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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen, basierend auf einem Metallkissen. Des Weiteren werden ein elastisches Lager und ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an Metallkissen beschrieben.
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Allgemein ist es in vielen Anwendungsfällen sinnvoll, die Belastungen von elastischen Lagern zu erfassen, zum Beispiel während der Montage zur Einstellung von Steifigkeiten und zum Nivellement, aber auch im Betrieb, zur Überwachung oder zur aktiven Kontrolle. Gängig sind dazu in den elastischen Lagern integrierte Kraftsensoren. Diese nutzen in der Regel entweder den Piezoeffekt oder eine Änderung des elektrischen Widerstands bei der Verformung von Messtreifen (DMS). Diese Kraftsensoren werden in Reihe zu den elastischen Elementen verwendet und benötigen daher zusätzlichen Bauraum. Wegsensoren können bei bekannter Kraft-Weg-Kennlinie der elastischen Elemente ebenfalls zur Erfassung der Belastung verwendet werden und können auch parallel zu den elastischen Elementen verbaut werden, allerdings können durch diese Anordnung auch Messfehler entstehen. Bei dynamischen Messungen können außerdem auch Beschleunigungssensoren verwendet werden, allerdings sind diese prinzipienbedingt in der Belastungsbestimmung ebenfalls stark fehlerbehaftet, da sie genaue Kenntnis der mechanischen Lagereigenschaften voraussetzen. Alle diese bekannten Sensorlösungen sind daher häufig aufwändig in der Konstruktion, kostenintensiv oder fehleranfällig.
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Metallkissen sind in geometrische Formen gepresste Drahtgestricke, die unter anderem als elastische Lagerelemente verwendet werden können. Sie stellen daher in vielen Bereichen der Schwingungstechnik eine Alternative zu herkömmlichen Elastomerelementen dar. Anwendung finden sie beispielsweise in Schwingungsdämpfern oder Schwingungstilgern, als elastische Lagerung oder in der Lärmreduzierung. Eine solche Verwendung von Metallkissen in einem Schwingungsdämpfer ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2018 102 068 A1 bekannt, während die Druckschriften
DE 10 2017 211 733 A1 und
DE 4141 037 A1 die Verwendung von Metallkissen in elastischen Lagern offenbaren. Eine kennzeichnende Eigenschaft von Metallkissen ist, dass ihre Steifigkeit abhängig von einer Vorspannung ist, bedingt durch die Zunahme an Kontaktpunkten zwischen Drahtsegmenten bei höheren Belastungen. Durch diese Zunahme an Kontaktpunkten ändert sich jedoch auch der elektrische Widerstand, bzw. die elektrische Impedanz der Metallkissen. Dieser Effekt soll ausgenutzt werden, um die Belastung eines Metallkissens über eine Impedanzmessung direkt erfassen zu können und somit eine einfache Sensorik zu schaffen, die direkt in ein elastisches Element integriert werden kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es also, einen einfachen Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen vorzustellen, der ohne großen Konstruktionsaufwand in elastische Lager basierend auf Metallkissen integriert werden kann. Zusätzlich können mehrere solche Sensoren in einem elastischen Lager integriert werden. Außerdem wird ein Messverfahren vorgeschlagen, mit dem sich auf einfache Art und Weise eine mechanische Belastung an einem Metallkissen erfassen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ein entsprechendes elastisches Lager wird in Anspruch 14 und ein Verfahren zur Erfassung einer mechanischen Belastung an einem Metallkissen in dem unabhängigen Anspruch 17 beschrieben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen, umfasst
- ein Metallkissen, angeordnet zwischen
- einem ersten und einem zweiten Anschlussteil, wobei die Anschlussteile ausgelegt sind, eine mechanische Verformung des Metallkissens durch Belastungen zu ermöglichen,
- mindestens eine Isolationsschicht, die dazu ausgelegt ist, das Metallkissen nach außen zu isolieren,
- eine Messeinheit zur Messung einer Änderung einer elektrischen Impedanz des Metallkissens, und
- mindestens zwei Kontaktierungseinheiten, die das Metallkissen an mindestens zwei verschiedenen Stellen elektrisch kontaktieren und mit der Messeinheit verbinden,
sodass Belastungen auf Grund der Änderung der Impedanz des Metallkissens durch die Verformung des Metallkissens erfasst werden können.
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Der grundlegende mechanische Aufbau des Sensors unterscheidet sich nicht groß von einem elastischen Lagerelement, in dem ein Metallkissen verwendet wird: Zwischen zwei Anschlussteilen, die verschiedene Formen, wie zum Beispiel die einer Basisplatte und eines Deckels, haben können, befindet sich ein Metallkissen. Je nach Ausführungsform können die Anschlussteile aus unterschiedlichen, elektrisch leitenden oder nicht leitenden, Materialien bestehen. Die Anschlussteile dienen zum Einbau des Sensors/des Lagers, und ermöglichen eine Verformung des Metallkissens, wenn dieses eine Belastung über die Anschlussteile erfährt. Je nach Anwendung können die Anschlussteile auch so beschaffen sein, dass sich über sie eine Vorspannung des Metallkissens einstellen lässt.
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Das Metallkissen ist ein in Form gepresstes Gestrick aus metallischen Drähten. Die Form des Kissens kann dabei beliebig gewählt werden, gängig sind unter anderem zylinder-, ring- oder quaderförmige Kissen, es können jedoch auch speziell auf Anwendungen abgestimmte Formen gewählt werden. Metallkissen haben elastische Eigenschaften, da die Drähte in zufälliger oder geordneter Weise Knicke oder Biegungen um mehrere Achsen aufweisen und so einzeln als ungerichtete schwache Federn wirken. Die Drähte berühren sich dabei an Kontaktpunkten. Wird das Metallkissen komprimiert, erhöht sich die Anzahl dieser Kontaktpunkte. Das Metallkissen kann so als Ganzes als Federkörper mit einer wesentlich homogenen Materialverteilung betrachtet werden. Die einzelnen Drähte, und somit auch das gesamte Metallkissen, sind elektrisch leitend. Es besitzt also einen elektrischen Widerstand. Dieser ist stark von der Anzahl der Kontaktpunkte abhängig, eine Erhöhung der Anzahl der Kontaktpunkte durch eine mechanische Belastung des Metallkissens verringert also dessen Widerstand. Ebenso ändert sich das frequenzabhängige induktive und kapazitive Verhalten des Metallkissens durch die Verformung der Drähte und Änderung der Anzahl der Kontaktpunkte, sodass sich auch eine Änderung der elektrischen Impedanz des Metallkissens messen lässt.
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Im Folgenden wird allgemein der Begriff Impedanz verwendet. Es ist jedoch zu verstehen, dass sich sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Impedanz des Metallkissens durch Belastung ändern und daher geeignet sind, die Belastung zu erfassen.
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Wenn der Sensor die Form einer Stapelung aus ersten Anschlussteil, Metallkissen und zweiten Anschlussteil hat, kann der Sensor zur Erfassung von Belastungen, die in dieser longitudinalen Richtung wirken, dienen. Durch eine geeignete Wahl der Form von Anschlussteilen und Metallkissen lassen sich auch Belastungen in anderen Richtungen erfassen. Auf diese Weise lassen sich also mechanische Belastungen durch eine Impedanzmessung an dem Metallkissen erfassen.
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Zu diesem Zweck wird das Metallkissen durch mindestens zwei Kontaktierungseinheiten mit einer Messeinheit verbunden. Über die Kontaktierungseinheiten kann ein Strom durch das Metallkissen geleitet werden. Die Kontaktierungseinheiten können verschiedene herkömmliche Verbindungselemente zur Herstellung eines elektrischen Kontakts, wie zum Beispiel Drähte, Kabel, Klemmen, Schrauben und Kontaktstifte umfassen. Ebenso sind nicht lösbare Kontakte wie Löt-, Schweiß- oder Pressverbindungen denkbar. Da das Metallkissen beweglich gelagert ist, bietet sich auch ein rein mechanischer Gleitkontakt zwischen dem Metallkissen und zwei Kontaktierungsschichten an. Das Metallkissen wird an mindesten zwei verschiedenen Stellen kontaktiert, sodass sich die Impedanz des gesamten Metallkissens oder eines Abschnitt des Metallkissens erfassen lässt. Zu diesem Zweck bieten sich zur Kontaktierung beispielsweise Ober- und Unterseite des Metallkissens oder zwei gegenüberliegende Punkte auf der Oberfläche des Metallkissens an.
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Bei der Messeinheit kann es sich um ein herkömmliches Messgerät zur Impedanzmessung, beispielweise ein LCR-Messgerät oder ein Impedanzanalysator, handeln. Die Impedanz kann als Funktion der Frequenz gemessen werden. Wird Gleichstrom verwendet, so ist eine einfache Widerstandsmessung, beispielsweise durch ein Multimeter, ausreichend. Die grundlegende Auswerteelektronik kann also relativ einfach aufgebaut sein. Die Messeinheit kann jedoch auch eine spezialisierte Elektronik aufweisen, die in der Lage ist weitere Funktionen auszuführen.
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Um parasitäre Effekte zu minimieren, ist eine Isolation des Sensors notwendig. Dazu dient mindestens eine Isolationsschicht, die den Sensor nach außen, also gegenüber umgebenden, elektrisch leitendend Bauteilen, isoliert. So werden parasitäre Nebenschlüsse vermieden, die die Impedanzmessung verfälschen. Die Isolationsschicht kann dabei verschiedene Formen annehmen und an unterschiedlichen Positionen im Sensor angebracht sein, so lange sie das Metallkissen gegen Bauteile, die nicht Teil des Sensors sind, isoliert, und gleichzeitig eine Kontaktierung des Metallkissens zur Impedanzmessung ermöglicht. Zu diesem Zweck kann die Isolationsschicht zum Beispiel als Kapsel um den gesamten Sensor angelegt sein.
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Die mindestens eine Isolationsschicht kann auch als isolierende Beschichtung oder Lackierung auf die Anschlussteile aufgebracht sein. Je nach Form der Anschlussteile und nach Art der Kontaktierungseinheiten kann die Isolationsschicht auf den dem Metallkissen abgewandten Oberflächen der Anschlussteile als isolierendes Material aufgetragen sein. In diesem Fall können die Anschlussteile leitend mit dem Metallkissen verbunden sein und Funktionen im Rahmen der Kontaktierungseinheiten übernehmen, das Metallkissen ist jedoch dennoch gegen äußere Bauteile isoliert. Bestehen die Anschlussteile aus einem elektrisch isolierenden Material, so kann die Isolationsschicht einteilig mit den Anschlussteilen ausgebildet sein. Die Isolationsschicht kann auch auf den dem Metallkissen zugewandten Oberflächen der Anschlussteile als isolierendes Material aufgetragen sein. In diesem Fall ist das Metallkissen bereits gegen die Anschlussteile isoliert und es müssen entsprechend angepasste Kontaktierungseinheiten verwendet werden.
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Das Metallkissen kann ringförmig ausgebildet sein. Diese Form ist gängig und ermöglicht beispielsweise das Metallkissen um eine Vorspannungseinrichtung bestehend aus einer Stellschraube anzuordnen. Bei einem ringförmigen Metallkissen kann die elektrische Kontaktierung über die Kontaktierungseinheiten beispielweise an der Innenseite des Rings und an der Außenseite des Rings erfolgen.
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Ein ringförmiges Metallkissen ermöglicht auch eine radiale Ausführung des Sensors. In dieser ist ein ringförmiges Metallkissen zwischen einem ersten Anschlussteil, das sich durch die zentrale Öffnung des Metallkissens erstreckt, und einem zweiten Anschlussteil, das die Innenoberfläche eines Zylinders beschreibt, angeordnet. Ein erstes Anschlussteil kann beispielsweise ein Bolzen sein, ein zweites Anschlussteil der innere Mantel einer Lagerbuchse. Mit dieser Anordnung lassen sich radiale Belastungen erfassen. Eine Isolationsschicht kann dann beispielsweise auf der Außenseite der Buchse aufgetragen sein.
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Die Kontaktierungseinheiten können eine erste Kontaktierungsschicht an dem ersten Anschlussteil und eine zweite Kontaktierungsschicht an dem zweiten Anschlussteil umfassen. Die Kontaktierungsschichten bestehen aus einem elektrisch leitenden Material und sind fest oder lösbar mit dem Metallkissen in Kontakt, so dass eine leitende Verbindung zwischen dem Metallkissen und der Messeinheit hergestellt ist. Die Kontaktierungsschichten können mechanisch an den Anschlussteilen befestigt sein oder auf diese aufgebracht sein.
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Die mindestens eine Isolationsschicht kann als isolierende Beschichtung auf von dem Metallkissen abgewandten Oberflächen der Kontaktierungsschichten aufgebracht sein. Diese isolierenden Beschichtungen können beispielweise als Zwischenschicht zwischen Kontaktierungsschichten und Anschlussteilen angeordnet sein.
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Insbesondere können die Kontaktierungsschichten einteilig mit den Anschlussteilen ausgebildet sein. Die Anschlussteile müssen dazu aus einem leitfähigen Material bestehen, oder zumindest leitfähige Bereiche aufweisen. De Anschlussteile können dann zum Beispiel über Kabel mit der Messeinheit verbunden werden und stellen so eine elektrische Verbindung zwischen Metallkissen und Messeinheit her. Die Isolationsschicht muss in diesem Fall die Anschlussteile nach außen isolieren und kann dazu beispielweise als Lackierung auf die Außenseiten der Anschlussteile aufgetragen sein.
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Die Kontaktierungsschichten können segmentiert ausgeführt sein. Einzelne Segmente können über weitere Kontaktierungseinheiten kontaktiert werden, sodass Impedanzmessungen zwischen verschiedenen Segmenten möglich sind. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel bei einem stapelförmigen Sensor aus ersten Anschlussteil, segmentierter erster Kontaktschicht, Metallkissen, segmentierter zweiter Kontaktschicht und zweiten Anschlussteil Belastungen, die entlang der longitudinalen Achse des Sensors wirken, genauer auflösen und zusätzlich auch Belastungen, die senkrecht dazu wirken und Scherungen oder Verkippungen erzeugen, erfassen.
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Die Kontaktierungseinheiten können dazu ausgelegt sein, eine Vierleitermessung zu ermöglichen. So kann die Impedanz der Kontaktierungseinheiten, beispielsweise von Verbindungen und Anschlüssen, kompensiert werden. Vorteilhaft ist dazu die Verwendung von Koaxialkabeln.
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Der Sensor kann zusätzlich eine lineare Feder umfassen, die ebenfalls zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussteil angeordnet ist. Bei einer stapelförmigen Anordnung der Bauteile kann es sich zum Beispiel um eine Spiralfeder handeln, die das Metallkissen umgibt. Bei einer radialen Anordnung der Bauteile kann es sich beispielweise um eine Radial-Feder handeln, die ebenso wie das Metallkissen zwischen inneren, ersten und äußeren, zweiten Anschlussteil angeordnet ist. Durch eine solche Feder kann eventuelles nichtlineares Verhalten des Metallkissens ausgeglichen werden.
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Der Sensor kann dazu ausgelegt sein, eine Kompensation von Temperaturänderungen des Metallkissens durchzuführen. Zu diesem Zweck kann der Sensor einen Temperatursensor an dem Metallkissen umfassen, der mit der Messeinheit verbunden ist. Diese kann dazu ausgelegt sein, die Impedanzmessung anhand von hinterlegten Kennlinien zu kompensieren. Durch eine solche Kompensation kann beispielweise eine Erwärmung des Metallkissens durch den zur Impedanzmessung verwendeten Messstrom ausgeglichen werden, damit sich die Temperaturveränderung nicht auf die Impedanz auswirkt und somit zu Fehlern in der Erfassung der Belastung führt.
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Da es sich bei Metallkissen um Bauteile handelt, die auf eine Belastung nichtlinear antworten, kann es sinnvoll sein, wenn die Messeinheit dazu ausgelegt ist, die Impedanzmessung zu linearisieren. Dies kann über eine geeignete Elektronik in der Messeinheit geschehen.
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Die Messeinheit kann außerdem dazu ausgelegt sein, die Impedanzmessung über einen großen Frequenzbereich auszuführen, um eine genauere Auswertung zu ermöglichen und weitere Informationen über den Zustand des Metallkissens zu erhalten.
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Ein Vorteil des beschriebenen Sensors ist, dass der Sensor in seinem Aufbau weitestgehend einem elastischen Lager mit Metallkissen entspricht und sich daher mit geringem Zusatzaufwand in solche Lagerelemente integrieren lässt. Da der Sensor sich direkt im Lastpfad befindet, lässt sich also auch die anliegende mechanische Belastung direkt erfassen.
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Ein elastisches Lager umfasst mindestens einen beschriebenen Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen. Es kann sich insbesondere um ein Elastomerlager handeln. Durch eine Verwendung mehrerer Sensoren kann eine genaue und räumlich aufgelöste Erfassung der Belastung des Lagers erfolgen. Durch die Überwachung der mechanischen Belastung lässt sich so ein sicherer Einsatz des elastischen Lagers gewährleisten.
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Zusätzlich zu dem mindestens einen Sensor kann ein elastisches Lager mindestens einen zweiten Sensor umfassen, der zu dem ersten Sensor antagonistisch angeordnet ist. Durch die Verwendung von zwei Sensoren mit zueinander antagonistisch agierenden Metallkissen, von den zum Beispiel eines durch die Belastung gedehnt wird, während das andere komprimiert wird, können Nichtlinearitäten ausgeglichen werden und Temperaturveränderungen kompensiert werden. Bei der Verwendung von mehr als zwei Sensoren können diese in antagonistischen Paaren angeordnet sein.
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Ein elastisches Lager kann weitere zusätzliche Sensoren zur Erfassung mechanischer Belastungen enthalten. Diese können in räumlich unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein, so kann eine verbesserte Erfassung von Belastungen in mehreren Dimensionen ermöglicht werden. Beispielsweise können die Sensoren mit ihren Achsen senkrecht zueinander angeordnet sein, oder rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sein.
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Ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an einem Metallkissen umfasst die Schritte
Kontaktierung des Metallkissens zur Verbindung mit einer Messeinheit zur Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens,
Verformung des Metallkissens durch Belastung,
Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens,
Erfassung der Belastung des Metallkissens auf Grund der Änderung der Impedanz.
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Das Metallkissen muss für dieses Verfahren nicht in Form eines Sensors verbaut sein. Es kann stattdessen beispielsweise in einem Lagerelement verbaut sein und die Bestimmung der Belastung dient zur Einstellung des Lagers durch eine Vorspannung. Ebenso kann das Verfahren bei der Herstellung von Metallkissen angewendet werden, wenn eine bestimmte Belastung gewünscht ist, um ein Metallkissen in Form zu pressen.
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Je nach Anwendung muss eine geeignete Möglichkeit zum Kontaktieren des Metallkissens verwendet werden. Dazu bieten sich lösbare Verbindungen wie Klemmen oder Schraubverbindungen an. Je nachdem ob eine Impedanzmessung unter Wechselstrom oder eine Widerstandsmessung unter Gleichstrom verwendet wird, muss eine entsprechende Messeinheit verwendet werden.
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Durch die Belastung wird das Metallkissen verformt und seine Impedanz verändert sich. Durch die Messung dieser Änderung kann die Belastung erfasst werden.
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Auch bei diesem Verfahren sollten parasitäre Effekte durch Nebenschlüsse vermieden werden.
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Die Impedanzmessung kann durch eine Vierleitermessung erfolgen, um die Impedanz der Kontaktzuleitungen auszugleichen.
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Da es sich bei Metallkissen um Bauteile handelt, die auf nichtlineare Weise auf Belastungen antworten, kann es sinnvoll sein, die gemessene Änderung der Impedanz zu linearisieren, um die tatsächliche Belastung des Metallkissens zu bestimmen.
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Die Messung der Änderung der Impedanz kann über einen großen Frequenzbereich erfolgen, um eine genauere Auswertung zu ermöglichen und weitere Informationen über den Zustand des Metallkissens zu erhalten.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Gegenstände der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und so einen einfachen und bauraumsparenden Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen auf Basis von Metallkissen, ein elastisches Lager, das solche Sensoren integriert, sowie ein allgemeines Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an Metallkissen zu bieten.
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Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
- 1a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung des Sensors ist,
- 1b ein Querschnitt der schematischen Darstellung in 1a ist,
- 2a eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführung eines Sensors ist,
- 2b eine Draufsicht auf den Sensor aus 2a, ist
- 2c einen Querschnitt entlang der Achse A-A in 2b darstellt,
- 3a eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführung eines Sensors ist,
- 3b eine Draufsicht auf den Sensor aus 3a, ist
- 3c einen Querschnitt entlang der Achse B-B in 3b darstellt,
- 4 Diagramme von Messungen des Sensors in einer Zug-Druck-Prüfmaschine zeigen,
- 5a eine Seitenansicht eines Sensors mit einer umgebenden Spiralfeder zeigt,
- 5b eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer umgebenden Spiralfeder zeigt, und
- 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines Sensors ist,
- 7 eine Explosionsdarstellung eines Sensors mit segmentierten Kontaktierungsschichten ist,
- 8 eine schematische Darstellung zur Verwendung des Verfahrens bei der Einstellung eines elastischen Lagerelements ist.
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Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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In 1a und 1b ist eine erst Ausführung des Sensors 1 zur Veranschaulichung eines allgemeinen Aufbaus schematisch dargestellt. Der Sensor 1 ist in dieser Ausführung als ein vertikaler Stapel aus einem ersten Anschlussteil 3, einer Isolationsschicht 4, einer ersten Kontaktierungsschicht 5, einem Metallkissen 2, einer zweiten Kontaktierungsschicht 5, einer Isolationsschicht 5 und einem zweiten Anschlussteil 3 konzipiert. Dieser Aufbau entspricht ebenso dem Aufbau eines einfachen elastischen Lagers mit Metallkissen 2. Die Anschlussteile 3 dienen zum Einbau des Sensors, beispielsweise zwischen zwei Bauteilen. In dieser Ausführungsform handelt es sich, wie in 1b ersichtlich ist, um zwei einfache ringförmige Platten. Dabei müssen die Anschlussteile 3 gegeneinander beweglich sein, um eine mechanische Belastung durch eine äußere Kraft auf das Metallkissen 2 zu übertragen. Auch dieses ist in dieser Ausführung ringförmig dargestellt, ebenso wie die weiteren Bauteile. Die Form der Anschlussteile 3, Isolationsschichten 4, Kontaktierungsschichten 5 und des Metallkissens 2 kann jedoch beliebig gewählt werden, um an die Ansprüche der Nutzung des Sensors angepasst zu werden. Durch die Wahl von geeigneten Bauformen lassen sich verschiedene Belastungsrichtungen erfassen. Das Metallkissen 2 ist so zwischen den Anschlussteilen 3 angeordnet, dass es von diesen verformt werden kann. Eine erste und eine zweite Kontaktierungsschicht 5 sind über und unter dem Metallkissen an den entsprechenden Anschlussteilen 3 platziert. Die Kontaktierungsschichten 5 stehen in mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem Metallkissen. Durch die Isolationsschichten 4 sind die Kontaktierungsschichten 5 elektrisch von den Anschlussteilen 3 isoliert. Somit ist auch das Metallkissen 2 von den Anschlussteilen 3 und von weiteren, äußeren Bauteilen isoliert.
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Die beiden Kontaktierungsschichten 5 sind über je zwei Anschlüsse mit der Messeinheit 7 verbunden und bilden so jeweils eine Kontaktierungseinheit 6. Durch die Verwendung von vier Anschlüssen ist eine Impedanzmessung per Vierleitermessung möglich, sodass die Impedanzen von Anschlüssen und Leitern der Kontaktierungseinheiten 6 die Messung nicht verfälschen und lediglich die Impedanz des Metallkissens 2 gemessen werden kann, auch wenn dieses im Vergleich zu Anschlüssen und Leitungen eine kleine Impedanz besitzt. Als Leitungen für die Kontaktierungseinheiten sind beispielsweise Koaxialkabel geeignet. Die Messeinheit 7 ist dazu ausgelegt die Impedanz des Metallkissens 2 zu messen. Es kann sich beispielsweise um eine einfache Auswerteelektronik, ein LCR-Messgerät oder um einen Impedanzanalysator handeln. Die Messeinheit 7 leitet über die Kontaktierungseinheiten 6 einen bekannten Messstrom durch das Metallkissen 2. Bei einer reinen Widerstandsmessung wird hierfür Gleichstrom verwendet, zur Impedanzmessung Wechselstrom, auch in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung. Durch die Auswertung der Impedanz über einen großen Frequenzbereich lassen sich dabei weitere Informationen über Eigenschaften des Metallkissens 2, wie dessen Kapazität oder Induktivität, gewinnen. Die Messeinheit 7 kann weitere Funktionen besitzen, um beispielsweise die Messergebnisse zu linearisieren oder den Einfluss der Temperatur des Metallkissens 2 zu kompensieren. Durch den angelegten Messstrom, sowie durch äußere Einflüsse, kann sich das Metallkissen 2 erwärmen, was zu einer Änderung seines Impedanzverhaltens führen kann. Daher kann über einen Temperatursensor (nicht gezeigt), der die Temperatur des Metallkissens 2 erfasst, und eine in der Messeinheit 7 hinterlegte Temperatur-Impedanz-Kennlinie des Metallkissens 2 eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden.
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Wird der Sensor 1 über eines der beiden Anschlussteile 3 mechanisch belastet, so wird dadurch das Metallkissen 2 verformt. Durch eine Kraft, die die beiden Anschlussteile 3 aufeinander zu bewegt, wird das Metallkissen 2 komprimiert. Zwischen den einzelnen Drähten des Metallkissens 2 ergeben sich dadurch mehr Kontaktpunkte und die Impedanz des Metallkissens 2 sinkt. Werden die beiden Anschlussteile 3 auseinander bewegt, kann sich das Metallkissen ausdehnen, die Anzahl der Kontaktpunkte nimmt ab und die Impedanz nimmt zu. Durch eine Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens lässt sich also auf die mechanische Belastung des Sensors 1 schließen. Gleichzeitig entspricht der Sensor in seiner Bauform einem auf einem Metallkissen basierenden elastischen Lager, lässt sich also auch überall dort einsetzen, wo ein solches Lager verbaut wird.
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In 2a - 2c ist eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 dargestellt. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht eines dosenförmigen Sensors 1. In 2b ist eine Draufsicht auf den Sensor von oben gezeigt, in der eine Achse A-A markiert ist. 2c zeigt einen Querschnitt durch den Sensor entlang dieser Achse. Der Unterschied zwischen dieser Ausführung und der in 1 dargestellten Ausführung ist, dass in dieser Ausführung die Anschlussteile 3 selbst als Kontaktierungsschichten 5 zur Kontaktierung des Metallkissens 2 dienen. Die Anschlussteile 3 weisen Bohrungen auf, die zur Führung der Kabel 6 dienen. Über Madenschrauben 8 sind diese elektrisch leitend mit den Anschlussteilen verbunden, sodass ein Stromkreis über das Metallkissen 2 geschlossen wird. Als Isolierungsschicht 4 dient in dieser Ausführung eine Lackierung, die auf die Oberseite des oberen Anschlussteils, bzw. die Unterseite des unteren Anschlussteils aufgebracht ist.
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In 3a - 3c ist noch eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 dargestellt. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines radialen Sensors 1. In 3b ist eine Draufsicht auf den Sensor von oben gezeigt, in der eine Achse B-B markiert ist. 3c zeigt einen Querschnitt durch den Sensor entlang dieser Achse. In dieser Ausführungsform hat das Metallkissen 2 notwendigerweise die Form eines Rings. Ein erstes Anschlussteil 3 hat die Form eines Bolzens und erstreckt sich durch die zentrale Öffnung des ringförmigen Metallkissens 2. Von außen ist das Metallkissen 3 durch die zylindrische Innenfläche einer Bohrung oder Buchse eingefasst, die das zweite Anschlussteil 3 bildet. Die beiden Anschlussteile 3 sind elektrisch leitend und nach außen isoliert ausgeführt. Der Übersichtlichkeit halber sind die Kontaktierungseinheiten 6 in 3 nicht dargestellt. Durch das Metallkissen 2 sind die beiden Anschlussteile 3 zueinander beweglich gelagert. Durch eine Belastung, die auf ein Anschlussteil wirkt, kann also das Metallkissen 2 verformt werden, was sich als eine Impedanzänderung erfassen lässt. Auf diese Weise lassen sich radial wirkende Belastungen erfassen. Durch die Verwendung von mehreren Kontaktierungseinheiten 6 lässt sich auch die Richtung der Belastung erfassen.
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In 4 sind Messergebnisse eines Sensors der Ausführungsform, wie sie in 2 dargestellt ist, in einer Zug-Druck-Prüfmaschine dargestellt. In den Diagrammen auf der linken Seite sind die zeitlichen Verläufe des Weges, um den der Sensor durch die Prüfmaschine komprimiert wurde, der Kraft, die die Prüfmaschine dabei aufbrachte und des am Sensor gemessenen elektrischen Leitwerts, also des Kehrwerts des elektrischen Widerstands, dargestellt. Wie schon hier zu erkennen ist, verhalten sich Kraft und Weg dabei nicht vollständig synchron zueinander, da durch die innere Reibung im Metallkissen ein hysteresebehaftetes Verhalten entsteht und das Metallkissen zudem eine nichtlineare Steifigkeit besitzt. Dieser Zusammenhang ist auch in dem Weg-Kraft-Diagramm auf der rechten Seite unten zu erkennen. Der elektrische Leitwert des Metallkissens verhält sich jedoch weitestgehend proportional zur Belastung durch die Zug-Druck-Prüfmaschine. Für einen einzelnen Zyklus (Zusammenpressen-Entspannen) betrachtet, zeigt sich jedoch auch hier nichtlineares Verhalten, wie es die Weg-Leitwert- und Kraft-Leitwert-Diagramme auf der rechten Seite zeigen. Die Diagramme zeigen eine gewisse Hysterese. Daher kann es sinnvoll sein, die Impedanzmessung zu linearisieren. Möglich ist dies beispielsweise durch eine mathematische Annäherung in der Messeinheit.
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Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Nichtlinearitäten in der Messung ist in 5a und 5b gezeigt. 5a zeigt eine Seitenansicht des Sensors 1 und 5b eine perspektivische Ansicht. Es handelt sich um eine Ausführungsform des Sensors 1 mit einer umgebenden Spiralfeder 9. Durch die Verwendung einer sich im relevanten Belastungsbereich linear verhaltenden Spiralfeder wird das nichtlineare Verhalten des Metallkissens ausgeglichen. Ebenso lassen sich Radialfedern bei Ausführungsformen des Sensors wie in 3 oder andere lineare Feder bei anderen Ausführungsformen verwenden.
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Eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 ist in 6 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfassen die Kontaktierungseinheiten 6 keine zwei Kontaktierungsschichten 5. Das ringförmige Metallkissen 2 ist stattdessen auf seiner Innenseite direkt kontaktiert. Auf diese Weise kann die Impedanzmessung auf einer Seite des Lagers stattfinden, was je nach Anwendung und Bauform sinnvoll sein kann. Im Allgemeinen kann die Kontaktierung des Metallkissens 2 auf eine beliebig zu wählende Art und Weise erfolgen, beispielsweise über Klemmen oder Kontaktstifte. Dabei ist nur zu beachten, dass die Kontaktierungseinheiten 6 das Metallkissen an mindestens zwei verschiedenen Stellen kontaktieren und mit der Messeinheit 7 verbinden müssen, um eine Impedanzmessung zu ermöglichen. Durch die Wahl der Position der Kontaktierung auf dem Metallkissen 2 lassen sich verschiedene Belastungsrichtungen erfassen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Kontaktierung ist in 7 dargestellt. Es handelt sich um eine vereinfachte Explosionsdarstellung eines Sensors 1. Kontaktierungseinheiten 6 und eine Messeinheit 7 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Als Isolierungsschicht 4 dient wieder eine Lackierung, die auf die Oberseite des oberen Anschlussteils, bzw. die Unterseite des unteren Anschlussteils aufgebracht ist. In 7 sind die Kontaktierungsschichten 5 als mehrere Segmente auf den Anschlussteilen 3 aufgebracht. Diese Segmente können jeweils einzeln kontaktiert werden und ermöglichen so Impedanzmessungen zwischen einzelnen Segmenten. Auf diese Weise können Verformungen des Metallkissens 2 durch Belastungen genauer erfasst werden und so eine räumliche Auflösung Erfassung der Belastungen und Belastungsrichtungen erreicht werden. So können zum Beispiel auch Scherkräfte oder Verkippungen gemessen werden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Sensoren 1 zur Erfassung von mechanischen Belastungen müssen natürlich nicht einzeln verwendet werden, sondern können miteinander kombiniert werden. Sie können auch zusammen mit anderen Formen von elastischen Lagern verwendet werden. Insbesondere können sie in Elastomerlager integriert werden, um für diese eine einfache Sensorik bereitzustellen. Durch die Verwendung von mindestens zwei Sensoren, die zueinander antagonistisch angeordnet sind (siehe als Beispiel 8), können Nichtlinearitäten ausgeglichen und Temperaturveränderungen kompensiert werden. Durch die Verwendung von mehreren in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Sensoren lassen sich so auch Auflösungen in verschiedenen Raumrichtungen erreichen.
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Um das Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an einem Metallkissen zu veranschaulichen, ist in 8 schematisch dargestellt, wie es zur Messung der Vorspannung bei der Einstellung eines elastischen Lagers mit Metallkissen 2 verwendet werden kann. Das elastische Lager dient zur Lagerung eines Körpers 11 gegen eine Grundplatte 10 und besteht aus zwei Metallkissen 2. Dabei ist ein Metallkissen 2 zwischen der Grundplatte 10 und dem zu lagernden Körper 11 angeordnet und ein Metallkissen auf der Gegenseite zwischen der Grundplatte 10 und einer Halteplatte 12. Die Vorspanneinrichtung 13 besteht aus einer Stellschraube und einer Mutter, über die der Abstand zwischen Halteplatte 12, Grundplatte 10 und zu lagernden Körper 11 einstellbar ist. Die Metallkissen erfahren also eine einstellbare Belastung durch die Vorspanneinrichtung 13. Über diese Vorspannung lässt sich so die Steifigkeit der Metallkissen einstellen. Um die Vorspannung korrekt einzustellen ist es sinnvoll diese Belastung zu messen. Dazu werden die Metallkissen elektrisch kontaktiert und über Kabel 6 mit einer Messeinheit 7 zur Impedanzmessung verbunden. Um parasitäre Nebenschlüsse zu vermeiden, geschieht dies in dieser Darstellung über Kontaktierungsschichten 5 mit Isolationsschichten 4, die die Metallkissen 2 gegen die Umgebung isolieren. Durch ein Anziehen der Vorspannungseinrichtung 13 werden die Metallkissen 2 belastet und verformt. Die gemessene Impedanz der Metallkissen 2 ändert sich auf Grund dieser Verformung und bei einer bekannten Proportionalität lässt sich dadurch auf die gewirkte Belastung der Metallkissen schließen. Das gleiche Verfahren lässt sich beispielsweise auch bei der Herstellung von Metallkissen anwenden, bei der Drahtgestricke in Formen gepresst werden. Die Metallkissen werden in Form von losegepressten Drahtgestricken kontaktiert und mit einer Messeinheit verbunden, so dass ihre Impedanz über den Verlauf des Herstellungsprozesses erfasst werden kann. Durch Stempel werden die Metallkissen dann zusammengepresst und die gewirkte Belastung wird über die Impedanzmessung überwacht. Wird die zur gewünschten Komprimierung notwendige Belastung erreicht, ist die Herstellung abgeschlossen. Auf diese Weise kann das beschriebene Verfahren zur Prozessüberwachung bei der Herstellung von Metallkissen verwendet werden.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind nicht begrenzend. Insbesondere können die Merkmale dieser Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
