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Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei das erste Teil und das zweite Teil gegeneinander entlang einer Bewegungsrichtung beweglich gelagert sind. Eine elastische Rückstellkraft wirkt entlang der Bewegungsrichtung. Weiter ist eine Messeinrichtung vorgesehen, deren Ausgangssignal von einer Relativposition des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil entlang der Bewegungsrichtung abhängt. Ferner betrifft die Erfindung ein Getriebe mit einer solchen Kraftmessvorrichtung und einen Stellantrieb mit einem solchen Getriebe. Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung einer Kraftmessvorrichtung.
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Derartige Kraftmessvorrichtungen, Getriebe und Stellantriebe sind bekannt, wobei die Kraftmesseinrichtung üblicherweise einen Dehnungsmessstreifen aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass die Montage der Messstreifen aufwendig ist, weil sie typischerweise in Handarbeit erfolgen muss.
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Derartige Kraftmessvorrichtungen kommen beispielsweise im Zusammenhang mit Schneckengetrieben zum Einsatz, um ein Drehmoment eines von der Schneckenwelle angetriebenen Schneckenrads zu bestimmen. Bei einem Drehmoment handelt es sich um eine Kraft im Sinne dieser Erfindung. Hierbei ist bekannt, die Schneckenwelle beidseitig mit Federn vorzuspannen und die Auslenkung der Schneckenwelle bei Betrieb mechanisch abzugreifen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass aufgrund der Vorspannung die Messgenauigkeit leidet, so dass erst ab 30 % des Maximalmoments verlässliche Messergebnisse erzeugt werden können.
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Eine weitere vorbekannte Alternativlösung sieht vor, dass die Schneckenwelle durch ein Elastomer abgestützt wird, wobei die Schneckenwelle auf einer Platte aufliegt, die die Belastung beaufschlagt und dass ein Drucksensor die Deformation des Elastomers misst. Auch diese vorbekannte Alternativlösung erfüllt häufig nicht die Anforderungen, welche in der Praxis an die Messgenauigkeit gestellt wird.
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US 2013/0327601 A1 offenbart ein elektrisches Bremssystem, bei dem eine Bremsscheibe von zwei Bremsbacken umfasst wird. Die Bremsbacken sind gegeneinander verstellbar, indem mittels eines Motors eine Welle angetrieben wird. Die Rotationsbewegung der Welle wird in eine axiale Bewegung umgesetzt. Das bewegliche Teil ist über Kraftaufnahmeelement mit einem unbeweglichen Teil verbunden. Weiter ist ein Sensor ausgebildet, mit dem eine Positionsveränderung des beweglichen Teils gegenüber dem unbeweglichen Teil gemessen werden kann.
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JP 2005224003A offenbart ein Verfahren zur Detektion einer Schubkraft einer rotierenden Welle eines Motors. Die hierfür vorgesehene Detektionseinrichtung ist ausgestattet mit einem Wirbelstromsensor, der außerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmessvorrichtung, ein Getriebe und einen Stellantrieb mit verbesserten Gebrauchseigenschaften zu schaffen. Insbesondere soll eine Kraftmessvorrichtung geschaffen werden, welche einfacher herzustellen ist und/oder eine höhere Messgenauigkeit aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale von Anspruch 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß bei einer Kraftmessvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Lösung der genannten Aufgabe vorgeschlagen, dass die Messeinrichtung zur Messung der Relativposition mit einer magnetischen Wechselwirkung eingerichtet ist.
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Die Ausnutzung einer magnetischen Wechselwirkung zur Messung der Relativposition hat den Vorteil, dass die Messung nicht durch mechanische Kopplungen und Rückkopplungen gestört wird, so dass sehr hohe Messgenauigkeiten erreichbar sind. Auch lässt sich eine solche Messung einfach konstruktiv umsetzen, da der konstruktive Aufwand entfällt, einen Messsensor mechanisch mit zwei gegeneinander beweglichen Teilen zu verbinden. Aufgrund der Verwendung einer magnetischen Wechselwirkung ist es nämlich gerade nicht erforderlich, einen Messsensor mechanisch mit beiden Teilen zu verbinden. Hierdurch werden die Gebrauchseigenschaften von vorbekannten Kraftmessvorrichtungen verbessert.
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Wird nun beispielsweise auf eines der Teile, dessen Position verändert werden kann, eine externe Kraft ausgeübt, so verändert sich die relative Position des ersten Teils zu der des zweiten Teils. Infolge der elastischen Rückstellkraft wird sich nach Einstellen eines Kräftegleichgewichts eine bestimmte Relativposition ergeben. Die Messung der Relativposition durch die Messeinrichtung lässt daher Rückschlüsse auf die aufgewendete externe Kraft zu. Es handelt sich bei der Messvorrichtung somit in der Tat um eine Kraftmessvorrichtung.
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Die Kraftmessvorrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, unmittelbar die externe Kraft oder die elastische Rückstellkraft zu messen. Sie kann auch eingerichtet sein, eine sich aus der Größe der elastischen Rückstellkraft ergebende Kraft zu bestimmen, wie beispielsweise ein Drehmoment an einem Schneckenrad, welches infolge einer von einer Schneckenwelle ausgeübten Axialkraft erzeugt wird.
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Es kann eine Umrechnungseinheit ausgebildet sein, welche eingerichtet ist, die Relativposition in eine sich aus der Größe der elastischen Rückstellkraft ergebende Kraft umzurechnen. Bevorzugt wird ein mit einem Magnetfeldsensor erfasster Abstand in eine solche Kraft umgerechnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Umrechnung einer Messgröße von einer externen Einheit durchgeführt wird, so dass mit der Kraftmessvorrichtung unmittelbar lediglich ein solcher Wert ausgebbar ist, welcher von einem Magnetfeldsensor der Messeinrichtung ausgegeben wird.
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Bei dem Ausgangssignal der Messeinrichtung kann es sich unmittelbar um das von einem Magnetfeldsensor ausgegebene Signal handeln. Es kann sich hierbei auch um ein bereits umgerechnetes Signal handeln.
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Es kann vorgesehen sein, dass die magnetische Wechselwirkung auf einer magnetischen Induktion beruht. Zusätzlich oder alternativ kann die magnetische Wechselwirkung auch auf einem Hall-Effekt beruhen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung einen Magnetfeldsensor aufweist. Bei diesem Magnetfeldsensor kann es sich beispielsweise um eine Spule handeln oder um einen Hall-Sensor. Die Spule kann hierbei flächig und/oder spiralförmig ausgebildet sein. Als Magnetfeldsensor eignet sich insbesondere ein LDC-Sensor. Beispielsweise kann es sich bei dem Magnetfeldsensor auch um den bereits oben erwähnten Magnetfeldsensor handeln.
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Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor eingerichtet, einen die Relativposition definierenden Abstand zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil zu erfassen. Eine derartige Abstandsmessung ist mit besonders hoher Genauigkeit durchführbar.
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Besonders einfach ist es, wenn mit dem Magnetfeldsensor unmittelbar ein Abstand von dem Magnetfeldsensor zu dem ersten Teil oder zu dem zweiten Teil erfasst wird. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Magnetfeldsensor mit dem jeweils anderen Teil ortsfest verbunden ist. Ortsfest sind zwei Komponenten, wenn eine Veränderung der Position der einen Komponente zu einer entsprechenden Veränderung der Position der anderen Komponente führt.
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Ein Magnetfeldsensor kann auch dadurch charakterisiert sein, dass er zur Erfassung eines statischen Magnetfelds und/oder eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds eingerichtet ist.
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Bevorzugt umfasst das erste Teil oder das zweite Teil den Magnetfeldsensor.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kraftmessvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die elastische Rückstellkraft durch ein elastisches Rückstellelement bewirkt wird. Bevorzugt ist das erste Teil über das elastische Rückstellelement mit dem zweiten Teil mechanisch verbunden. Derartige körperliche und/oder mechanische Elemente führen zu einer gut kontrollierbaren Rückstellkraft. Besonders bevorzugt bildet das elastische Rückstellelement einen ringförmigen Verformungskörper, der entlang der Bewegungsrichtung verformbar ist. Beispielsweise kann der ringförmige Verformungskörper als Tellerfeder ausgebildet sein. Eine solche Tellerfeder kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn hohe Kräfte in klar definierte Auslenkungen geringer Größe, von beispielsweise weniger als einem Millimeter oder weniger als einem zehntel Millimeter umgesetzt werden sollen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die elastische Rückstellkraft so eingerichtet sein, dass bei einer maximalen Belastung eine Auslenkung von weniger als einem halben Millimeter erreicht wird. Bevorzugt ist die Auslenkung dann weniger als ein zehntel Millimeter. Für derartige Kraftmessvorrichtungen gibt es ein weites Anwendungsfeld, beispielsweise im Zusammenhang mit Getrieben und Stellantrieben, und im Zusammenhang mit einer Vielzahl weiterer technischer Bereiche.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn das elastische Rückstellelement nicht einstückig mit dem ersten Teil und/oder dem zweiten Teil ausgebildet ist. Dies kann gegenüber einer einstückigen Ausbildung vorteilhaft sein, da hierdurch das Rückstellelement und die beiden Teile jeweils durch die für sie geeignetste Herstellungsmethode hergestellt werden können. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Rückstellelement aus einem Flachblech oder aus einem bandförmigen Material gestanzt ist. Das erste Teil und/oder das zweite Teil kann beispielsweise durch Drehbearbeitung hergestellt sein. Das erste Teil und/oder das zweite Teil kann beispielsweise als Hülse oder als Ring ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Rückstellelement und/oder das erste Teil und/oder das zweite Teil aus einem Metall hergestellt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kraftmessvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung eine Leiterplatte umfasst. Auf dieser lassen sich die für die Messung benötigten Komponenten und elektrischen Bauelemente gut unterbringen und zugleich kann eine Leiterplatte konstruktiv einfach in die Kraftmessvorrichtung eingebaut werden. Es kann vorgesehen sein, dass auf der Leiterplatte der Magnetfeldsensor aufgebracht ist. Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor aufgedruckt, beispielsweise können Leiterbahnen einer den Magnetfeldsensor bildenden Spule auf der Leiterplatte aufgedruckt sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Leiterplatte zumindest in einem Bereich radial über das erste Teil übersteht. Von Vorteil ist dabei, dass in diesem Bereich eine Auswerteelektronik auf der Leitplatte angeordnet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Teil oder das zweite Teil die Messeinrichtung umfasst. Bevorzugt umfasst das erste Teil oder das zweite Teil die Leiterplatte.
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Wichtige technische Anwendungen ergeben sich, wenn vorgesehen ist, dass in der Kraftmessvorrichtung eine rotierbare Welle aufnehmbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass in einer Aufnahme der Kraftmessvorrichtung ein Lager zur Lagerung einer rotierbaren Welle ausgebildet ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bewegungsrichtung eine axiale Richtung bildet. Bevorzugt ist eine in die Kraftmessvorrichtung aufnehmbare Welle, beispielsweise die bereits zuvor erwähnte Welle, entlang der axialen Richtung ausgerichtet. Bevorzugt ist ferner eine Leiterplatte, beispielsweise die bereits zuvor erwähnte Leiterplatte, axial ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Leiterplatte in einer zur Bewegungsrichtung senkrechten Ebene orientiert ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Teil und das zweite Teil zueinander drehfest gelagert sind. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegungsrichtung eindeutig definiert ist und sich die beiden Teile in Bewegungsrichtung zueinander verschieben können.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Flächennormale des Magnetfeldsensors und/oder einer Leiterplatte, welche vorzugsweise den Magnetfeldsensor trägt, entlang der Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist die Bewegungsrichtung eine axiale Bewegungsrichtung. Bevorzugt ist eine dem Magnetfeldsensor zugewandte Seite desjenigen Teils, dessen Abstand zu dem Magnetfeldsensor erfasst wird, im Erfassungsbereich des Magnetfeldsensors in einer zur Bewegungsrichtung orthogonalen Ebene flächig ausgebildet. Bei dem zuvor genannten Teil handelt es sich um das erste Teil oder das zweite Teil. Die flächige Ausbildung einzelner am Messprozess beteiligten Komponenten und/oder die Kombination flächiger Ausbildungen derartiger Komponenten hat den Vorteil, dass hierdurch eine sehr kompakte Bauweise möglich ist und zugleich eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Teil, dessen Abstand zu dem Magnetfeldsensor erfasst wird, zumindest im Erfassungsbereich des Magnetfeldsensors elektrisch leitfähig ist. Dies vereinfacht die Messung mittels einer magnetischen Wechselwirkung. Insbesondere bei Verwendung eines vorzugsweise magnetisch vorgespannten Hall-Sensors als Magnetfeldsensor kann es vorteilhaft sein, wenn das Teil im Erfassungsbereich des Magnetfeldsensors magnetisch leitfähig ist.
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Um beispielsweise zu verhindern, dass eine Veränderung der Temperatur zu einem Fehler bei der Messung führt, kann vorgesehen sein, dass der Magnetfeldsensor und dasjenige Teil, dessen Abstand zum Magnetfeldsensor erfasst wird, ein gleiches magnetisches Material enthalten. Beispielsweise können beide Komponenten kupferhaltig sein. Das zuvor genannte Teil kann beispielsweise Messing oder Bronze enthalten. Die Verwendung ähnlicher oder gleicher Materialien hat den Vorteil, dass eine Veränderung der Temperatur eine geringere Auswirkung auf das Messergebnis hat, so dass auch für den Fall, dass für eine Umrechnung Korrekturen vorgesehen werden, das Messergebnis eine höhere Genauigkeit hat. Eine Veränderung der Temperatur kann nämlich zu einer Variation eines Widerstands, beispielsweise in dem Magnetfeldsensor, führen, wodurch das Messsignal verändert werden kann. Beispielsweise kann dies bei Verwendung einer Spule als Magnetfeldsensor auch einen Einfluss auf deren Induktivität haben, so dass das Messergebnis verändert würde. Dies wird durch die Verwendung eines gleichen oder ähnlichen Materials an der auszumessenden Gegenfläche zumindest teilweise kompensiert.
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Es hat sich als günstig herausgestellt, das erste Teil oder dasjenige Teil, dessen Position detektiert wird, aus Messing auszubilden, wenn die Leiterbahnen des Magnetfeldsensors, beispielsweise einer Spule, aus Kupfer sind. Das andere Teil und/oder das Rückstellelement kann beispielsweise aus Stahl gefertigt sein, um eine Temperaturabhängigkeit der Permeabilität des ersten Teils zu kompensieren.
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Eine besonders kompakte Bauweise ist möglich, wenn vorgesehen ist, dass der Magnetfeldsensor innerhalb einer radialen Ausdehnung des ersten Teils und/oder des zweiten Teils angeordnet ist. Bevorzugt ist/sind das erste Teil und/oder das zweite Teil ring- oder hülsenförmig ausgebildet.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf ein Getriebe gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einem Getriebe der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass das Getriebe einen Kraftmesssensor aufweist, der erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor vorbeschrieben und/oder nach einem der auf eine Kraftmessvorrichtung gerichteten Schutzansprüche ausgebildet ist. Die bereits zuvor beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung kommen bei einem Getriebe in besonderem Maße zur Geltung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Getriebe ein Schneckengetriebe ist und die Kraftmessvorrichtung in der bereits zuvor beschriebenen Weise verwendet wird, um ein Drehmoment des Schneckenrades zu bestimmen.
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Bei einer Ausgestaltung des Getriebes kann vorgesehen sein, dass das erste Teil mit einem in Bewegungsrichtung beweglichen Getriebeteil senkrecht zur Bewegungsrichtung unelastisch verbunden ist. Es kann vorteilhaft sein, wenn hierdurch die Relativposition des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil von einer Position des Getriebeteils entlang der Bewegungsrichtung vorgegeben ist. Unelastisch bedeutet in diesem Zusammenhang eine Elastizität, die signifikant geringer ist als die Elastizität der elastischen Rückstellkraft. Insbesondere kann die Verbindung in Bezug auf eine zur Bewegungsrichtung senkrechte Richtung auch ortsfest sein. Bei dem Getriebeteil handelt es sich bevorzugt um eine Schneckenwelle. Ein bewegliches Getriebeteil kann besonders effektiv einer externen Kraftmessung zugeführt werden. Bevorzugt umfasst das zweite Teil ein Gehäuse des Getriebes. Das zweite Teil kann auch mit einem Gehäuse des Getriebes unelastisch verbunden sein. In diesem Fall ist die Relativposition daher durch die relative Position von beweglichem Getriebeteil und Gehäuse vorgegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Teil über ein Lager mit einem Getriebeteil, beispielsweise dem bereits zuvor erwähnten Getriebeteil, verbunden ist. Bevorzugt ist das Getriebeteil in dem Lager frei rotierbar und gibt eine Positionsveränderung entlang der Bewegungsrichtung an das erste Teil in unelastischer Weise weiter. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Integration einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in ein erfindungsgemäßes Getriebe.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf einen Stellantrieb gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Stellantrieb einen Motor aufweist, mit dem über ein Getriebe ein Stellglied antreibbar ist. Das Getriebe ist erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor vorbeschrieben und/oder nach einem der auf ein Getriebe gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet. Bevorzugt ist die Kraftmessvorrichtung eingerichtet, eine Übersteuerung des Stellglieds zu vermeiden.
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Von besonderer erfindungsgemäßer Qualität kann eine Verwendung der bereits zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung sein, wenn vorgesehen ist, dass die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung zur Verhinderung einer Übersteuerung eines Stellantrieb, der beispielsweise wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann, verwendet wird.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen wie sie zuvor beschrieben worden sind.
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Es zeigt:
- 1 eine Ansicht auf ein im Querschnitt aufgeschnittenes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung,
- 2 und 3 zwei unterschiedliche perspektivische Ansichten der Kraftmessvorrichtung gemäß 1,
- 4 eine Draufsicht der Leiterplatte gemäß des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels,
- 5 die Kraftmessvorrichtung gemäß 1 eingebaut in ein Gehäuse 37 eines Getriebes.
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1 bis 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 1 gezeigt, welches ein erstes Teil 3 und ein zweites Teil 5 umfasst. Bei dem ersten Teil 3 handelt es sich um einen aus einem Metall im Wege der Drehbearbeitung gefertigten Hohlkörper, der eine Hülse mit einem nach außenstehenden Kragen 21 bildet. Das zweite Teil 5 umfasst eine Leiterplatte 15, einen ersten metallischen Ring 23 und einen zweiten metallischen Ring 25.
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Zwischen dem ersten metallischen Ring 23 und dem zweiten metallischen Ring 25 ist ein Rückstellelement 13 eingespannt, welches in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Tellerfeder bildet. Die Leiterplatte 15, der erste metallische Ring 23, das Rückstellelement 13 und der zweite metallische Ring 25 sind mittels mehrerer Schrauben 27 miteinander verschraubt, wobei die Schrauben 27 auch durch den zweiten metallischen Ring 25 hindurchragen können, um die Kraftmessvorrichtung 1 mit einem weiteren Element, wie beispielsweise einem Gehäuse 37 eines Getriebes zu verschrauben. Eine derartige Verschraubung der Kraftmessvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 37 eines Getriebes eines Stellantriebs ist in 5 gezeigt.
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Ein anderes Ende des Rückstellelements 13 ist zwischen einer außenliegenden Schulter einer Hülse 29 und dem ersten Teil 3 verklemmt, so dass eine Bewegung der Hülse 29 entlang der Bewegungsrichtung 6 bei einem beispielsweise mit einem Gehäuse 37 fixierten zweiten Teil 5 zu einer Verformung des Rückstellelements 13 und zu einer Erhöhung des Abstands 11 zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 führt. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung 6 einer axialen Bewegungsrichtung 6 entlang einer Axialachse 31 der Kraftmessvorrichtung 1. Auch wenn es sich bei der Kraftmessvorrichtung 1 nicht um einen idealen Rotationskörper handelt, so kann doch gesagt werden, dass die Kraftmessvorrichtung 1 eine Rotationssymmetrie aufweist.
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Die Leiterplatte 15 ist eine Komponente einer Messeinrichtung 7, mit der eine Relativposition des ersten Teils 3 gegenüber dem zweiten Teil 5 entlang der Bewegungsrichtung 6 gemessen werden kann unter Verwendung einer magnetischen Wechselwirkung. Auf der Leiterplatte 15 sind Magnetfeldsensoren 9 aufgedruckt, welche im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel flächig ausgebildete, spiralförmige Spulen bilden. Hierbei handelt es sich um LDC-Sensoren. Die Leiterplatte 15 mit den spiralförmig ausgebildeten und Spulen bildenden Magnetfeldsensoren 9 ist in 4 in Draufsicht dargestellt.
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Das erste Teil 3 kann aus Messing gefertigt sein, während das zweite Teil 5 und/oder das Rückstellelement 13 aus Stahl gefertigt sein kann/können. Die Magnetfeldsensoren 9 können Spulen aus Kupfer aufweisen.
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Die Magnetfeldsensoren 9 werden für eine Messung bestromt. Hierdurch wird ein Magnetfeld erzeugt, welches in dem Kragen 21 des metallischen ersten Teils 3 Wirbelströme hervorruft, die ein Gegenmagnetfeld erzeugen. Dieses Gegenmagnetfeld schwächt nach der Lenz'schen Regel das von den Magnetfeldsensoren 9 erzeugte Magnetfeld ab. Diese Abschwächung kann von den Magnetfeldsensoren 9 detektiert werden. Der Grad der Abschwächung hängt von dem Abstand des Kragens 21 von den Magnetfeldsensoren 9 ab. Je näher sich das erste Teil 3 und der Magnetfeldsensor 9 kommen, desto größer ist die Abschwächung.
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Der Abstand von Magnetfeldsensoren 9 und erstem Teil 3 entspricht im hier gezeigten Ausführungsbeispiel dem Abstand 11 zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5. Dieser Abstand 11 steht im direkten Zusammenhang mit der auf die Hülse 29 ausgeübten externen Kraft. Das Rückstellelement 13 erzeugt nämlich eine elastische Rückstellkraft. Diese Rückstellkraft steigt mit einer Vergrößerung des Abstandes 11 zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 an. An dem Punkt, an dem die Rückstellkraft der externen Kraft entspricht, stellt sich ein Gleichgewicht bei einem bestimmten Abstand 11 ein. Effektiv ist somit mit der Messeinrichtung 7 eine Kraft messbar.
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Auf der Leiterplatte 15 ist auch eine Umrechnungseinheit 17 aufgebracht, mit der das von den Magnetfeldsensoren 9 gemessene Signal in eine Kraft umgerechnet werden kann. Die genaue Umrechnungsvorschrift kann hierbei durch Eingabe bestimmter Parameter und Abspeicherung in einen nicht näher dargestellten Speicher festgelegt werden. Ein Parameter ist hierbei die Federkraft des Rückstellelements 13. Zur Berechnung eines Drehmoments kann als weiterer Parameter auch ein Abstand eingegeben werden. Es ist ersichtlich, dass die Leiterplatte 15 das erste Teil 3 radial überragt. In diesem überstehenden Bereich ist die Umrechnungseinheit 17 angeordnet, so dass eine Beweglichkeit des ersten Teils 3 gegen das zweite Teil 5 auch bei kleinen Spaltmaßen nicht beeinträchtigt ist.
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Das Ausgangssignal der Messeinrichtung 7 entspricht in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einem konkreten Messwert einer Kraft. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Umrechnung des von den Magnetfeldsensoren 9 erfassten Signals auch außerhalb der Kraftmessvorrichtung 1 nach Auslesen des von der Messeinrichtung 7 ausgegebenen Ausgangssignals erfolgen. Die Messeinrichtung 7 kann eine Schnittstelle zur Datenausgabe und/oder zur Dateneingabe aufweisen.
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Die Magnetfeldsensoren 9 haben in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen radialen Abstand zur Axialachse 31, der geringer ist, als die Hälfte der radialen Ausdehnung 19 des ersten Teils 3, wobei im hier gezeigten Ausführungsbeispiel die radiale Ausdehnung 19 des ersten Teils 3 dem Durchmesser des Kragens 21 entspricht. Die Magnetfeldsensoren 9 befinden sich somit innerhalb der radialen Ausdehnung 19 des ersten Teils 3, welches dasjenige Teil 3 ist, dessen Abstand zu den Magnetfeldsensoren 9 erfasst wird.
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Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Federkonstante des Rückstellelements 10.000 Newton pro Millimeter. Bei einer beispielhaften Maximalbelastung von 1.000 Newton betrüge die Auslenkung des ersten Teils 3 gegenüber dem zweiten Teil 5 einen zehntel Millimeter.
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Die Kraftmessvorrichtung 1 kann beispielsweise verwendet werden zur Überwachung einer Belastung eines Stellantriebs und/oder Getriebes und/oder zur Verhinderung einer Übersteuerung eines Stellantriebs. Der Stellantrieb kann einen Motor aufweisen, welcher ein Getriebeteil 39 antreibt. In 5 ist das Getriebeteil 39 als Schneckenwelle ausgebildet. Die Schneckenwelle treibt ihrerseits ein Schneckenrad an. Hierdurch kann ein Stellglied, beispielsweise ein Ventil, angetrieben werden.
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Das erste Teil 3 kann über ein Lager mit dem Getriebeteil 39 verbunden sein, wobei das Getriebeteil 39 in dem Lager frei rotierbar ist. Das Lager kann beispielsweise in einer Lageraufnahme 35 axial an einer innenliegenden Schulter 33 der Hülse 29 anliegen, so dass eine axiale Bewegung des Getriebeteils 39 von der Hülse 29 aufgenommen wird. Das zweite Teil 5 kann mittels der Schrauben 27 mit einem Gehäuse 37 des Stellantriebs verbunden sein, so dass sich durch eine axiale Verschiebung des Getriebeteils 39 der Abstand zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 verändert.
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Durch Festlegung der Federkonstanten des Rückstellelements 13 und des Abstands der Schneckenwelle zum Mittelpunkt des Schneckenrades kann mittels der Kraftmessvorrichtung 1 das am Schneckenrad anliegende Drehmoment gemessen werden. Mittels dieses so gemessenen Drehmoments kann sodann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Ventilsteuerung unterbrochen wird, sobald das Drehmoment einen bestimmten Wert übersteigt.
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Es wird vorgeschlagen, bei einer Kraftmessvorrichtung 1, deren Messprinzip darauf beruht, eine Relativposition von zwei Teilen 3, 5 zu messen, wobei die Relativposition durch eine elastische Rückstellkraft beeinflussbar ist, eine Messeinrichtung 7 vorzusehen, die zur Messung der Relativposition mit einer magnetischen Wechselwirkung eingerichtet ist. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine solche Kraftmessvorrichtung 1 beispielsweise zur Überwachung einer Belastung eines Stellantriebs und/oder Getriebes und/oder zur Verhinderung einer Übersteuerung eines Stellantriebs zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftmessvorrichtung
- 3
- erstes Teil
- 5
- zweites Teil
- 6
- Bewegungsrichtung
- 7
- Messeinrichtung
- 9
- Magnetfeldsensor
- 11
- Abstand zwischen 3 und 5
- 13
- Rückstellelement
- 15
- Leiterplatte
- 17
- Umrechnungseinheit
- 19
- radiale Ausdehnung von 3
- 21
- Kragen von 3
- 23
- erster metallischer Ring
- 25
- zweiter metallischer Ring
- 27
- Schraube
- 29
- Hülse
- 31
- Axialachse von 1
- 33
- Schulter
- 35
- Lageraufnahme
- 37
- Gehäuse
- 39
- Getriebeteil
