DE102022211376A1

DE102022211376A1 - Belastungssensoranordnung

Info

Publication number: DE102022211376A1
Application number: DE102022211376.4A
Authority: DE
Inventors: Justin Brubaker; Robert Lukasiewicz
Original assignee: Koyo Bearings North America LLC
Current assignee: JTEKT BEARINGS NORTH AMERICA, LLC, GREENVILLE, US
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-04-27
Also published as: US20230125314A1; CN116026224A; KR20230059762A; JP2023064750A; FR3128526A1

Abstract

Anordnung zum Abfühlen eines Betrags einer Belastung in einem Gegenstand, mit einem ersten Napf, der ein erstes Ende, ein zweites Ende, eine sich dazwischen erstreckende zylindrische Seitenwand und eine an dem ersten Ende des ersten Napfs angeordnete Endwand aufweist, und mit einem Belastungswafer, der an einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche der Endwand angeordnet ist.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. Oktober 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/271,820 , deren gesamte Offenbarung hierin enthalten ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensoren und insbesondere auf Anordnungen zur Messung des Betrags einer Belastung in einem Gegenstand.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mit zunehmender Automatisierung besteht die Notwendigkeit, Signale und Eingaben, die normalerweise vom Menschen verarbeitet werden, durch eine Verarbeitung durch Computer zu ersetzen. Dieses erfordert Sensoren zur Überwachung von Komponenten, die derzeit nicht von Instrumenten überwacht werden, wie z. B. Bremsen, Lenkspurstangen, Querlenker und dergleichen. Um die in diesen Strukturen während der Nutzung erzeugte Belastung zu messen und dieses Signal an den Computer zu senden, könnten Belastungs(sensoren)-Wafer verwendet werden. Einige Probleme, die mit diesen Elementen verbunden sind, sind ihre Zerbrechlichkeit, Schwierigkeiten bei der Montage, Kalibrierung, Schutz, etc.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt Überlegungen zu den Konstruktionen und Verfahren des Standes der Technik und geht auf diese ein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schafft eine Belastungssensoranordnung zum Abfühlen eines Betrags einer Belastung in einem Gegenstand, die einen ersten Napf mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer sich dazwischen erstreckenden zylindrischen Seitenwand und einer an dem ersten Ende des ersten Napfs angeordneten Endwand aufweist, wobei ein Belastungswafer an einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche der Endwand angeordnet ist.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schafft eine Belastungssensoranordnung zum Abfühlen eines Betrags einer Belastung in einem Gegenstand, die einen ersten Napf mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer sich dazwischen erstreckenden zylindrischen Seitenwand und einer an dem ersten Ende des ersten Napfs angeordneten Endwand aufweist, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei die Endwand entweder bogenförmig oder gewölbt ist und eine konvexe Oberfläche und eine konkave Oberfläche aufweist, und wobei ein Belastungswafer an einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche der Endwand angeordnet ist.
Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Spezifikation enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Figurenliste
Eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bestem Modus, die sich an einen Fachmann richtet, wird in dieser Spezifikation dargelegt, die Bezug auf die beigefügten Zeichnungen nimmt, in denen:

die 1A und 1B perspektivische und Querschnittsansichten einer Ausführungsform einer Belastungssensoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
die 2A, 2B und 2C eine perspektivische Ansicht, eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht der in 1A gezeigten Belastungssensoranordnung sind;
die 3A und 3B Querschnittsansichten einer alternativen Ausführungsform einer Belastungssensoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
die 4A und 4B perspektivische Ansichten der in 1A gezeigten Belastungssensoranordnung bzw. einer alternativen Ausführungsform sind; und
die 5 eine perspektivische Ansicht einer Belastungssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist, die in eine entsprechende Öffnung eines Gegenstands eingesetzt ist, in dem die Belastung gemessen werden soll; und
die 6A und 6B grafische Darstellungen des Betrags der Belastung sind, wie sie in der Richtung entlang der Längsachse der Belastungssensoranordnung und der Achse senkrecht zu der zylindrischen Achse der Belastungssensoranordnung gemessen wird.

Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Spezifikation und den Zeichnungen ist dafür vorgesehen, gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung gemäß der Offenbarung darzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Jetzt wird detailliert Bezug genommen auf derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, von denen eines oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zum Zwecke der Erläuterung aber nicht der Beschränkung der Erfindung gegeben. In der Tat ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen und Veränderungen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang und allgemeinem Gedanken abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit ist es vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen erfasst, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente liegen.
Die hier verwendeten Begriffe, die sich auf eine Richtung oder eine Position in Bezug auf die Ausrichtung der Stößelbaugruppe beziehen, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, „vertikal“, „horizontal“, „oberes“, „unteres“, „über“ oder „unter“, beziehen sich auf Richtungen und relative Positionen in Bezug auf die Ausrichtung der Baugruppe in ihrem normalen, beabsichtigten Betrieb, wie in den Zeichnungen hier dargestellt. So beziehen sich beispielsweise die Begriffe „vertikal“ und „oberes“ auf die vertikale Richtung und die relative obere Position in den Perspektiven der Figuren und sollten in diesem Zusammenhang verstanden werden, auch in Bezug auf eine Stößelanordnung, die in einer anderen Ausrichtung angeordnet sein kann.
Ferner ist der Begriff „oder“, wie er in dieser Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, eher als ein einschließendes „oder“ denn als ein ausschließendes „oder“ zu verstehen. Das heißt, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, dass der Satz „X verwendet A oder B“ jede der natürlichen einschließenden Permutationen bedeuten soll. Das heißt, die Formulierung „X verwendet A oder B“ wird durch jeden der folgenden Fälle erfüllt: X verwendet A; X verwendet B; oder X verwendet sowohl A als auch B. Darüber hinaus sind die in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Artikel „ein“ und „eine“ im Allgemeinen so auszulegen, dass sie „ein oder mehrere“ bedeuten, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext klar hervorgeht, dass sie auf eine Singularform bezogen sind. In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen haben die folgenden Begriffe mindestens die hierin ausdrücklich zugeordneten Bedeutungen, sofern der Kontext nichts anderes vorgibt. Die nachstehend angegebenen Bedeutungen schränken die Begriffe nicht notwendigerweise ein, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung der Begriffe. Die Bedeutung von „ein“, „eine“ und „der/die/das“ kann Pluralbezüge einschließen, und die Bedeutung von „in“ kann „in“ und „auf“ einschließen. Der Ausdruck „in einer Ausführungsform“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, obwohl dies der Fall sein kann.
Unter Bezugnahme jetzt auf die Figuren, insbesondere die 3A, 3B und 5, bezieht sich diese Offenbarung auf eine Belastungssensoranordnung 10, die die Technologie eines gezogenen Napfs nutzt, um eine Belastungs-(Last-) Sensoranordnung 10 herzustellen, die gleitend in eine Öffnung 12 eingeführt werden kann, die in einem entsprechenden zu überwachenden Gegenstand 14 definiert ist. Vorzugsweise wird die Dehnungsmessung an der Endwand 18 eines Napfs 16, vorzugsweise eines gezogenen Napfs, vorgenommen. Wie in 1B gezeigt ist, handelt es sich bei dem für die Messung verwendeten Napf 16 in diesem Fall um einen inneren Napf 16, der in einen anderen Napf 30 oder äußeren Napf gepresst ist, wobei das zwischen den Endwänden der Näpfe definierte Volumen mit Silikon 23 oder ähnlichem gefüllt ist, um eine robuste Packung zu schaffen, sobald sie instrumentiert und verkabelt ist.
Unter Bezugnahme jetzt auf die 1A und 4A umfasst eine Belastungssensoranordnung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen gezogenen Napf 16 mit einer zylindrischen Seitenwand 17 und einer Endwand 18. Die Endwand 18 hat eine innere Oberfläche 19 und eine äußere Oberfläche 21, die zur Aufnahme eines Belastungswafers 22 ausgebildet sind. Wie dargestellt, umfasst die Endwand 18 vorzugsweise ein Paar länglicher Schlitze 30, von denen jeder eine Seitenwand 32 aufweist, die parallel zu der entsprechenden Seitenwand 32 des anderen Schlitzes 30 ist. Die Endwand 18 enthält somit ein Paar paralleler Seitenwände 32, die durch die Schlitze 30 definiert sind, um die Empfindlichkeit der Belastungssensoranordnung gegenüber Dehnungsraten entlang der Längsmittelachse 34 der Endwand 18 zu maximieren, wie in 4B gezeigt. Wie am besten in 4A zu sehen ist, wird jeder Endschlitz 30 durch einen im Wesentlichen geraden Seitenrand 32 und einen gebogenen Rand 33 gebildet, der der Kontur der zylindrischen Seitenwand folgt, womit eine Halbmondform gebildet wird.
Es können auch andere Formen von Schlitzen 30a verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform der 4B gezeigt sind. Beispielsweise weisen die in 4B gezeigten Schlitze 30a jeweils ein Paar paralleler Seitenwände 32a auf, wobei die Schlitze 30a parallel zueinander sind. Es ist zu beachten, dass der Dehnungsstreifen 22 bei der in den 4A und 4B gezeigten Ausführungsform an der äußeren Oberfläche 21 der Endwand 18 befestigt ist. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 3B ist außerdem zu beachten, dass der Abschnitt der Endwand 18 bogenförmig oder gewölbt sein kann, um die Empfindlichkeit für Spannungsmessungen entlang der Längsmittelachse 34 der Endwand 18 zu erhöhen. Wie in 3B gezeigt ist, kann der Dehnungsstreifen 22 an der inneren Oberfläche 19 der Endwand 18 anstelle der äußeren Oberfläche 21 befestigt sein, wie in den 4A und 4B gezeigt. Außerdem kann, wie in den 1B und 2A bis 2C gezeigt, die Endwand 18 nach innen in den inneren Napf 16 gewölbt sein, so dass die äußere Oberfläche 21 der Endwand 18 des Napfs 16 konkav und nicht konvex ist, wie in 3B gezeigt.
Die Stirnfläche 18 des Napfs kann mit einer Vielzahl von Formen gestanzt oder geformt werden, um sich auf bestimmte Belastungsraten und - richtungen zu fokussieren, vorzugsweise entlang der Längsachse 34 der Endwand 18. Wie in den 3A und 3B dargestellt, könnten Sensoren 40 um die zylindrische Wand 17 des Napfs 16 herum angeordnet werden, um ein Drehmoment innerhalb des entsprechenden Gegenstands 14 zu erfassen. Andere Sensoren 50 könnten in dem zwischen dem inneren Napf 16 und dem äußeren Napf 30 definierten Volumen 51 angeordnet werden, um dem System weitere Informationen zu liefern, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Temperatur, Beschleunigung, Vibration, usw. Außerdem kann der Hohlraum mit einem Silikon oder einem ähnlichen Material gefüllt werden, um dazu beizutragen, eine Verdrahtung, Komponenten, usw. zu sichern, um eine robuste Baugruppe zu schaffen. Die Messung des Betrags der Belastung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Aufkleben von Dehnungswafern direkt auf die Innenseite oder die Außenseite der Endfläche, durch direkte Messung einer Veränderung des Widerstands des Napfs und/oder der Napfstirnfläche, und durch eine Änderung des Magnetismus des Napfs (Magnetfeldmessung).
Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, sind die Belastungssensoranordnungen 10 der vorliegenden Offenbarung so ausgebildet, dass die Messung der Belastung in dem Gegenstand 14 entlang der gewünschten Richtung fokussiert wird, d.h. entlang der Längsachse 34 des Belastungswafers 22.
Während eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben wurden, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang und allgemeinen Gedanken abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Veränderungen umfasst, die innerhalb des Umfangs und des allgemeinen Gedankens der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63271820 [0001]

Claims

Belastungssensoranordnung zum Abfühlen eines Betrags einer Belastung in einem Gegenstand, umfassend: einen ersten Napf mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer sich dazwischen erstreckenden zylindrischen Seitenwand, und einer an dem ersten Ende des ersten Napfs angeordneten Endwand, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist; und einen Belastungswafer, der an einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche der Endwand angeordnet ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Endwand des ersten Napfs ein Paar paralleler Seitenränder aufweist, wobei jeder Seitenrand eine Öffnung mit der Seitenwand des ersten Napfs definiert.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 2, wobei die Endwand des ersten Napfs durch einen Bogen mit einer konvexen Oberfläche und einer konkaven Oberfläche gebildet ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 3, wobei die äußere Oberfläche der Endwand des inneren Napfs die konvexe Oberfläche ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 4, wobei der erste Napf verschiebbar in einer zylindrischen Öffnung aufgenommen ist, die in dem Gegenstand definiert ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 5, wobei ein äußerer Durchmesser des ersten Napfs im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der zylindrischen Öffnung ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend einen zweiten Napf mit einer zylindrischen Seitenwand, die eine zentrale Bohrung definiert, wobei der erste Napf verschiebbar in der zentralen Bohrung des zweiten Napfs aufgenommen ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Endwand des ersten Napfs ein Paar paralleler Schlitze definiert, wobei jeder Schlitz ein Paar paralleler Seitenwände umfasst.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Endwand des ersten Napfs durch einen Bogen mit einer konvexen Oberfläche und einer konkaven Oberfläche gebildet ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 9, wobei die äußere Oberfläche der Endwand des inneren Napfs die konvexe Oberfläche ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 9, wobei der erste Napf verschiebbar in einer zylindrischen Öffnung aufgenommen ist, die in dem Gegenstand definiert ist, und wobei ein äußerer Durchmesser des ersten Napfs im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der zylindrischen Öffnung ist.
Belastungssensoranordnung zum Abfühlen eines Betrags einer Belastung in einem Gegenstand, umfassend: einen ersten Napf mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer sich dazwischen erstreckenden zylindrischen Seitenwand, und einer an dem ersten Ende des ersten Napfs angeordneten Endwand, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei die Endwand entweder bogenförmig oder gewölbt ist und eine konvexe Oberfläche und eine konkave Oberfläche aufweist; und einen Belastungswafer, der an einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche der Endwand angeordnet ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die Endwand des ersten Napfs ein Paar paralleler Seitenränder aufweist, wobei jeder Seitenrand eine Öffnung mit der Seitenwand des ersten Napfs definiert.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die äußere Oberfläche der Endwand des inneren Napfs die konvexe Oberfläche ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 14, wobei der erste Napf verschiebbar in einer zylindrischen Öffnung aufgenommen ist, die in dem Gegenstand definiert ist, und wobei ein äußerer Durchmesser des ersten Napfs im Wesentlichen der gleiche ist wie der Durchmesser der zylindrischen Öffnung.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend einen zweiten Napf mit einer zylindrischen Seitenwand, die eine zentrale Bohrung definiert, wobei der erste Napf verschiebbar in der zentralen Bohrung des zweiten Napfs aufgenommen ist, und wobei die Belastungssensoranordnung verschiebbar in einer zylindrischen Öffnung aufgenommen ist, die durch den Gegenstand definiert ist.
Belastungssensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die Endwand des ersten Napfs ein Paar paralleler Schlitze definiert, wobei jeder Schlitz ein Paar paralleler Seitenwände umfasst.