about the center of gravity of the machine can be made through differences in the supporting force on the individual supports. By measuring the supporting forces, overloads as well as critical positions of the center of gravity can be identified, whereby in the latter case there is a risk of the machine tipping over. This is particularly the case when the supporting force on one side of the machine becomes zero or even a tensile force occurs on a support. If dangerous conditions become known, these can be counteracted by appropriate relief. By measuring the transverse forces, it is also possible, in particular, to identify asymmetrical loads, which can then also be counteracted if they exceed a certain limit.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante umfassen die Sensoren Elektroden, die einen oder mehrere Kondensatoren bilden. Bei der Verformung der Oberfläche des mechanischen Bauteils ändert sich der Abstand der Elektroden voneinander und damit auch die Kapazität des Kondensators. Die Messung der Kapazität lässt sich dabei mit wohlbekannten elektronischen Verfahren durchführen. Die Messung der Verformung mit Hilfe der Elektroden ist dabei sowohl berührungsals auch verschleißfrei, wodurch eine derart ausgebildete Kraftmesseinrichtung keines oder lediglich eines geringen Wartungsaufwands bedarf.In a particularly advantageous embodiment variant, the sensors comprise electrodes which form one or more capacitors. When the surface of the mechanical component is deformed, the distance between the electrodes changes and so does the capacitance of the capacitor. The capacitance can be measured using well-known electronic methods. The measurement of the deformation with the aid of the electrodes is both non-contact and wear-free, so that a force measuring device designed in this way requires little or no maintenance.

Die Elektroden können prinzipiell unterschiedlichste Formen annehmen, für eine leichtere Herstellbarkeit sowie eine leichtere Auswertung sind aber einfache geometrische Formen von Vorteil. Insbesondere bieten sich hier kreisförmige, ringförmige, ringsegmentförmige oder rohrsegmentförmige Elektroden, vornehmlich in einer rotationssymmetrischen Anordnung, an.In principle, the electrodes can assume the most varied of shapes, but simple geometric shapes are advantageous for easier manufacture and easier evaluation. In particular, circular, ring-shaped, ring-segment-shaped or tubular-segment-shaped electrodes, primarily in a rotationally symmetrical arrangement, are suitable.

Aus Gründen der verbesserten Ausfallsicherheit und der Kontrolle der Funktion der Kraftmesseinrichtung ist es auch von Vorteil, wenn zumindest ein redundanter Kondensator vorgesehen ist. Beim Ausfall eines der Kondensatoren ist somit weiterhin eine Messung der Kraft möglich bzw. es steht der zusätzliche Kondensator zur Verfügung, um die Funktion der Messeinrichtung zu überprüfen.For reasons of improved reliability and the control of the function of the force measuring device, it is also advantageous if at least one redundant capacitor is provided. If one of the capacitors fails, the force can still be measured or the additional capacitor is available to check the function of the measuring device.

Von Vorteil ist es, wenn zumindest eine der Elektroden auf einer Leiterplatte ausgebildet ist. Eine solche Elektrode lässt sich günstig und mit hoher Präzision herstellen.It is advantageous if at least one of the electrodes is formed on a circuit board. Such an electrode can be manufactured inexpensively and with high precision.

Vorteilhaft ist es, wenn eine Messelektronik, insbesondere zum Bestimmen der Kapazität von einem oder mehreren Kondensatoren, auf der Leiterplatte integriert ist. Damit lassen sich Verbindungsleitungen zu den Elektroden, die ihrerseits eine Kapazität aufweisen, zu einem großen Teil eliminieren, wodurch die Messung der Kapazitäten einfacher und genauer wird.It is advantageous if measuring electronics, in particular for determining the capacitance of one or more capacitors, are integrated on the circuit board. In this way, connecting lines to the electrodes, which in turn have a capacitance, can be largely eliminated, making the measurement of the capacitances easier and more accurate.

Alternativ ist es auch denkbar, die Messelektronik separat, beispielsweise auf einer eigenen Leiterplatte, anzuordnen. Damit sind auf der Leiterplatte, auf der die Elektrode(n) ausgebildet ist bzw. sind, kaum oder keine elektronischen Bauteile angebracht, so dass eine durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine entsprechende Temperatur bedingte Verspannung oder Verbiegung der Leiterplatte unterdrückt oder unterbunden wird. Um die Verbindungsleitungen von der Elektrode zur Messelektronik möglichst kurz zu gestalten, kann die Leiterplatte mit der Messelektronik dann in einem geringen Abstand parallel zur Leiterplatte mit der Elektrode angeordnet werden. Des Weiteren können die Verbindungsleitungen sehr dünn ausgeführt werden, beispielsweise als Drahtbonds, so dass die von den Verbindungsleitungen auf die Leiterplatte mit der Elektrode ausgeübten Kräfte vernachlässigbar gering sind.Alternatively, it is also conceivable to arrange the measuring electronics separately, for example on a separate circuit board. This means that hardly any or no electronic components are attached to the circuit board on which the electrode (s) is or are formed, so that tension or bending of the circuit board caused by different coefficients of thermal expansion and a corresponding temperature is suppressed or prevented. In order to make the connecting lines from the electrode to the measuring electronics as short as possible, the printed circuit board with the measuring electronics can then be arranged at a small distance parallel to the printed circuit board with the electrode. Furthermore, the connecting lines can be made very thin, for example as wire bonds, so that the forces exerted by the connecting lines on the circuit board with the electrode are negligibly small.

Vorteilhafterweise ist zumindest eine der Elektroden ein elektrisch leitender Abschnitt der Oberfläche, insbesondere ein zylindrischer Wandabschnitt und/oder ein ebener Boden. Dies spart die Herstellung, Anbringung sowie Justierung einer weiteren, Elektroden aufweisenden Leiterplatte.At least one of the electrodes is advantageously an electrically conductive section of the surface, in particular a cylindrical wall section and / or a flat floor. This saves the manufacture, attachment and adjustment of a further printed circuit board having electrodes.

Von Vorteil ist es auch, wenn ein mechanisch unabhängiger Referenz-Kondensator vorgesehen ist. Mechanisch unabhängig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Abstand der Elektroden dieses Referenz-Kondensators zueinander von der Verformung der Oberfläche nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. Der Referenz-Kondensator ist dabei vorteilhafterweise in der Nähe der anderen Kondensatoren angeordnet. Ändert sich nun beispielsweise die Kapazität des Referenz-Kondensators, zum Beispiel auf Grund einer Temperaturänderung, so wird diese Änderung bei der Bestimmung der Kapazität des anderen Kondensators und der Berechnung der zu Grunde liegenden Kraft berücksichtigt und damit die Temperaturänderung kompensiert.It is also advantageous if a mechanically independent reference capacitor is provided. In this context, mechanically independent means that the distance between the electrodes of this reference capacitor is not or only insignificantly influenced by the deformation of the surface. The reference capacitor is advantageously arranged in the vicinity of the other capacitors. If, for example, the capacitance of the reference capacitor changes, for example due to a change in temperature, this change is taken into account when determining the capacitance of the other capacitor and calculating the underlying force, and the temperature change is thus compensated.

Vorteilhaft ist es auch, wenn zumindest einige der Sensoren Dehnungsmessstreifen, Differentialtransformatoren, optische Sensoren und/oder akustische Sensoren sind. Jeder dieser Sensortypen hat unterschiedliche Vor- und Nachteile in Hinblick unter anderem auf Messgenauigkeit, Temperaturabhängigkeit und Langlebigkeit. Denkbar ist insbesondere auch eine Kombination von verschiedenen Sensortypen, wobei in der Auswertung der Messergebnisse die jeweiligen Nachteile durch die anderen Sensoren kompensiert werden. It is also advantageous if at least some of the sensors are strain gauges, differential transformers, optical sensors and / or acoustic sensors. Each of these types of sensors has different advantages and disadvantages with regard to measurement accuracy, temperature dependency and durability. In particular, a combination of different sensor types is also conceivable, with the respective disadvantages being compensated for by the other sensors in the evaluation of the measurement results.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist ein an einer Seite des Hohlraums angeordneter Montage-Dom vorgesehen, an dem zumindest ein Teil von zumindest einem Sensor, beispielsweise eine Elektrode eines die Verformung des Hohlraums messenden Kondensators, angebracht ist. Vorzugsweise ist dieser Montage-Dom von einer Nut, besonders bevorzugt von einer Ringnut, umgeben. Durch die Nut ist die Anbringungsstelle des zumindest einen Teils von zumindest einem Sensor von der Verformung des Hohlraums mechanisch entkoppelt, so dass eine der Anbringungsstelle zugeordnete ebene Auflagefläche trotz der Verformungen des mechanischen Bauteils durch äußere Kräfte eben bleibt. Die Verformungen des mechanischen Bauteils nehmen so auch keinen weiteren Einfluss auf die an der Anbringungsstelle angebrachten Teile der Sensoren, beispielsweise auf deren Ausrichtung, so dass eine von lokalen Einflüssen unabhängige Messung der Verformung des Hohlraums ermöglicht ist.In a particularly advantageous embodiment variant, a mounting dome is provided which is arranged on one side of the cavity and on which at least a part of at least one sensor, for example an electrode of a capacitor measuring the deformation of the cavity, is attached. This assembly dome is preferably surrounded by a groove, particularly preferably by an annular groove. The attachment point of the at least one part of at least one sensor is mechanically decoupled from the deformation of the cavity by the groove, so that a flat support surface assigned to the attachment point remains flat despite the deformation of the mechanical component due to external forces. The deformations of the mechanical component thus also have no further influence on the parts of the sensors attached to the attachment point, for example on their alignment, so that the deformation of the cavity can be measured independently of local influences.

Vorteilhafterweise besteht der Montage-Dom aus dem gleichen Material wie die Wandungen des Hohlraums. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Montage-Dom und die Wandungen des Hohlraums jeweils einzeln aus dem gleichen Material hergestellt werden oder auch, dass der Montage-Dom und die Wandungen des Hohlraums aus einem Stück gefertigt werden. Temperaturbedingte Längenausdehnungen bzw. -kontraktionen betreffen dann den Montage-Dom in gleicher Weise wie die Wandungen des Hohlraums, so dass hierfür keine Korrekturen notwendig werden. Ein weiterer Vorteil ist beispielsweise die geringere Korrosionsempfindlichkeit, da kein Übergang zwischen verschiedenen Metallen vorliegt.The assembly dome is advantageously made of the same material as the walls of the cavity. This can be achieved in that the assembly dome and the walls of the cavity are each manufactured individually from the same material or that the assembly dome and the walls of the cavity are manufactured from one piece. Temperature-related linear expansions or contractions then affect the assembly dome in the same way as the walls of the cavity, so that no corrections are necessary for this. Another advantage is, for example, the lower sensitivity to corrosion, since there is no transition between different metals.

Von Vorteil ist es, wenn der Montage-Dom als länglicher Referenzstab ausgeführt ist. Dieser Referenzstab kann dabei einteilig mit einem Wandabschnitt oder einem Boden des Hohlraums ausgeführt oder aber auf einer Seite des Hohlraums eingespannt sein. Bei einer Verformung der Oberflächen des Hohlraums ändert sich dabei die Länge des Referenzstabs nicht oder nur geringfügig. Die Verformungen von einer Seite des Hohlraums werden durch den Referenzstab an eine andere Stelle des Hohlraums übertragen, wo dann eine größere Längendifferenz messbar ist. Diese Längendifferenz und damit die Messempfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung wächst dabei mit der Länge des Referenzstabs. Vorzugsweise ist die Tiefe der Nut an die Länge des Referenzstabs angepasst, so dass die Nut als länglicher Bereich des Hohlraums ausgeführt ist. Dabei sind die Innenmaße des Querschnitts des länglichen Bereichs größer als die Außenmaße des Querschnitts des Referenzstabs und der Referenzstab ist zumindest teilweise im länglichen Bereich angeordnet.It is advantageous if the assembly dome is designed as an elongated reference rod. This reference rod can be made in one piece with a wall section or a floor of the cavity or it can be clamped on one side of the cavity. If the surfaces of the cavity are deformed, the length of the reference rod does not change or changes only slightly. The deformations from one side of the cavity are transferred by the reference rod to another location in the cavity, where a greater length difference can then be measured. This difference in length and thus the measuring sensitivity of the force measuring device increases with the length of the reference rod. The depth of the groove is preferably adapted to the length of the reference rod, so that the groove is designed as an elongated region of the cavity. The internal dimensions of the cross section of the elongated area are larger than the external dimensions of the cross section of the reference rod and the reference rod is at least partially arranged in the elongated area.

Vorteilhaft ist es, wenn der Referenzstab und/oder der längliche Bereich entlang einer neutralen Faser des mechanischen Bauteils angeordnet ist. Durch die Anordnung des länglichen Bereichs entlang der neutralen Faser ändert sich beim Einwirken von Querkräften, beispielsweise bei Verdrehungen oder Verbiegungen, die Länge des länglichen Bereichs nicht. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass die Stütz- und/oder Zugkraft unabhängig von Querkräften gemessen werden kann. Vorzugsweise wird der Referenzstab im länglichen Bereich seitlich geführt. Querkräfte, die auf das mechanische Bauteil wirken, wirken sich dann in gleicher Weise auf den Referenzstab aus. Durch die Anordnung des länglichen Bereichs entlang der neutralen Faser ist folglich mit Hilfe des Referenzstabs eine Messung der Stütz- und/oder Zugkraft unabhängig von Querkräften möglich.It is advantageous if the reference rod and / or the elongated area is arranged along a neutral fiber of the mechanical component. Due to the arrangement of the elongated area along the neutral fiber, the length of the elongated area does not change when transverse forces act, for example in the event of twisting or bending. This is a prerequisite that the supporting and / or tensile force can be measured independently of transverse forces. The reference rod is preferably guided laterally in the elongated area. Lateral forces that act on the mechanical component then have the same effect on the reference rod. By arranging the elongated area along the neutral fiber, it is consequently possible to measure the supporting and / or tensile force independently of transverse forces with the aid of the reference rod.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem länglichen Bereich und dem Referenzstab zumindest abschnittsweise ein wärmeleitendes Medium angeordnet. Temperaturänderungen übertragen sich somit schneller von der Wandung des Hohlraums auf den Referenzstab, so dass Messfehler vermindert werden. Vorzugsweise weist das wärmeleitende Medium darüber hinaus gute Gleiteigenschaften auf, so dass die Reibung an Kontaktstellen zwischen Referenzstab und Oberfläche des länglichen Bereichs möglichst gering ist. Ein derart frei oder nahezu frei beweglicher Referenzstab ermöglicht besonders genaue Messungen.A heat-conducting medium is advantageously arranged at least in sections between the elongated area and the reference rod. Changes in temperature are thus transmitted more quickly from the wall of the cavity to the reference rod, so that measurement errors are reduced. In addition, the heat-conducting medium preferably has good sliding properties, so that the friction at contact points between the reference rod and the surface of the elongated area is as low as possible. Such a freely or almost freely movable reference rod enables particularly precise measurements.

Beispiele für solche wärmeleitenden Medien sind Graphitpulver, eine Suspension aus Graphitpulver in Öl, ein Streckmetallgitter oder Metallschaum. Im Falle von flüssigen oder pulverförmigen wärmeleitenden Medien ist außerdem vorzugsweise eine Dichtung, beispielsweise ein Dichtring, vorgesehen, der das wärmeleitende Medium auf einen den Referenzstab umgebenden Bereich beschränkt.Examples of such heat-conducting media are graphite powder, a suspension of graphite powder in oil, an expanded metal grid or metal foam. In the case of liquid or powdery heat-conducting media, a seal, for example a sealing ring, is also preferably provided, which restricts the heat-conducting medium to an area surrounding the reference rod.

Von Vorteil ist es auch, wenn das mechanische Bauteil Wärmeleitelemente aufweist, die den Temperaturausgleich im mechanischen Bauteil beschleunigen. Diese Wärmeleitelemente können beispielsweise als Wärmeleitstäbe ausgebildet sein, sind insbesondere senkrecht zu einer Längsachse des länglichen Bereichs und/oder Referenzstabs angeordnet und reichen vorzugsweise von der Außenseite des mechanischen Bauteils bis zum Hohlraum. Als Materialien für die Wärmeleitelemente sind Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu bevorzugen, beispielsweise Kupfer oder Aluminium.It is also advantageous if the mechanical component has heat-conducting elements that accelerate the temperature equalization in the mechanical component. These heat conducting elements can be designed, for example, as heat conducting rods and are in particular perpendicular to a longitudinal axis of the elongated area and / or reference rod and preferably extend from the outside of the mechanical component to the cavity. Materials with a high thermal conductivity, for example copper or aluminum, are preferred as materials for the heat conducting elements.

Ferner wird ein Verfahren zum Messen einer auf ein mechanisches Bauteil wirkenden Kraft vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist dabei das mechanische Bauteil gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet. Durch Einwirken einer Kraft verformen sich die Oberflächen des Hohlraums. Diese Verformung wird von den Sensoren gemessen und anschließend wird mittels einer Messeinrichtung aus den Messsignalen der Sensoren die Kraft berechnet. Die Sensoren sind dabei durch ihre Anordnung im Bereich des Hohlraums vor Witterungseinflüssen und auch vor schnellen Temperaturschwankungen geschützt.Furthermore, a method for measuring a force acting on a mechanical component is proposed. According to the invention, the mechanical component is designed in accordance with the preceding description. When a force acts, the surfaces of the cavity deform. This deformation is measured by the sensors and then the force is calculated from the measurement signals of the sensors by means of a measuring device. The sensors are protected from the effects of the weather and also from rapid temperature fluctuations due to their arrangement in the area of the cavity.

Von Vorteil ist es, wenn zumindest eine Temperatur bestimmt wird und eine Temperaturkompensation rechnerisch bestimmt wird. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt dabei mit Hilfe eines Temperatursensors. Vorzugsweise werden mindestens zwei Temperaturen bestimmt, beispielsweise eine Temperatur der Wandung des Hohlraums und eine Temperatur des Referenzstabs. Über die bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten des mechanischen Bauteils und des Referenzstabs lassen sich die temperaturbedingten Längenänderungen berechnen und damit die Messwerte korrigieren. Je mehr Temperaturen dabei an unterschiedlichen Stellen gemessen werden, desto genauer kann diese Temperaturkompensation erfolgen.It is advantageous if at least one temperature is determined and a temperature compensation is determined by calculation. The temperature is determined with the aid of a temperature sensor. At least two temperatures are preferably determined, for example a temperature of the wall of the cavity and a temperature of the reference rod. The temperature-related changes in length can be calculated using the known thermal expansion coefficients of the mechanical component and the reference rod and the measured values can be corrected. The more temperatures that are measured at different points, the more precisely this temperature compensation can take place.

Vorteilhafterweise werden, vor der eigentlichen Messung beim Betrieb der Maschine, zunächst in einem Kalibrierschritt Kennlinien ausgemessen. Hierbei handelt es sich um Kennlinien der Verformung des Hohlraums gegen die einwirkende Kraft bzw. der Messsignale der Sensoren gegen die einwirkende Kraft. Vorzugsweise werden diese Kennlinien unter kontrollierten Bedingungen ausgemessen, beispielsweise bei einer bestimmten Temperatur und mit wohldefinierten Kräften. Für den Fall, dass vor allem die Stütz- und/oder Zugkräfte von Interesse sind, werden die Kennlinien vorzugsweise unter Ausschluss von Querkräften ausgemessen, was zu einfachen aber genauen Kennlinien führt. Selbstverständlich können dann auch noch weitere Kennlinien mit unterschiedlichen Querkräften ausgemessen werden, was zu einer noch genaueren Auswertung der Messergebnisse führt. Dadurch werden aber sowohl der Kalibrierschritt als auch nachher die Auswertung der Messergebnisse aufwendiger.Advantageously, before the actual measurement during operation of the machine, characteristic curves are first measured in a calibration step. These are characteristics of the deformation of the cavity against the acting force or the measurement signals of the sensors against the acting force. These characteristics are preferably measured under controlled conditions, for example at a specific temperature and with well-defined forces. In the event that the supporting and / or tensile forces are of particular interest, the characteristic curves are preferably measured with the exclusion of transverse forces, which leads to simple but precise characteristic curves. Of course, other characteristic curves with different transverse forces can then also be measured, which leads to an even more precise evaluation of the measurement results. However, this makes both the calibration step and the subsequent evaluation of the measurement results more complex.

Vorteilhaft ist es auch, wenn nach der Herstellung des mechanischen Bauteils und vor dem Kalibrierschritt ein mindestens einmaliger Krafteintrag eine nicht-elastische Verformung des Hohlraums bewirkt. Bei wiederholten Krafteinträgen wird dabei der Anteil der nicht-elastischen Verformung immer kleiner. Dadurch, dass die nicht-elastische Verformung größtenteils vor dem Kalibrierschritt stattfindet, wird der störende Einfluss von nicht-elastischen Verformungen auf den Kalibrierschritt und die nachfolgenden Kraftmessungen möglichst gering gehalten. Mit Hilfe der nicht-elastischen Verformung lässt sich auch ein enger Spalt zwischen zwei Elektroden erzeugen. Dazu werden diese Elektroden bei der Herstellung des mechanischen Bauteils bzw. der Kraftmesseinrichtung zunächst auf Anschlag angebracht. Der Abstand der Elektroden zueinander ist also zunächst Null und damit für eine Messung der Kapazität nicht geeignet. Durch die nicht-elastische Verformung vergrößert sich dieser Spalt, so dass auf einfache Weise ein enger, paralleler Spalt erzeugt wird.It is also advantageous if, after the production of the mechanical component and before the calibration step, an at least one application of force causes a non-elastic deformation of the cavity. With repeated application of force, the proportion of non-elastic deformation becomes smaller and smaller. Because the non-elastic deformation takes place for the most part before the calibration step, the disruptive influence of non-elastic deformations on the calibration step and the subsequent force measurements is kept as low as possible. With the help of non-elastic deformation, a narrow gap can also be created between two electrodes. For this purpose, these electrodes are initially attached to the stop during the production of the mechanical component or the force measuring device. The distance between the electrodes is therefore initially zero and therefore not suitable for measuring the capacitance. The non-elastic deformation enlarges this gap, so that a narrow, parallel gap is created in a simple manner.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.Developments, advantages and possible applications of the invention also emerge from the following description of exemplary embodiments and from the figures. All of the features described and / or shown in the figures, individually or in any combination, are fundamentally the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their reference. The content of the claims is also made part of the description.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

1a einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
1b einen Längsschnitt durch die Ausführungsform der 1a unter Einwirkung einer Kraft;
1c eine Draufsicht auf eine Elektrode der Ausführungsform der 1a;
2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a einen Längsschnitt durch eine nochmals weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
3b eine Draufsicht auf die Elektroden der Ausführungsform der 3a;
4 einen Längsschnitt durch eine nochmals weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 einen Längsschnitt durch eine nochmals weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und
6 einen Längsschnitt durch eine nochmals weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.

The invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the drawings. Show it

1a a longitudinal section through an embodiment according to the present invention;
1b a longitudinal section through the embodiment of 1a under the action of a force;
1c a plan view of an electrode of the embodiment of FIG 1a ;
2 a longitudinal section through a further embodiment according to the present invention;
3a a longitudinal section through yet another embodiment according to the present invention;
3b a plan view of the electrodes of the embodiment of FIG 3a ;
4th a longitudinal section through yet another embodiment according to the present invention;
5 a longitudinal section through yet another embodiment according to the present invention and
6th a longitudinal section through yet another embodiment according to the present invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind.Identical reference symbols are used in the figures for elements of the invention that are the same or have the same effect. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures that are necessary for the description of the respective figure.

1a zeigt ein als Zwischenscheibe ausgebildetes mechanisches Bauteil 1. Diese Zwischenscheibe kann beispielsweise zwischen einem Fahrzeug oder einem Kran und einer Stütze dieses Fahrzeugs bzw. Krans eingebaut werden. Die Befestigung an anderen Bauteilen kann dabei zum Beispiel durch Schweißen oder durch Schrauben erfolgen. 1a shows a mechanical component designed as an intermediate disk 1 . This intermediate disk can be installed, for example, between a vehicle or a crane and a support of this vehicle or crane. The attachment to other components can be done by welding or screws, for example.

Das mechanische Bauteil 1 weist eine Kraftmesseinrichtung 2 mit einem Hohlraum 3 und Sensoren auf, wobei die Sensoren Elektroden 4 umfassen, die einen Kondensator bilden.The mechanical component 1 has a force measuring device 2 with a cavity 3 and sensors, the sensors being electrodes 4th include, which form a capacitor.

Eine auf das mechanische Bauteil 1 wirkende Kraft führt zu einer Verformung der den Hohlraum 3 umschließenden Oberflächen 5, wie in 1b dargestellt. Durch die Verformung ändert sich insbesondere der Abstand der Elektroden 4 des Kondensators zueinander, wodurch sich auch die Kapazität des Kondensators ändert. Eine hier nicht dargestellte Messelektronik bestimmt diese Kapazität, woraus sich wiederum die Entfernung der Elektroden 4 zueinander berechnen lässt.One on the mechanical component 1 acting force leads to a deformation of the cavity 3 enclosing surfaces 5 , as in 1b shown. The deformation changes the distance between the electrodes in particular 4th of the capacitor to each other, which also changes the capacitance of the capacitor. Measurement electronics (not shown here) determine this capacitance, which in turn determines the distance between the electrodes 4th can be calculated to each other.

Um aus der Entfernung der Elektroden 4 zueinander auf die auf das mechanische Bauteil 1 wirkende Kraft zu schließen, ist in der Regel eine aufwendigere Rechnung notwendig, beispielsweise eine Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM). Vorteilhafterweise wird diese Berechnung einmal für verschiedene Kräfte durchgeführt und sodann als Kraft-zu-Abstand-Kennlinie in einem Speicher abgelegt. In dieser Kennlinie nicht erfasste Werte können durch Interpolation genähert werden. Alternativ zur FEM-Berechnung kann die Kennlinie auch experimentell bestimmt werden. Hierzu wird die Verformung der Oberfläche 5 bzw. der Abstand der Elektroden 4 zueinander in Abhängigkeit von einer bekannten Kraft gemessen.To keep away from the electrodes 4th to each other on the on the mechanical component 1 To close the acting force, a more complex calculation is usually necessary, for example a calculation using the finite element method (FEM). This calculation is advantageously carried out once for different forces and then stored in a memory as a force-to-distance characteristic curve. Values not recorded in this characteristic can be approximated by interpolation. As an alternative to the FEM calculation, the characteristic curve can also be determined experimentally. This is done by deforming the surface 5 or the distance between the electrodes 4th measured in relation to each other as a function of a known force.

Die Elektroden 4 sind wie in 1c dargestellt ringförmig ausgebildet. Diese einfache und kostengünstige Variante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn lediglich die auf das mechanische Bauteil 1 wirkende Stütz- und/oder Zugkraft gemessen werden soll und es bekannt ist, dass Querkräfte und Scherungen nicht oder nur in geringem Maße auftreten.The electrodes 4th are like in 1c shown ring-shaped. This simple and inexpensive variant is particularly advantageous when only the mechanical component 1 acting supporting and / or tensile force is to be measured and it is known that transverse forces and shears do not occur or only to a small extent.

Bei dem in 2 gezeigten mechanischen Bauteil 1 sind die Elektroden 4 der Oberfläche 5 zugewandt. Jede der zwei Elektroden 4 bildet mit der elektrisch leitenden Oberfläche 5 einen Kondensator, so dass dieses mechanische Bauteil 1 zwei Kondensatoren aufweist, die redundant die Verformung der Oberfläche 5 messen.The in 2 shown mechanical component 1 are the electrodes 4th the surface 5 facing. Each of the two electrodes 4th forms with the electrically conductive surface 5 a capacitor so that this mechanical component 1 Has two capacitors, which redundant the deformation of the surface 5 measure up.

Der Abstand A der Elektroden 4 zu den Oberflächen 5 ist klein, wodurch eine hohe Empfindlichkeit bei der Messung der Verformung der Oberfläche 5 erreicht wird. Durch den kleinen Abstand A reagiert die Kraftmesseinrichtung 2 aber auch sehr empfindlich auf Querkräfte, so dass sie vor allem dort eingesetzt werden sollte, wo es bekannt ist, dass keine oder nur sehr geringe Querkräfte auftreten.The distance A between the electrodes 4th to the surfaces 5 is small, giving high sensitivity when measuring surface deformation 5 is achieved. The force measuring device reacts to the small distance A. 2 but also very sensitive to transverse forces, so it should be used primarily where it is known that no or only very low transverse forces occur.

3a zeigt eine weitere Ausführungsform eines mechanischen Bauteils 1. Jeweils eine Elektrode 4 eines Kondensators ist hier auf einer Leiterplatte 6 angeordnet, während sich die jeweils andere Elektrode des Kondensators als leitender Abschnitt des der jeweiligen Elektrode 4 zugewandten Bereichs der Oberfläche 5 des Hohlraums 3 ergibt. 3a shows a further embodiment of a mechanical component 1 . One electrode each 4th a capacitor is here on a circuit board 6th arranged, while the other electrode of the capacitor acts as a conductive portion of the respective electrode 4th facing area of the surface 5 of the cavity 3 results.

Eine Messelektronik 7 ist ebenfalls auf der Leiterplatte 6 angeordnet. Die elektrische Verbindung zu der auf der Leiterplatte 6 befindlichen Elektrode 4 lässt sich somit als Leiterbahn auf der Leiterplatte 6 realisieren, wodurch kapazitätserzeugende Verbindungsleitungen weitgehend eliminiert sind. Die elektrische Verbindung der Messelektronik 7 zu den als elektrisch leitenden Abschnitten der Oberfläche 5 ausgebildeten Elektroden erfolgt über eine elektrisch leitende Schraube 8, die sowohl mit der Messelektronik 7 als auch mit der elektrisch leitenden Oberfläche 5 verbunden ist.Measuring electronics 7th is also on the circuit board 6th arranged. The electrical connection to the one on the circuit board 6th located electrode 4th can thus be used as a conductor track on the circuit board 6th realize, whereby capacitance-generating connection lines are largely eliminated. The electrical connection of the measuring electronics 7th to the electrically conductive sections of the surface 5 formed electrodes takes place via an electrically conductive screw 8th that both with the measurement electronics 7th as well as with the electrically conductive surface 5 connected is.

Ein Montage-Dom 25 wird durch Einbringung einer als Ringnut ausgebildeten Nut 10 gebildet, wobei die Leiterplatte 6 mitsamt der Messelektronik 7 und den auf der Leiterplatte 6 angeordneten Elektroden 4 an einer Anbringungsstelle 26 des Montage-Doms 25 angebracht ist. Unter Krafteinwirkung auf das mechanische Bauteil 1 verformt sich das mechanische Bauteil 1, der Hohlraum 3 und die Oberflächen 5. Eine Verformung des Montage-Doms 25 wird allerdings nur in dem Bereich auftreten, in dem der Montage-Dom 25 an die Wandungen des Hohlraums 3 grenzt; der überwiegende Teil des Montage-Doms 25 wird jedoch nicht verformt. Durch die Nut 10 ist insbesondere die Anbringungsstelle 26 von der Verformung des Hohlraums 3 mechanisch entkoppelt, so dass eine der Anbringungsstelle 26 zugeordnete ebene Auflagefläche trotz der Verformungen des mechanischen Bauteils 1 durch äußere Kräfte eben bleibt. Die Verformungen des mechanischen Bauteils 1 nehmen so auch keinen weiteren Einfluss auf die an der Anbringungsstelle 26 angebrachte Leiterplatte 6, beispielsweise auf deren Ausrichtung, so dass eine von lokalen Einflüssen unabhängige Messung der Verformung des Hohlraums 3 ermöglicht ist. Des Weiteren ändert sich bei Verformungen des Hohlraums 3 die Länge des Montage-Doms 25 nicht oder nur geringfügig, so dass Verformungen des Hohlraums 3 durch den Montage-Dom 25 an eine andere Stelle des Hohlraums 3 übertragen werden, wo sodann eine größere Längendifferenz messbar ist.An assembly dome 25th is made by introducing a groove designed as an annular groove 10 formed with the circuit board 6th including the measuring electronics 7th and the one on the circuit board 6th arranged electrodes 4th at an attachment point 26th of the assembly dome 25th is appropriate. Under the action of force on the mechanical component 1 the mechanical component deforms 1 , the cavity 3 and the surfaces 5 . A deformation of the assembly dome 25th will only occur in the area where the assembly dome 25th on the walls of the cavity 3 borders; the majority of the assembly dome 25th however, it is not deformed. Through the groove 10 is in particular the attachment point 26th from the deformation of the cavity 3 mechanically decoupled so that one of the attachment point 26th assigned flat support surface despite the deformation of the mechanical component 1 remains level through external forces. The deformations of the mechanical component 1 do not have any further influence on those at the point of attachment 26th attached circuit board 6th , for example on their alignment, so that a measurement of the deformation of the cavity that is independent of local influences 3 is made possible. It also changes when the cavity is deformed 3 the length of the assembly dome 25th not or only slightly, so that deformations of the cavity 3 through the assembly dome 25th to another place in the cavity 3 are transmitted, where a larger difference in length can then be measured.

Im Ausführungsbeispiel der 3a ist der Montage-Dom 25 einteilig mit dem Boden des Hohlraums 3 ausgeführt und besteht folglich aus dem gleichen Material wie die Wandungen des Hohlraums 3. Ein großer Vorteil hiervon ist, dass sich temperaturbedingte Längenausdehnungen bzw. -kontraktionen gleichermaßen auf die Wandungen des Hohlraums 3 und auf den Montage-Dom 25 auswirken. Es ist folglich keine temperaturbedingte Korrektur erforderlich, wenn die Wandungen des Hohlraums 3 und der Montage-Dom 25 die gleiche Temperatur haben. Dadurch, dass die Länge des Montage-Doms 25 nicht viel größer ist als die Dicke der Wandungen des Hohlraums 3, betreffen Temperaturschwankungen den Montage-Dom 25 und die Wandungen des Hohlraums 3 in ähnlicher Weise. Insbesondere benötigen die Wandungen des Hohlraums 3 und der Montage-Dom 25 eine ähnliche Zeit bis sie eine veränderte Temperatur angenommen haben.In the embodiment of 3a is the assembly dome 25th integral with the bottom of the cavity 3 executed and consequently consists of the same material as the walls of the cavity 3 . A great advantage of this is that temperature-related linear expansions and contractions equally affect the walls of the cavity 3 and on the assembly dome 25th impact. Consequently, no temperature-related correction is required if the walls of the cavity 3 and the assembly dome 25th have the same temperature. By being the length of the assembly dome 25th is not much greater than the thickness of the walls of the cavity 3 , temperature fluctuations affect the assembly dome 25th and the walls of the cavity 3 in a similar way. In particular, the walls of the cavity need 3 and the assembly dome 25th a similar time until they have reached a different temperature.

In 3b ist die Anordnung der Elektroden 4 der Ausführungsform aus 3a gezeigt. Drei Elektroden 4 sind dabei als Ringsegmente ausgeführt und eine vierte Elektrode 4 ist ringförmig konzentrisch in der Mitte der anderen drei Elektroden 4 angeordnet. Mit dieser Anordnung von Elektroden 4 lassen sich neben der Stütz- und/oder Zugkraft auch die auf das mechanische Bauteil 1 wirkende Querkraft in Größe und Richtung messen. Dadurch, dass die vierte Elektrode 4 zusammen mit der Oberfläche des Montage-Doms 25 einen Kondensator bildet, ändert sich der Abstand der Elektroden 4 dieses Kondensators nicht, wenn Kräfte auf das mechanische Bauteil 1 wirken und der Hohlraum 3 verformt wird. Der vierte Kondensator dient also als Referenz-Kondensator 16, zur Funktionsüberprüfung der Messelektronik 7 und zur Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der Messungen.In 3b is the arrangement of the electrodes 4th of the embodiment 3a shown. Three electrodes 4th are designed as ring segments and a fourth electrode 4th is annular concentric in the middle of the other three electrodes 4th arranged. With this arrangement of electrodes 4th In addition to the supporting and / or tensile force, it is also possible to apply the force on the mechanical component 1 Measure the acting transverse force in terms of magnitude and direction. By having the fourth electrode 4th together with the surface of the assembly dome 25th forms a capacitor, the distance between the electrodes changes 4th this capacitor does not when forces on the mechanical component 1 act and the cavity 3 is deformed. The fourth capacitor thus serves as a reference capacitor 16 to check the functionality of the measuring electronics 7th and to determine the temperature dependency of the measurements.

4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes mechanisches Bauteil 1, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil einer Stütze für ein Fahrzeug oder einen Kran ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Sensoren und die Messelektronik in dieser Figur nicht dargestellt. Dadurch, dass die Kraftmesseinrichtung 2 direkt in der Stütze integriert ist, fällt ein separates Bauteil weg, so dass die Stabilität und Langlebigkeit der Stütze verbessert werden. 4th shows a further mechanical component according to the invention 1 , which in this embodiment is part of a support for a vehicle or a crane. For the sake of clarity, the sensors and the measuring electronics are not shown in this figure. Because the force measuring device 2 is integrated directly into the support, a separate component is omitted, so that the stability and longevity of the support are improved.

Das mechanische Bauteil 1 weist wiederum einen Hohlraum 3 auf. Die Nut 10 aus dem Ausführungsbeispiel der 3a wurde zu einem länglichen Bereich 11 vertieft und der Montage-Dom 25 zu einem Referenzstab 9 verlängert. Der Referenzstab 9 ist dabei zu einem großen Teil im länglichen Bereich 11 angeordnet. Des Weiteren ist der längliche Bereich 11 entlang einer Symmetrieachse des mechanischen Bauteils 1 und damit entlang der neutralen Faser des mechanischen Bauteils 1 angeordnet, wodurch sich beim Einwirken von Querkräften die Länge des länglichen Bereichs 11 nicht ändert.The mechanical component 1 again has a cavity 3 on. The groove 10 from the embodiment of 3a became an elongated area 11 deepened and the assembly dome 25th to a reference rod 9 extended. The reference rod 9 is to a large extent in the elongated area 11 arranged. Furthermore, there is the elongated area 11 along an axis of symmetry of the mechanical component 1 and thus along the neutral fiber of the mechanical component 1 arranged, whereby when transverse forces act, the length of the elongated area 11 does not change.

Der längliche Bereich 11 hat im Querschnitt einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des Querschnitts des Referenzstabes 9. Zur besseren Erkennbarkeit ist der Unterschied des Innendurchmessers des länglichen Bereichs 11 zum Außendurchmesser des Referenzstabes 9 in der 4 stark vergrößert dargestellt. Der freie Raum zwischen dem Referenzstab 9 und der Wandung des länglichen Bereichs 11 ist vorzugsweise mit einem Medium gefüllt, das sowohl gut wärmeleitend ist als auch gute Gleiteigenschaften aufweist. Die gute Wärmeleitung des Mediums ist dabei nötig, um den Referenzstab 9 schneller an Temperaturänderungen anzupassen. Gute Gleiteigenschaften des Mediums erlauben es dem Referenzstab 9, sich ohne wesentliche Reibung in seiner Länge gegenüber dem länglichen Bereich 11 zu verändern und den durch Querkräfte bewirkten Verbiegungen des länglichen Bereichs 11 zu folgen. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist der Raum zwischen dem Referenzstab 9 und der Wandung des länglichen Bereichs 11 mit einem feinmaschigen Streckmetallgitter 23 gefüllt. Durch das Streckmetallgitter 23 wird eine besonders gute seitliche Führung des Referenzstabs 9 im länglichen Bereich 11 erreicht, das heißt, der Referenzstab 9 folgt den, beispielsweise durch Querkräfte verursachten, Verbiegungen des länglichen Bereichs 11, wodurch eine exakte Längenmessung entlang der neutralen Faser ermöglicht wird.The elongated area 11 has an inner diameter in cross section which is slightly larger than the outer diameter of the cross section of the reference rod 9 . For better visibility is the difference in the inside diameter of the elongated area 11 to the outside diameter of the reference rod 9 in the 4th shown greatly enlarged. The free space between the reference rod 9 and the wall of the elongated area 11 is preferably filled with a medium that is both a good heat conductor and has good sliding properties. The good heat conduction of the medium is necessary for the reference rod 9 adapt faster to temperature changes. Good sliding properties of the medium allow the reference rod 9 without significant friction in its length against the elongated area 11 to change and the bending of the elongated area caused by transverse forces 11 to follow. In the embodiment of 4th is the space between the reference rod 9 and the wall of the elongated area 11 with a fine-mesh expanded metal grid 23 filled. Through the expanded metal mesh 23 becomes particularly good lateral guidance of the reference rod 9 in the elongated area 11 reached, that is, the reference rod 9 follows the bending of the elongated area caused for example by transverse forces 11 , which enables an exact length measurement along the neutral fiber.

Des Weiteren weist das mechanische Bauteil 1 als Wärmeleitstäbe ausgebildete Wärmeleitelemente 24 auf, die den Temperaturausgleich im mechanischen Bauteil 1 beschleunigen. Die Wärmeleitelemente 24 bestehen dabei aus Aluminium, können aber auch aus einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein. Sie sind senkrecht zur Längsachse des länglichen Bereichs 11 und des Referenzstabs 9 angeordnet und verbinden den Hohlraum 3 mit der Außenseite des mechanischen Bauteils 1. So ist ein schneller Wärmeausgleich im mechanischen Bauteil 1 gegeben und der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Messergebnisse wird gering gehalten.Furthermore, the mechanical component 1 heat conducting elements designed as heat conducting rods 24 on which the temperature compensation in the mechanical component 1 accelerate. The heat conducting elements 24 consist of aluminum, but can also be made of another material with high thermal conductivity. They are perpendicular to the longitudinal axis of the elongated area 11 and the reference rod 9 arranged and connect the cavity 3 with the outside of the mechanical component 1 . So there is a quick heat balance in the mechanical component 1 and the influence of temperature changes on the measurement results is kept low.

5 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch ein erfindungsgemäßes mechanisches Bauteil 1. Der freie Raum zwischen dem Referenzstab 9 und der Wandung des länglichen Bereichs 11 ist mit einem wärmeleitenden Medium 12 gefüllt, das zudem gute Gleiteigenschaften aufweist. Damit das wärmeleitende Medium 12 nicht in andere Bereiche des Hohlraums 3 vordringt, ist ein beweglicher Dichtring 13 vorgesehen, der um den Referenzstab 9 herum angeordnet ist. Der Dichtring 13 muss dabei beweglich ausgebildet sein, um einen auf Grund von Temperaturänderungen und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Referenzstab 9, länglichem Bereich 11 und wärmeleitendem Medium 12 entstehenden Über- oder Unterdruck im wärmeleitenden Medium 12 auszugleichen und/oder das Austreten des wärmeleitenden Mediums 12 in andere Bereiche des Hohlraums 3 zu verhindern. 5 shows a detail of a longitudinal section through a mechanical component according to the invention 1 . The free space between the reference rod 9 and the wall of the elongated area 11 is with a thermally conductive medium 12 filled, which also has good sliding properties. So that the heat-conducting medium 12 not in other areas of the cavity 3 is a movable sealing ring 13th provided around the reference rod 9 is arranged around. The sealing ring 13th must be designed to be movable in order to avoid a reference rod due to temperature changes and different coefficients of thermal expansion 9 , elongated area 11 and heat-conducting medium 12 resulting overpressure or underpressure in the heat-conducting medium 12 to compensate and / or the leakage of the thermally conductive medium 12 to other areas of the cavity 3 to prevent.

Die Breite des freien Raums zwischen dem Referenzstab 9 und der Wandung des länglichen Bereichs 11 ist dabei der besseren Erkennbarkeit halber stark vergrößert dargestellt. In Wirklichkeit sind die Innenmaße des Querschnitts des länglichen Bereichs 11 lediglich geringfügig größer als die Außenmaße des Querschnitts des Referenzstabs 9, so dass der Referenzstab 9 bei einer Krafteinwirkung auf das mechanische Bauteil 1 zwar nicht eingeklemmt wird, aber dennoch von den Wandungen des länglichen Bereichs 11 geführt wird und damit, insbesondere durch Querkräfte verursachte, seitliche Verformungen des länglichen Bereichs 11 mitmacht ohne hierbei selbst eine Längenänderung zu erfahren.The width of the free space between the reference rod 9 and the wall of the elongated area 11 is shown greatly enlarged for the sake of better visibility. In reality, the inside dimensions are the cross-section of the elongated area 11 only slightly larger than the external dimensions of the cross-section of the reference rod 9 so that the reference rod 9 when a force acts on the mechanical component 1 is not pinched, but by the walls of the elongated area 11 is performed and thus, in particular caused by transverse forces, lateral deformations of the elongated area 11 participate without experiencing a change in length.

Die Sensoren der Kraftmesseinrichtung 2 sind wiederum als Elektroden 4 auf einer Leiterplatte 6 ausgebildet, die mit dem ortsfest mit der Wandung des Hohlraums 3 verbundenen, elektrisch leitenden Bauelement 14 als Gegenelektrode einen Kondensator bilden, der die Verformung des Hohlraums 3 misst. Dabei ist die Anordnung der Elektroden derart, dass der Abstand der Elektroden bei kleinen Stützkräften klein ist und bei großen Stützkräften groß ist. Aus der 1/d-Abhängigkeit (wobei d der Abstand zwischen den Elektroden 4 und dem Bauelement 14 ist) der Kapazität eines Kondensators folgt, dass die Messempfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung 2 bei kleinen Stützkräften größer ist als bei großen Stützkräften. Dies ist insoweit vorteilhaft, als die Fälle für die Sicherheit eines abgestützten Fahrzeugs oder Krans am relevantesten sind, bei denen die Stützkraft auf einer Seite klein wird; bei einer noch kleiner werdenden Stützkraft oder gar einer Zugkraft ist nämlich das Kippen des Fahrzeugs oder Krans zu befürchten.The sensors of the force measuring device 2 are in turn called electrodes 4th on a circuit board 6th formed with the stationary with the wall of the cavity 3 connected, electrically conductive component 14th as a counter electrode form a capacitor, which the deformation of the cavity 3 measures. The arrangement of the electrodes is such that the distance between the electrodes is small when the supporting forces are small and large when the supporting forces are large. From the 1 / d dependence (where d is the distance between the electrodes 4th and the component 14th is) the capacitance of a capacitor follows that the measuring sensitivity of the force measuring device 2 with small supporting forces is greater than with large supporting forces. This is advantageous in that the most relevant cases for the safety of a supported vehicle or crane are those where the supporting force on one side becomes small; if the supporting force or even a tensile force becomes even smaller, there is a risk of the vehicle or crane tipping over.

Auf der oberen Seite der Leiterplatte 6 angeordnete Elektroden 4 bilden zusammen mit einer elektrisch leitenden Platte 15 einen Referenz-Kondensator 16. Dabei kann die elektrisch leitende Platte 15 eine Metallplatte oder ebenfalls eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Elektroden sein. Der Referenz-Kondensator 16 ist mechanisch vollständig am freien Ende des Referenzstabes 9 angeordnet, so dass Verformungen des mechanischen Bauteils 1 keine Auswirkungen auf den Referenz-Kondensator 16 haben. Temperaturbedingte Änderungen, beispielsweise bei der Messelektronik 7, oder auch Änderungen im zwischen den Elektroden 4 befindlichen Dielektrikum wirken sich allerdings auf den Referenz-Kondensator 16 genauso wie auf den die Verformung des Hohlraums 3 messenden Kondensator aus. Die gemessene Kapazität des die Verformung des Hohlraums 3 messenden Kondensators wird auf Basis der gemessenen Änderung der Kapazität des Referenz-Kondensators 16 korrigiert, um einen Wert zu erhalten, der nicht von den temperaturbedingten Änderungen oder den Änderungen im Dielektrikum verfälscht ist.On the top of the circuit board 6th arranged electrodes 4th form together with an electrically conductive plate 15th a reference capacitor 16 . The electrically conductive plate 15th be a metal plate or a printed circuit board with electrodes arranged on it. The reference capacitor 16 is mechanically completely at the free end of the reference rod 9 arranged so that deformations of the mechanical component 1 no effect on the reference capacitor 16 to have. Changes due to temperature, for example in the measurement electronics 7th , or changes in between the electrodes 4th However, the dielectric that is located affects the reference capacitor 16 as well as the deformation of the cavity 3 measuring capacitor. The measured capacitance of the deformation of the cavity 3 measuring capacitor is based on the measured change in the capacitance of the reference capacitor 16 corrected to get a value that is not corrupted by the temperature changes or the changes in the dielectric.

Die Messelektronik 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einer separaten Leiterplatte angeordnet und die Verbindung mit den Elektroden 4 erfolgt über sehr dünne Drähte 17, beispielsweise Drahtbonds, um den Einfluss auf die zu messende Kapazität so gering wie möglich zu halten. Des Weiteren ist die Messelektronik 7 über ein Kabel 18 mit einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Denkbar ist aber auch eine kabellose Übermittlung der Messergebnisse von der Messelektronik 7 an die Auswerteeinheit. Die Berechnung der Stütz- und/oder Zugkräfte aus den gemessenen Kapazitäten erfolgt auf Grund des höheren Rechenaufwands vorzugsweise in der Auswerteeinheit, kann prinzipiell aber auch von der Messelektronik 7 durchgeführt werden.The measuring electronics 7th is arranged in this embodiment on a separate circuit board and the connection to the electrodes 4th takes place via very thin wires 17th , for example wire bonds, in order to keep the influence on the capacitance to be measured as small as possible. Furthermore, the measuring electronics 7th via a cable 18th connected to an evaluation unit not shown here. However, wireless transmission of the measurement results from the measurement electronics is also conceivable 7th to the evaluation unit. The calculation of the supporting and / or tensile forces from the measured capacities is preferably carried out in the evaluation unit due to the higher computational effort, but can in principle also be carried out by the measuring electronics 7th be performed.

6 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch ein weiteres erfindungsgemäßes mechanisches Bauteil 1. Im Vergleich zu dem in 5 gezeigten mechanischen Bauteil 1 erfolgt hier die Messung der Verformung des Hohlraums 3 nicht kapazitiv mit Hilfe von Kondensatoren, sondern induktiv mit einem linear variablen Differentialtransformator 19. Der Differentialtransformator 19 weist dabei eine Spulenanordnung bestehend aus einer Erregerspule 20 und zwei Sekundärspulen 21 auf, die jeweils ortsfest mit dem Bauelement 14 verbunden sind. Ein am freien Ende des Referenzstabes 9 angeordneter Weicheisenkern 22 bewegt sich bei einer relativen Längenänderung des Referenzstabes 9 zum länglichen Bereich 11 in der Spulenanordnung. Die Position des Weicheisenkerns 22 innerhalb der Spulenanordnung lässt sich dabei durch Messung der induktiven Kopplung der Sekundärspulen 21 an die Erregerspule 20 bestimmen. Selbstverständlich ist auch eine hier nicht gezeigte invertierte Anordnung denkbar, bei der der Weicheisenkern 22 ortsfest mit dem Bauelement 14 verbunden und die Spulenanordnung am freien Ende des Referenzstabes 9 angeordnet ist. 6th shows a detail of a longitudinal section through a further mechanical component according to the invention 1 . Compared to the in 5 shown mechanical component 1 the deformation of the cavity is measured here 3 not capacitive with the help of capacitors, but inductively with a linearly variable differential transformer 19th . The differential transformer 19th has a coil arrangement consisting of an excitation coil 20th and two secondary coils 21st on, each stationary with the component 14th are connected. One at the free end of the reference rod 9 arranged soft iron core 22nd moves with a relative change in length of the reference rod 9 to the elongated area 11 in the coil arrangement. The position of the soft iron core 22nd within the coil arrangement, the inductive coupling of the secondary coils can be measured 21st to the excitation coil 20th determine. Of course, an inverted arrangement, not shown here, is also conceivable in which the soft iron core 22nd stationary with the component 14th connected and the coil arrangement at the free end of the reference rod 9 is arranged.

Auch weitere, hier nicht dargestellte Sensoren können für die Messung der Verformung des Hohlraums 3 verwendet werden. Beispielsweise sind auch Dehnungsmessstreifen, optische Sensoren oder akustische Sensoren denkbar. Ebenso kann eine Kombination von verschiedenen Sensoren vorteilhaft sein, wobei durch die Messelektronik oder die Auswerteeinheit jeweils die Nachteile der verschiedenen Sensoren kompensiert werden.Further sensors, not shown here, can also be used for measuring the deformation of the cavity 3 be used. For example, strain gauges, optical sensors or acoustic sensors are also conceivable. A combination of different sensors can also be advantageous, the disadvantages of the different sensors being compensated for by the measuring electronics or the evaluation unit.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben, ist aber nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Änderungen, Abwandlungen und/oder Kombinationen der Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne dass dadurch der durch die Patentansprüche definierte Schutzbereich der Erfindung verlassen wird. So ist beispielsweise ein mechanisches Bauteil denkbar, das einen Referenzstab zur besonders genauen Messung der Stütz- und/oder Zugkraft und weitere Sensoren zur Bestimmung der Querkräfte aufweist.The invention was described above using exemplary embodiments, but is not limited to the exemplary embodiments shown. It goes without saying that a large number of changes, modifications and / or combinations of the exemplary embodiments are possible without thereby departing from the scope of protection of the invention defined by the patent claims. For example, a mechanical component is conceivable that has a reference rod for particularly precise measurement of the supporting and / or tensile force and further sensors for determining the transverse forces.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: mechanisches Bauteilmechanical component
22: KraftmesseinrichtungForce measuring device
33: Hohlraumcavity
44th: Elektrodeelectrode
55: Oberflächesurface
66th: LeiterplatteCircuit board
77th: MesselektronikMeasurement electronics
88th: Schraubescrew
99: ReferenzstabReference rod
1010: NutGroove
1111: länglicher Bereichelongated area
1212: wärmeleitendes Mediumheat conducting medium
1313: DichtringSealing ring
1414th: BauelementComponent
1515th: elektrisch leitende Platteelectrically conductive plate
1616: Referenz-KondensatorReference capacitor
1717th: Drahtwire
1818th: Kabelelectric wire
1919th: DifferentialtransformatorDifferential transformer
2020th: ErregerspuleExcitation coil
2121st: SekundärspuleSecondary coil
2222nd: WeicheisenkernSoft iron core
2323: StreckmetallgitterExpanded metal mesh
2424: WärmeleitelementHeat conducting element
2525th: Montage-DomAssembly dome
2626th: AnbringungsstelleAttachment point

Claims

Mechanical component for a machine, in particular a support for a vehicle and / or a crane, with a force measuring device (2) with sensors (4; 19) for measuring a deformation of a surface (5) of the mechanical component (1), characterized in that the force measuring device (2) comprises a cavity (3) and the surface (5) encloses the cavity (3).

Mechanical component according to the preceding claim, characterized in that the force measuring device (2) is designed to measure a supporting and / or tensile and / or transverse force.

Mechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors (4; 19) comprise electrodes (4) which form one or more capacitors.

Mechanical component according to Claim 3 , characterized in that at least one of the electrodes (4) is formed on a circuit board (6).

Mechanical component according to Claim 4 , characterized in that measuring electronics (7) are integrated on the circuit board (6).

Mechanical component according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that at least one of the electrodes (4) is an electrically conductive section of the surface (5), in particular a cylindrical wall section and / or a flat base.

Mechanical component according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that a mechanically independent reference capacitor (16) is provided.

Mechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the sensors (4; 19) are strain gauges, differential transformers (19), optical sensors and / or acoustic sensors.

Mechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that a mounting dome (25) is provided which is arranged on one side of the cavity (3) and to which at least a part of at least one sensor (4; 19) is attached, the Assembly dome (25) is preferably surrounded by a groove (10), particularly preferably an annular groove.

Mechanical component according to the preceding claim, characterized in that the assembly dome (25) consists of the same material as the walls of the cavity (3).

Mechanical component according to one of the Claims 9 to 10 , characterized in that the assembly dome (25) is designed as an elongated reference rod (9) and preferably the groove (10) is designed as an elongated area (11) of the cavity (3).

Mechanical component according to the preceding claim, characterized in that the reference rod (9) and / or the elongated area (11) is arranged along a neutral fiber of the mechanical component (1) and preferably the reference rod (9) in the elongated area (11) is guided laterally.

Mechanical component according to one of the Claims 11 to 12 , characterized in that a heat-conducting medium (12; 23), preferably with good sliding properties, is arranged at least in sections between the elongated area (11) and the reference rod (9).

Mechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical component (1) has heat-conducting elements (24).

Method for measuring a force acting on a mechanical component (1) according to one of the preceding claims, the surfaces (5) of the cavity (3) being deformed by the action of the force and the force being calculated from measurement signals from the sensors (4; 19).

Method according to the preceding claim, characterized in that at least one, preferably at least two, temperature (s) is or are determined and a temperature compensation is determined by calculation.

Method according to one of the Claims 15 or 16 , characterized in that characteristic curves are first measured in a calibration step, preferably with the exclusion of transverse forces.

Method according to the preceding claim, characterized in that, before the calibration step, an at least one-time application of force causes a non-elastic deformation of the cavity (3) and preferably creates a gap between two electrodes (4) initially attached to a stop.