DE102020106427A1 - Force sensor system with overload protection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kraftsensorsystem (10), aufweisend- eine Gehäuseanordnung (12) mit mindestens einer Durchgangsausnehmung (14), die mindestens einen Durchmesser (D1) aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor (16) aufzunehmen,- mindestens einen Kraftmesssensor (16), der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung (14) angeordnet ist; und- mindestens einen Widerlagerkörper (18), der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung (14) angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem (10) zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper (18) und der Durchgangsausnehmung (14) radiales Spiel (RS) aufweist.Dies ermöglicht ein messgenaues Kraftsensorsystem (10) mit einem Überlastschutz.The invention relates to a force sensor system (10), comprising - a housing arrangement (12) with at least one through recess (14) which has at least one diameter (D1) to accommodate at least one force measuring sensor (16), - at least one force measuring sensor (16), which is arranged in the at least one through recess (14); and- at least one abutment body (18) which is arranged in the at least one through recess (14), the force sensor system (10) having radial play (RS) between the at least one abutment body (18) and the through recess (14) an accurate force sensor system (10) with overload protection.
Description
Die Erfindung betrifft ein kraftdetektierendes Sensorsystem mit Überlastschutz.The invention relates to a force-detecting sensor system with overload protection.
Es hat sich herausgestellt, dass im Maschinenbereich Off-Highway, hierzu gehören Land- und Baumaschinen, und im Anhängerbereich ein ständiges Bedürfnis an einem Kraftsensorsystem besteht, um Kräfte unter teilweise stark voneinander abweichenden Bedingungen präzise zu messen.It has been found that in the off-highway machine sector, which includes agricultural and construction machinery, and in the trailer sector, there is a constant need for a force sensor system in order to precisely measure forces under, in some cases, widely differing conditions.
Bisher bestanden Probleme für Kraftsensorsysteme dann, wenn der Messbereich und der Überlastbereich so weit auseinanderliegen, dass ein konventioneller Kraftmesssensor bei Überlast versagt oder Kräfte nur ungenau misst.So far, there have been problems for force sensor systems when the measuring range and the overload range are so far apart that a conventional force measuring sensor fails in the event of an overload or only measures forces imprecisely.
Insbesondere im Off-Highway-Bereich sind Maschinen sehr robust zu konstruieren, um extreme Belastungen unbeschadet zu überstehen. Als Beispiel kann man die Radlagerkräfte einer Baumaschine anführen. Beispielhaft ist bei einem Radlader das Gewicht in der Schaufel zu ermitteln. So können in dessen Schaufel beispielsweise drei Tonnen Material transportiert werden. Bei einem Radlader mit einem Leergewicht von ungefähr dreizehn Tonnen bedeutet dies, dass pro Rad etwa vier Tonnen Gewicht anliegen. Diesen Wert kann man als Nennlast annehmen, auf die das Kraftsensorsystem auszulegen ist, um das Gewicht des geförderten Materials in der Schaufel möglichst genau zu erfassen. Es gibt im Betrieb von Radladern jedoch Situationen ungleicher Belastungsverteilung auf die Räder. Etwa wenn aufgrund von Fahrmanövern achtzig Prozent des Gesamtgewichtes auf einem Rad lasten. Dies entspricht etwa dreizehn Tonnen beziehungsweise mehr als dem Dreifachen der ursprünglichen Auslegung. Ist das Kraftsensorsystem so ausgelegt, dass es eine gute Messgenauigkeit für die vier Tonnen Nennlast aufweist, würde es bei Überlast zerstört. Legt man das Kraftsensorsystem so aus, dass es die Überlast ohne Beschädigung übersteht, ist die Messgenauigkeit bei der vorgenannten Nennlast deutlich reduziert.In the off-highway sector in particular, machines must be designed to be very robust in order to withstand extreme loads undamaged. The wheel bearing forces of a construction machine can be cited as an example. In the case of a wheel loader, for example, the weight in the shovel can be determined. For example, three tons of material can be transported in its shovel. For a wheel loader with an unladen weight of around thirteen tons, this means that there are around four tons of weight per wheel. This value can be assumed as the nominal load for which the force sensor system is to be designed in order to record the weight of the conveyed material in the shovel as precisely as possible. In the operation of wheel loaders, however, there are situations in which the load is unevenly distributed on the wheels. For example, when eighty percent of the total weight is on a bike due to driving maneuvers. This corresponds to about thirteen tons or more than three times the original design. If the force sensor system is designed in such a way that it has a good measurement accuracy for the four-tonne nominal load, it would be destroyed in the event of an overload. If the force sensor system is designed in such a way that it can withstand the overload without damage, the measurement accuracy at the aforementioned nominal load is significantly reduced.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein messgenaues Kraftsensorsystem mit einem Überlastschutz zu schaffen.It is therefore the object of the invention to create a force sensor system that is accurate to measure and has overload protection.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mithin durch ein Kraftsensorsystem, eine Gehäuseanordnung und einen Kraftmesssensor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is therefore achieved by a force sensor system, a housing arrangement and a force measuring sensor with the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which can each represent an aspect of the invention individually or in combination.
Die Erfindung betrifft somit ein Kraftsensorsystem, aufweisend
eine Gehäuseanordnung mit mindestens einer Durchgangsausnehmung, die mindestens einen Durchmesser aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor aufzunehmen;
mindestens einen Kraftmesssensor, der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung angeordnet ist; und
mindestens einen Widerlagerkörper, der in der mindestens einen Durchgangsausnehmung angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper und der Durchgangsausnehmung radiales Spiel aufweist.The invention thus relates to a force sensor system
a housing arrangement with at least one through recess which has at least one diameter to accommodate at least one force measuring sensor;
at least one force measuring sensor which is arranged in the at least one through recess; and
at least one abutment body which is arranged in the at least one through recess, the force sensor system having radial play between the at least one abutment body and the through recess.
Nachfolgend werden eine Grundidee der Erfindung und einzelne Aspekte des beanspruchten Erfindungsgegenstandes erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt.A basic idea of the invention and individual aspects of the claimed subject matter of the invention are explained below and preferred modified embodiments of the invention are described further below. Explanations, in particular regarding advantages and definitions of features, are basically descriptive and preferred, but not limiting, examples. If an explanation is limiting, this is expressly mentioned.
Eine Grundidee der Erfindung ist es somit, dass infolge der beanspruchten Konstruktion des Kraftsensorsystems ab einer definierten Belastung das radiale Spiel geschlossen wird und die Kräfte um den Kraftmesssensor herumgeleitet werden. Dies ist auch bekannt als Kraftnebenschluss. Insbesondere soll dieser Kraftnebenschluss erst außerhalb des Messbereiches in Funktion treten, um das Messergebnis nicht zu verfälschen, beziehungsweise um die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Der Kraftnebenschluss wird mit der Überbrückung des Spiels, also eines geringen Spaltes, erreicht. Da bei Dehnungsmessungen nur sehr geringe Wege beziehungsweise Deformationen auftreten, sind präzise gefertigte Maschinenkomponenten erforderlich. Abhängig vom Betrag des Spiels und der Materialeigenschaften, kann eingestellt beziehungsweise definiert werden, ab welcher Kraft, Spannung und/oder Dehnung eine Materialverformung zu einem geschlossenen Spalt führt und somit der Kraftnebenschluss gebildet wird.A basic idea of the invention is therefore that, as a result of the claimed construction of the force sensor system, the radial play is closed from a defined load and the forces are diverted around the force measuring sensor. This is also known as a force shunt. In particular, this force shunt should only come into operation outside of the measuring range in order not to falsify the measurement result or to maintain the measurement accuracy. The force shunt is achieved by bridging the play, i.e. a small gap. Since only very small distances or deformations occur during strain measurements, precisely manufactured machine components are required. Depending on the amount of play and the material properties, it can be set or defined from which force, tension and / or elongation a material deformation leads to a closed gap and thus the force shunt is formed.
Der Widerlagerkörper bildet somit mit dem definierten Spalt ein radiales Spiel zur Gehäuseanordnung. Dieses radiale Spiel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Durchgangsausnehmung präzise hergestellt wird, beispielsweise über ein Schleifverfahren. Anschließend wird der Durchmesser der Durchgangsausnehmung gemessen und anschließend der passende Widerlagerkörper ausgewählt und eingesetzt. Überschreitet nun eine Belastung, die auf die Gehäuseanordnung wirkt, eine definiertes Maß, wird das Spiel beziehungsweise der Spalt geschlossen und ein Teil der Kraft um den Kraftmesssensor herumgeleitet.The abutment body thus forms, with the defined gap, a radial play in relation to the housing arrangement. This radial play can be generated, for example, by precisely producing the through recess, for example by means of a grinding process. Then the diameter of the passage recess is measured and then the appropriate abutment body is selected and inserted. If a load that acts on the housing arrangement now exceeds a defined level, the play or the gap is closed and part of the force is diverted around the force measuring sensor.
Als radiales Spiel gilt im Sinne der Erfindung zumindest ein solcher Spalt, der einen Materialabstand zwischen der Innenfläche der Durchgangsausnehmung und der Außenfläche des Widerlagerkörpers an einer bestimmten Stelle derart aufweist, dass zur regulären Kraftdetektion eines auf einen bestimmten Wertebereich eingestellten Kraftsensorsystems kein Kraftnebenschluss erfolgt.For the purposes of the invention, radial play is at least one such gap which has a material distance between the inner surface of the through recess and the outer surface of the abutment body at a certain point in such a way that there is no force shunt for the regular force detection of a force sensor system set to a certain value range.
Beispielhaft kann ein zweiter Widerlagerkörper derart in der Gehäuseanordnung platziert werden, dass der zweite Widerlagerkörper durch eine entsprechend wirkende Widerlagerung die Gehäusedeformation zur gewünschten Datenerfassung einstellt. Zusätzlich oder alternativ kann die Gehäuseanordnung durch Durchgangsöffnungen und/oder Nuten derart konstruiert werden, dass die Durchgangsöffnungen und/oder Nuten durch eine entsprechend wirkende Materialschwächung die Gehäusedeformation zur gewünschten Datenerfassung einstellen. Diese Maßnahmen können vorteilhaft sein, um die Gehäuseanordnung für verschiedene Kraftniveaus verwenden zu können und/oder um an ausgewählten Stellen ein Krafterhöhung zu bewirken.For example, a second abutment body can be placed in the housing arrangement in such a way that the second abutment body adjusts the housing deformation for the desired data acquisition through a correspondingly acting abutment. Additionally or alternatively, the housing arrangement can be constructed with through openings and / or grooves in such a way that the through openings and / or grooves adjust the housing deformation for the desired data acquisition through a corresponding weakening of the material. These measures can be advantageous in order to be able to use the housing arrangement for different force levels and / or to bring about an increase in force at selected points.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung zumindest zwei unterschiedliche Durchmesser aufweist, nämlich einen kleinen Durchmesser und einen größeren Durchmesser;
der mindestens eine Kraftmesssensor in der mindestens einen
Durchgangsausnehmung im Bereich des kleinen Durchmessers angeordnet ist; und der mindestens eine Widerlagerkörper in der mindestens einen
Durchgangsausnehmung im Bereich des größeren Durchmessers angeordnet ist, wobei das Kraftsensorsystem zwischen dem mindestens einen Widerlagerkörper und der Durchgangsausnehmung im Bereich des größeren Durchmessers das radiale Spiel aufweist. Durch die unterschiedlichen Durchmesser kann sichergestellt werden, dass sich der Widerlagerkörper und der Kraftmesssensor nicht berühren. Dies ist sinnvoll, um die Messgenauigkeit des Kraftmesssensors hoch zu halten. Insbesondere wenn der Kraftmesssensor im potentiellen Kontaktbereich sensorische Mittel aufweist, kann dies das Risiko von Fehldetektionen reduzieren.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the at least one through recess has at least two different diameters, namely a small diameter and a larger diameter;
the at least one force measuring sensor in the at least one
Through recess is arranged in the area of the small diameter; and the at least one abutment body in the at least one
The passage recess is arranged in the area of the larger diameter, the force sensor system having the radial play between the at least one abutment body and the passage recess in the area of the larger diameter. The different diameters ensure that the abutment body and the force measuring sensor do not touch. This is useful in order to keep the measuring accuracy of the force measuring sensor high. In particular, if the force measuring sensor has sensory means in the potential contact area, this can reduce the risk of false detections.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren Dehnungsmessstreifen ist oder sind, vorzugsweise geklebt oder gesputtert, und/oder im Wesentlichen eine zylindrische Form mit mindestens einer Stirnfläche und/oder einer Mantelfläche aufweist oder aufweisen, wobei die mindestens eine Stirnfläche und/oder die Mantelfläche mäanderförmig verlaufende Dehnungsmittel aufweisen.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that one or more force measuring sensors is or are strain gauges, preferably glued or sputtered, and / or essentially has or have a cylindrical shape with at least one end face and / or a lateral surface, the at least one end face and / or the lateral surface have elongation means running in a meandering shape.
Ein Dehnungsmessstreifen ist ein Sensor, der zur Messung der Dehnung eines Objekts verwendet wird. Die gebräuchlichste Art von Dehnungsmessstreifen besteht aus einer isolierenden flexiblen Unterlage, die ein Metallfolienmuster trägt. Der Dehnungsmessstreifen wird mit einem geeigneten Klebstoff, wie z. B. Cyanacrylat, am Objekt befestigt. Es ist auch möglich, den Dehnungsmesser auf das zu erfassende Objekt zu sputtern. Wenn das Objekt verformt wird, wird die Folie verformt, wodurch sich ihr elektrischer Widerstand ändert. Diese Widerstandsänderung, die in der Regel mit einer Wheatstone-Brücke gemessen wird, hängt mit der Dehnung durch die als Dehnungsfaktor bekannte Größe zusammen. Ein Dehnungsmessstreifen nutzt die physikalische Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit und deren Abhängigkeit von der Geometrie des Leiters. Wenn ein elektrischer Leiter innerhalb der Grenzen seiner Elastizität so gedehnt wird, dass er nicht bricht oder sich dauerhaft verformt, wird er schmaler und länger, was seinen elektrischen Widerstand von Ende zu Ende erhöht. Wenn ein Leiter umgekehrt so zusammengedrückt wird, dass er nicht geknickt wird, verbreitert und verkürzt er sich, was seinen elektrischen Widerstand von Ende zu Ende verringert. Aus dem gemessenen elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens kann auf die Höhe der induzierten Spannung geschlossen werden. Ein typischer Dehnungsmessstreifen ordnet einen langen, dünnen leitenden Streifen in einer Mäanderform an, also einem Zick-Zack-Muster aus parallelen Linien. Dadurch wird die Empfindlichkeit nicht erhöht, da die prozentuale Widerstandsänderung für eine bestimmte Dehnung für die gesamte Zick-Zack-Linie die gleiche ist wie für eine einzelne Leiterbahn. Eine einzelne lineare Leiterbahn müsste extrem dünn sein, wodurch sie überhitzen könnte. Dadurch würde sich ihr Widerstand ändern und sie würde sich ausdehnen würde. Oder die Leiterbahn müsste mit einer viel niedrigeren Spannung betrieben werden, wodurch es schwierig wäre, Widerstandsänderungen genau zu messen.A strain gauge is a sensor that is used to measure the elongation of an object. The most common type of strain gauge consists of an insulating flexible pad that carries a metal foil pattern. The strain gauge is attached with a suitable adhesive, such as. B. cyanoacrylate, attached to the object. It is also possible to sputter the strain gauge onto the object to be detected. When the object is deformed, the film is deformed, which changes its electrical resistance. This change in resistance, which is usually measured with a Wheatstone bridge, is related to the elongation caused by the quantity known as the elongation factor. A strain gauge uses the physical property of electrical conductivity and its dependence on the geometry of the conductor. When an electrical conductor is stretched within the limits of its elasticity so that it does not break or permanently deform, it becomes narrower and longer, which increases its electrical resistance from end to end. Conversely, when a conductor is compressed so that it is not kinked, it widens and shortens, reducing its electrical resistance from end to end. The level of the induced voltage can be deduced from the measured electrical resistance of the strain gauge. A typical strain gauge arranges a long, thin conductive strip in a meandering shape, a zigzag pattern of parallel lines. This does not increase the sensitivity, since the percentage change in resistance for a given elongation is the same for the entire zigzag line as for a single conductor track. A single linear conductor would have to be extremely thin, which could cause it to overheat. This would change its resistance and it would expand. Or the track would have to operate at a much lower voltage, which would make it difficult to accurately measure changes in resistance.
Das Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper, auch Target genannt, durch Beschuss mit energiereichen Ionen, vorwiegend Edelgasionen, herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen.Sputtering, also known as cathode atomization, is a physical process in which atoms are released from a solid body, also known as a target, by bombarding them with high-energy ions, predominantly noble gas ions, and then change into the gas phase.
Bei einem Kraftmesssensor, der im Wesentlichen eine zylindrische Form mit mindestens einer Stirnfläche und/oder einer Mantelfläche aufweist, wobei die mindestens eine Stirnfläche und/oder die Mantelfläche mäanderförmig verlaufende Dehnungsmittel aufweisen, handelt es sich um einen Kraftmesssensor, der auf Dünnschichtsensortechnologie basiert und der das Messverfahren von Dehnungsmessstreifen nutzt. Beispielhaft und nicht limitierend sind die Dehnungsmittel direkt auf die Stirnseite und zur Temperaturkompensation auch auf die Mantelfläche eines kleinen Zylinders aus Stahl beschichtet. Der Kraftmesssensor wird mit leichtem Übermaß in die Durchgangsausnehmung der Gehäuseanordnung eingepresst und erfährt so die gleiche Dehnung wie das umgebende Material. Die Dünnschichtsensortechnologiefunktionalität wird in der Regel durch eine Submikrometer-dünne, dehnungsempfindliche Metallbeschichtung realisiert, die durch Mikrobearbeitung strukturiert wird. Diese Messstruktur ermöglicht eine kontinuierliche Kraft- und Drehmomentmessung während des Betriebs. Durch diese Messtechnik ist es beispielsweise möglich Drehmoment sehr schnell und genau zu bestimmen. Insbesondere handelt es sich um ein Mehrschichtsystem aus Isolationsbeschichtung und dehnungsempfindlicher Metallbeschichtung, insbesondere mittels PVD-Verfahren, physical vapour deposition-Verfahren. Anders als bei Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung wird mithilfe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt. Das gasförmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt, wo es kondensiert und die Zielschicht bildet. Besonders bevorzugt für gute Messergebnisse, jedoch nicht limitierend, handelt es sich bei der im Wesentlichen zylindrischen Form des Kraftmesssensors um einen Bolzen, mit bevorzugt acht Millimeter Durchmesser und beispielhaft einer Länge von zwanzig Millimeter. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass die zylindrische Grundstruktur teilweise Abweichungen aufweisen kann, beispielsweise kleine Ausnehmungen. Möglich ist auch eine vollständig zylindrische Form.A force measuring sensor, which essentially has a cylindrical shape with at least one end face and / or a lateral surface, the at least one end face and / or the lateral surface having meandering expansion means, is a force measuring sensor that is based on thin-film sensor technology and that does Uses the measuring method of strain gauges. The stretching means directly on the face and for temperature compensation also on the are exemplary and not limiting Coated outer surface of a small steel cylinder. The force measuring sensor is pressed into the through recess of the housing arrangement with a slight oversize and thus experiences the same expansion as the surrounding material. The thin-film sensor technology functionality is usually realized by a submicrometer-thin, stretch-sensitive metal coating that is structured by micromachining. This measuring structure enables a continuous force and torque measurement during operation. This measurement technology makes it possible, for example, to determine torque very quickly and precisely. In particular, it is a multi-layer system comprising an insulation coating and a stretch-sensitive metal coating, in particular by means of the PVD process, physical vapor deposition process. In contrast to chemical vapor deposition processes, physical processes are used to convert the starting material into the gas phase. The gaseous material is then fed to the substrate to be coated, where it condenses and forms the target layer. Particularly preferred for good measurement results, but not limiting, the essentially cylindrical shape of the force measuring sensor is a bolt, preferably with a diameter of eight millimeters and, for example, a length of twenty millimeters. In this context, essentially means that the cylindrical basic structure can partially have deviations, for example small recesses. A completely cylindrical shape is also possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass einer oder mehrere Widerlagerkörper Wälzkörper sind. Wälzkörper sind beispielsweise aus Wälzlagern bekannt als Kugeln, Rollen, Zylinderrollen, Nadeln, Kegel oder andere Rotationskörper aus Stahl, Keramik oder speziellen, extra harten Kunststoffen, die als Elemente eines Wälzlagers oder einer Linearwälzführung die Reibung zwischen den verschiedenen Komponenten des Lagers oder der Führung erheblich reduzieren und damit die relative Bewegung verschiedener Maschinenelemente zueinander extrem erleichtern. Wegen der völlig anderen Anwendungsform ist es somit fernliegend auf Wälzkörper zurückzugreifen. Es hat sich herausgestellt, dass Wälzkörper besonders als Widerlagerkörper geeignet sind, da hochpräzise Herstellungsverfahren für Wälzkörper existieren und der radiale Spalt somit optimal eingestellt werden kann. Insbesondere können die Wälzkörper aus Chromstahl gefertigt sein. Dieser Werkstoff ist sehr hart, aber leicht rostend, mit Bezug auf die bevorzugte Stahlsorte 100Cr6; einem Stahl mit einem Gehalt von circa einem Gewichtsprozent Kohlenstoff und etwa anderthalb Gewichtsprozent Chrom. Weitere Stähle sind zum Beispiel 100CrMnSi6-4 und 100CrMo7, wobei die Legierungselemente Mangan und Molybdän der besseren Durchhärtbarkeit dienen. Wegen der Rostanfälligkeit ist die Nutzung eines Deckelelements besonders bevorzugt. Für Anwendungen in korrosiver Umgebung können auch die hochlegierten Stähle X65Cr13 und X30CrMoN15-1 verwendet werden.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that one or more abutment bodies are rolling bodies. Rolling bodies are known, for example, from rolling bearings as balls, rollers, cylindrical rollers, needles, cones or other rotating bodies made of steel, ceramic or special, extra hard plastics, which, as elements of a rolling bearing or a linear roller guide, significantly reduce the friction between the various components of the bearing or the guide reduce and thus extremely facilitate the relative movement of different machine elements to each other. Because of the completely different form of application, it is therefore far away to resort to rolling elements. It has been found that rolling bodies are particularly suitable as abutment bodies, since high-precision manufacturing processes for rolling bodies exist and the radial gap can thus be optimally adjusted. In particular, the rolling elements can be made of chrome steel. This material is very hard, but easily rusts, compared to the preferred steel grade 100Cr6; a steel with a content of about one percent by weight carbon and about one and a half percent by weight chromium. Other steels are, for example, 100CrMnSi6-4 and 100CrMo7, with the alloying elements manganese and molybdenum serving to improve hardenability. Because of the susceptibility to rust, the use of a cover element is particularly preferred. The high-alloy steels X65Cr13 and X30CrMoN15-1 can also be used for applications in a corrosive environment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung zwischen mindestens einem Kraftmesssensor und mindestens einem Widerlagerkörper eine Abstandseinrichtung aufweist, um den Widerlagerkörper belastungsfrei zum Kraftmesssensor widerzulagern. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung im Übergangsbereich von einem größeren Durchmesser auf einen kleinen Durchmesser eine Stufe als Abstandseinrichtung aufweist, um den Widerlagerkörper widerzulagern. Zweck dieses Merkmals ist, dass die Messgenauigkeit des Kraftmesssensors nicht beeinträchtigt wird.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the at least one through recess between at least one force measuring sensor and at least one abutment body has a spacing device in order to abut the abutment body in a load-free manner relative to the force measuring sensor. For example, it can be provided that the at least one through recess in the transition area from a larger diameter to a small diameter has a step as a spacer device in order to counter the abutment body. The purpose of this feature is that the measuring accuracy of the force measuring sensor is not impaired.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Durchgangsausnehmung an einem oder an beiden Enden ein Deckelelement aufweist, das vorzugsweise derart zweistufig ausgebildet ist, dass ein Innendurchmessersegment in den Durchmesser, vorzugsweise den größeren Durchmesser, der Durchgangsausnehmung eingreift und dass ein einen noch größeren Durchmesser aufweisendes Außendurchmessersegment auf einer Außenfläche der Gehäuseanordnung aufliegt. Somit kann einerseits sichergestellt werden, dass der Widerlagerkörper nicht aus der Durchgangsausnehmung herausfällt. Zudem kann kein Schmutz in die Durchgangsausnehmung eindringen. Das Deckelelement kann kraft- und/oder formschlüssig, und insbesondere lösbar, mit der Gehäuseanordnung verbunden werden, um stets auf den Kraftmesssensor und/oder den Widerlagerkörper zugreifen zu können.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the at least one through recess has a cover element at one or both ends, which is preferably designed in two stages such that an inner diameter segment engages in the diameter, preferably the larger diameter, of the through recess and that a Even larger diameter outer diameter segment rests on an outer surface of the housing arrangement. Thus, on the one hand, it can be ensured that the abutment body does not fall out of the through recess. In addition, no dirt can penetrate into the passage recess. The cover element can be connected non-positively and / or positively, and in particular releasably, to the housing arrangement in order to always be able to access the force measuring sensor and / or the abutment body.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäuseanordnung eine oder mehrere Durchgangsöffnungen und/oder eine oder mehrere Nuten aufweist, um über dieses oder diese mit einem Bauteil verbunden zu werden, und/oder um über dieses oder diese einen Kraftfluss zur Kraftdetektion einzustellen. Einerseits ist die Gehäuseanordnung mit dem zu prüfenden Bauteil zu verbinden. Eine Verbindung über eine oder mehrere Durchgangsöffnungen und/oder eine oder mehrere Nuten beeinträchtigen das Messergebnis nicht nachteilig. Andererseits können über die Position der Verbindung dieser Komponenten auch die Kraftflüsse eingestellt werden, sodass die Messqualität verbessert und die Überlastsicherung erreicht werden kann.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the housing arrangement has one or more through openings and / or one or more grooves in order to be connected to a component via this or these and / or to set a flow of force for force detection via this or them . On the one hand, the housing arrangement must be connected to the component to be tested. A connection via one or more through openings and / or one or more grooves does not adversely affect the measurement result. On the other hand, the force flows can also be adjusted via the position of the connection between these components, so that the measurement quality can be improved and overload protection can be achieved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Kraftsensorsystem mindestens zwei Widerlagerkörper in einer Durchgangsausnehmung aufweist,
die vorzugsweise sich entlang der Durchgangsausnehmung gegenüberliegend angeordnet sind, und/oder
die insbesondere den Kraftmesssensor entlang der Durchgangsausnehmung an jeweils einem Ende umgeben. Somit können Deformationen in zwei zueinander gegensätzlichen Richtungen durch den jeweils anderen Widerlagerkörper ausgeglichen werden. Dies erhöht die Robustheit und somit die Messqualität des Kraftsensorsystems.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the force sensor system has at least two abutment bodies in a through recess,
which are preferably arranged opposite one another along the through recess, and / or
which in particular surround the force measuring sensor along the passage recess at one end each. Deformations in two mutually opposite directions can thus be compensated for by the respective other abutment body. This increases the robustness and thus the measurement quality of the force sensor system.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gehäuseanordnung für ein Kraftsensorsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Merkmale, gekennzeichnet durch die Merkmale der Gehäuseanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Merkmale.The invention further relates to a housing arrangement for a force sensor system according to at least one of the preceding features, characterized by the features of the housing arrangement according to at least one of the preceding features.
Vorzugsweise ist die Gehäuseanordnung quaderförmig ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass die vorgenannten Merkmale bei einer Quaderform besonders gut realisiert werden können. Allerdings sind auch andere Formen für die Gehäuseanordnung möglich.The housing arrangement is preferably designed in the shape of a cuboid. It has been found that the aforementioned features can be implemented particularly well in the case of a cuboid shape. However, other shapes for the housing arrangement are also possible.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraftmesssensor für ein Kraftsensorsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Merkmale, gekennzeichnet durch die Merkmale des Kraftmesssensor nach mindestens einem der vorhergehenden Merkmalen.The invention further relates to a force measuring sensor for a force sensor system according to at least one of the preceding features, characterized by the features of the force measuring sensor according to at least one of the preceding features.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
-
1 : einen Längsschnitt durch ein Kraftsensorsystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Gehäuseanordnung, einem Kraftmesssensor und einem Widerlagerkörper, wobei im Bereich des Widerlagerkörpers eine Belastung auf die Gehäuseanordnung wirkt; -
2 : einen Längsschnitt durch ein Kraftsensorsystem gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Kraftsensorsystem gegenüber1 einen weiteren Widerlagerkörper aufweist, und mit einer andere Belastung beaufschlagt wird, die jeweils im Bereich des Widerlagerkörpers auf die Gehäuseanordnung wirkt; -
3 : eine perspektivische Ansicht eines Längsschnitts des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
4 : eine perspektivische Ansicht des gesamten Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
5 : eine symbolische Detailansicht des Längsschnitts des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich des Widerlagerkörpers; -
6 : eine perspektivische Ansicht des Kraftsensorsystems gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, montiert zwischen zwei Bauteilen; -
7 : mehrere Ansichten von Kraftsensorsystemen gemäß unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Kraftsensorsysteme unterschiedliche Durchgangsöffnungen und/oder Nuten aufweisen; -
8 : eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber der1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor; -
9 : eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber den1 und8 abweichend angeordneten Kraftmesssensor; -
10 : eine perspektivische und eine Schnittansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor und mit einer abweichenden Kabelverbindung; und -
11 : eine Schnittansicht eines Kraftsensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit einem gegenüber1 abweichend angeordneten Kraftmesssensor.
-
1 : a longitudinal section through a force sensor system according to a first preferred embodiment of the invention, with a housing arrangement, a force measuring sensor and an abutment body, a load acting on the housing arrangement in the area of the abutment body; -
2 : a longitudinal section through a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, the force sensor system opposite1 has a further abutment body and is subjected to a different load which acts on the housing arrangement in the region of the abutment body; -
3 : a perspective view of a longitudinal section of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention; -
4th : a perspective view of the entire force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention; -
5 : a symbolic detailed view of the longitudinal section of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention in the area of the abutment body; -
6th : a perspective view of the force sensor system according to the first preferred embodiment of the invention, mounted between two components; -
7th : several views of force sensor systems according to different preferred embodiments of the invention, the force sensor systems having different through openings and / or grooves; -
8th : a perspective view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with one opposite to FIG1 differently arranged force measuring sensor; -
9 : a perspective view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with one opposite to the1 and8th differently arranged force measuring sensor; -
10 : a perspective and a sectional view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with one opposite1 differently arranged force measuring sensor and with a different cable connection; and -
11 : a sectional view of a force sensor system according to an alternative preferred embodiment of the invention, with an opposite1 differently arranged force measuring sensor.
Die
eine Gehäuseanordnung 12 mit mindestens einerDurchgangsausnehmung 14 , die mindestens einen DurchmesserD1 aufweist, um mindestens einen Kraftmesssensor16 aufzunehmen;mindestens einen Kraftmesssensor 16 , der in dermindestens einen Durchgangsausnehmung 14 angeordnet ist; undmindestens einen Widerlagerkörper 18 , der in dermindestens einen Durchgangsausnehmung 14 angeordnet ist,wobei das Kraftsensorsystem 10 zwischen demmindestens einen Widerlagerkörper 18 und der Durchgangsausnehmung14 radiales SpielRS aufweist.
- a housing assembly
12th with at least one through recess14th that have at least one diameterD1 has to at least oneforce measuring sensor 16 record; - at least one
force measuring sensor 16 , in the at least one through recess14th is arranged; and - at least one abutment body
18th , in the at least one through recess14th is arranged, wherein theforce sensor system 10 between the at least one abutment body18th and the through hole14th radial playRS having.
Die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen des Kraftsensorsystems
der mindestens eine Kraftmesssensor
der mindestens eine Widerlagerkörper
the at least one
the at least one abutment body
Der Kraftmesssensor
Gemäß einer bevorzugten und nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren
Demgegenüber in den offenbarten Figuren dargestellt, wenn auch nur bevorzugt und nicht limitierend, dass ein oder mehrere Kraftmesssensoren
Dabei ist gemäß den dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass die Widerlagerkörper
Besonders in
Weiterhin ist das beispielhafte Ausführungsbeispiel in den
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gehäuseanordnung
Beispielhaft in
die vorzugsweise sich entlang der Durchgangsausnehmung
die insbesondere den Kraftmesssensor
which preferably extends along the through recess
which in particular the
In den Figuren ist beispielhaft dargestellt, dass die Gehäuseanordnung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- KraftsensorsystemForce sensor system
- 1212th
- GehäuseanordnungHousing arrangement
- 1414th
- DurchgangsausnehmungThrough recess
- 1616
- KraftmesssensorForce measuring sensor
- 1818th
- WiderlagerkörperAbutment body
- 2020th
- StirnflächeFace
- 2222nd
- MantelflächeOuter surface
- 2424
- AbstandseinrichtungSpacer
- 2626th
- DeckelelementCover element
- 2828
- InnendurchmessersegmentInside diameter segment
- 3030th
- AußendurchmessersegmentOutside diameter segment
- 3232
- Außenfläche der GehäuseanordnungOuter surface of the housing assembly
- 3434
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 3636
- NutGroove
- 3838
- BauteilComponent
- 4040
- Kabelverbindung Cable connection
- D1D1
- kleiner Durchmessersmall diameter
- D2D2
- größerer Durchmesserlarger diameter
- RSRS
- radiales Spielradial play
- BB.
- Belastungload
Claims (10)
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EP21712023.7A EP4118406A1 (en) | 2020-03-10 | 2021-03-02 | Force sensor system with overload protection |
PCT/DE2021/100211 WO2021180270A1 (en) | 2020-03-10 | 2021-03-02 | Force sensor system with overload protection |
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Family Applications (1)
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- 2020-03-10 DE DE102020106427.6A patent/DE102020106427A1/en active Pending
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- 2021-03-02 WO PCT/DE2021/100211 patent/WO2021180270A1/en unknown
- 2021-03-02 EP EP21712023.7A patent/EP4118406A1/en active Pending
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP4118406A1 (en) | 2023-01-18 |
WO2021180270A1 (en) | 2021-09-16 |
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