DE112015005356T5

DE112015005356T5 - Lastmessvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Last

Info

Publication number: DE112015005356T5
Application number: DE112015005356.5T
Authority: DE
Inventors: Muhammad Ahmer; Defeng Lang; Frank de Wit
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-08-17
Also published as: US20170322095A1; WO2016083285A1; CN107110720A; GB201421050D0; US10788381B2; GB2532762A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lastmessvorrichtung mit einer deformierbaren Komponente (10), die dazu ausgelegt ist, unter einer Last, die zu messen ist, deformierbar zu sein und einer Sensoranordnung (12), die an einem ersten Abschnitt der derformierbaren Komponente (10) angebracht ist, und ein Verfahren zum Bestimmen einer Last, wobei eine solche Sensoranordnung (12) verwendet wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoranordnung (12) zumindest einen Beschleunigungssensor (14) aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Richtung der Gravitation G zu detektieren, und dass die deformierbare Komponente (10) als eine Dichtung (10) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, in Gleitkontakt mit einer Komponente (20) zu sein, die dazu ausgelegt ist, sich relativ zu der Dichtung (10) zu drehen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, eine Last, die auf eine deformierbare Komponente wirkt, zu messen, indem ein Piezosensor, der an einem ersten Abschnitt der Komponente angebracht ist, zu verwenden. Eine Deformation der Komponente induziert eine Belastung in dem Piezoelement und die Belastung führt zu einer detektierbaren Spannung. Die Übertragung der Belastung erfordert zumindest zwei Befestigungspunkte des Piezosensors und der unausweichliche mechanische Kontakt ist anfällig für Schäden und kann die Resultate der Messung beeinflussen.
Hochgradig miniaturisierte 3D-Beschleunigungssensoren sind aus dem Umfeld der Telekommunikation bekannt. 3D-Beschleunigungssensoren nach dem Stand der Technik können eine Winkelauflösung von 0,1 Grad oder darunter aufweisen.
Die US 2012/0210791 A1 offenbart eine Drehkraftmessvorrichtung mit Beschleunigungssensoren, die jeweils an Enden einer Drehstange angebracht sind. Eine weitere Drehkraftmessvorrichtung mit Beschleunigungssensoren ist in der US 2013/030842 A2 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung trachtet danach, eine alternative Lastmessvorrichtung bereitzustellen, die nur einen Kontaktpunkt mit einer deformierbaren Komponente erfordert.
Die Erfindung betrifft eine Lastmessvorrichtung mit einer deformierbaren Komponente, die dazu ausgelegt ist, unter einer zu messenden Last deformierbar zu sein, und eine Sensoranordnung an einen ersten Abschnitt der deformierbaren Komponente.
Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoranordnung zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Gravitationsrichtung zu detektieren. Die deformierbare Komponente ist eine Dichtung, die im Gleitkontakt mit einer Komponente, die dazu ausgelegt ist, sich relativ zu der Dichtung sich zu drehen, sein soll.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Beschleunigungssensor als Halbleiter-basierter 3-Achsen-Beschleunigungssensor ausgebildet.
In Anwendungen, bei denen ein Gerät mit der deformierbaren Komponente seine Orientierung hinsichtlich der Gravitationsrichtung als Ganzes verändern kann, kann es notwendig sein, die Sensorsignale zu kalibrieren. In diesem Fall umfasst die Sensoranordnung vorzugsweise zumindest zwei Beschleunigungssensoren, die an verschiedenen Abschnitten der Komponente angebracht sind. Eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Sensorsignale zu evaluieren und die Last, basierend darauf, zu berechnen, kann den Unterschied zwischen den Orientierungen der Beschleunigungssensoren bestimmen, um eine Rotation oder Verschiebung der deformierbaren Komponente abzuziehen.
Gemäß der Erfindung ist die deformierbare Komponente als eine Lagerdichtung ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass sich, insbesondere im Fall von großdimensionierten Lagern, die Orientierung von bestimmten Abschnitten einer Dichtlippe in Reaktion auf radiale oder axiale Lasten, die auf das Lager wirken, in einem Maß ändern, das ausreichend ist, um detektierbar zu sein.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst die Lastmessvorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Last, die auf eine deformierbare Komponente wirkt, basierend auf den Signalen, die von der Sensoranordnung erhalten werden, zu berechnen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise eine Charakteristik verwenden, die bestimmt ist, indem Testlasten verwendet werden, und die in einer Speichereinrichtung gespeichert ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Last, die auf eine deformierbare Komponente wirkt, indem eine Lastmessvorrichtung wie oben beschrieben, verwendet wird. In dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Last bestimmt, indem Signale von einem Beschleunigungssensor verwendet werden, wobei der Beschleunigungssensor an einem ersten Abschnitt der Komponente angebracht ist, um eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Gravitationsrichtung zu detektieren.
In dem Zusammenhang der Erfindung wird der Ausdruck „Last“ breit ausgelegt, dass er in dem Zusammenhang der Erfindung eine statische Last, eine dynamische Last, eine lineare Last, eine Scherlast, oder eine Drehlast abdeckt.
Die obigen Ausführungsbeispiele der Erfindung genauso wie die angehängten Ansprüche und Figuren zeigen mehrere charakterisierende Eigenschaften der Erfindung in speziellen Kombinationen. Ein Fachmann ist leicht befähigt, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Eigenschaften auszudenken, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine speziellen Bedürfnisse anzupassen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung einer Lastmessvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer Lastmessvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Drehstab; und
3 ist eine schematische Darstellung eines Lagers, das mit einer Lastmessvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 ist eine schematische Darstellung einer Lastmessvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Lastmessvorrichtung gemäß 1 umfasst eine deformierbare Komponente 10, die als ein Stab ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, unter einer Last L, die zu messen ist, deformiert zu werden. Die Stange 10 ist an einem Halter 17 an einem ihrer Enden befestigt, ist horizontal, das heißt senkrecht zur Richtung der Gravitation (G) orientiert, und ist dazu ausgelegt, die Last L an dem anderen ihrer Enden aufzunehmen.
Eine Sensoranordnung 12 mit einem Beschleunigungssensor 14, genauer gesagt, einem 3-Achsen-Beschleunigungssensor, ist an einem ersten Abschnitt nahe einem freien Ende der deformierbaren Komponente 10 angebracht. Der Gyrosensor 14 ist dazu ausgelegt, eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Richtung der Gravitation G zu detektieren.
In Anwendungen, bei denen ein Gerät mit einer deformierbaren Komponente 10 seine Orientierung hinsichtlich der Gravitationsrichtung G als Ganzes ändern kann, wie beispielsweise bei Fahrzeugen, die Schrägen rauf- und runterfahren, kann es nötig sein, die Sensorsignale zu kalibrieren. In diesem Fall kann die Sensoranordnung 12 mit zumindest zwei Beschleunigungssensoren 14a, 14b ausgestattet sein, die an verschiedenen Abschnitten der Komponente angebracht sind. Eine Datenverarbeitungseinrichtung 16, die dazu ausgelegt ist, die Sensorsignale zu evaluieren und die Last basierend darauf, zu berechnen, kann den Unterschied zwischen den Orientierungen der Beschleunigungssensoren 14 bestimmen, um eine Rotation oder Verschiebung der deformierbaren Komponente 10 abzuziehen.
2 zeigt eine zugehörige Vorrichtung, bei der die deformierbare Komponente 10 ein Drehstab ist. Zwei Beschleunigungssensoren 14a, 14b sind an einander gegenüberliegenden Enden des Drehstabs 10 befestigt und messen einen Unterschied in der relativen Orientierung der Beschleunigungssensoren 14 als eine Folge einer Verdrehung des Drehstabs 10.
3 illustriert ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die deformierbare Komponente 10 als eine Lagerdichtung ausgebildet ist, die vorzugsweise an einem Außenring eines Lagers angebracht ist. Die Dichtung 10 hat ein Profil mit einem schrägen Abschnitt 10c, der einen bestimmten Abschnitt 10a der Dichtung, die von einem Metallflansch getragen wird, mit einem Kontaktabschnitt 10b der Dichtung 10 verbindet, wobei der Kontaktabschnitt 10b in Gleitkontakt mit einem Innenring des Lagers ist. In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Dichtung 10 in Gleitkontakt mit einer sich drehenden Welle 20 sein, oder die Dichtung 10 kann an einem Innenring des Lagers angebracht sein.
Hohe radiale Lasten, die auf das Lager wirken, können zu einer Deformation des Lagerrings und/oder zu einer Redistribution der Wälzkörper des Lagers führen, so dass der radiale Abstand zwischen den Ringen des Lagers in der Hauptlastrichtung von der radialen Last abhängt. Die Orientierung des schrägen Abschnitts 10c der Dichtlippe im Raum ändert sich deshalb in Reaktion auf die radialen oder axialen Lasten, die auf das Lager wirken, in einem Ausmaß, das ausreichend ist, um detektierbar zu sein.
Obwohl sie nur im Ausführungsbeispiel der 3 gezeigt ist, kann die Lastmessvorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung 16 aufweisen, die dazu ausgelegt ist, eine Last, die auf die deformierbare Komponente 10 wirkt, basierend auf den Signalen, die von der Sensoranordnung 12 erhalten werden, berechnen. Die Datenverarbeitungseinrichtung 16 kann beispielsweise eine Charakteristik verwenden, die bestimmt wird, indem Testlasten verwendet werden, und die in einer Speichereinrichtung gespeichert ist.
Die obige Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Last, die auf eine deformierbare Komponente 10 wirkt, indem eine Lastmessvorrichtung, wie oben beschrieben, verwendet wird. In dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Last bestimmt, indem Signale von einem Beschleunigungssensor 14 oder mehreren Beschleunigungssensoren 14 verwendet werden, wobei der zumindest eine Beschleunigungssensor 14 an einem ersten Abschnitt der Komponente angebracht ist, um eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Richtung der Gravitation G zu detektieren.

Claims

Lastmessvorrichtung mit einer deformierbaren Komponente (10), die dazu ausgelegt ist, unter einer Last (L), die zu messen ist, deformiert zu werden, und einer Sensoranordnung (12), die an einem ersten Abschnitt der deformierbaren Komponente (10) angebracht ist, wobei die Sensoranordnung (12) zumindest einen Beschleunigungssensor (14) aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Richtung der Gravitation (G) zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Komponente (10) als eine Dichtung (10) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, in Gleitkontakt mit einer Komponente (20) zu sein, die dazu ausgelegt ist, sich relativ zu der Dichtung (10) zu drehen.
Lastmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ein Profil mit einem schrägen Abschnitt (10c) hat, der einen befestigenden Abschnitt (10a) der Dichtung, die von einem Metallflansch gestützt wird, mit einem Kontaktabschnitt (10b) der Dichtung (10) verbindet.
Lastmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (20), die dazu ausgebildet ist, sich relativ zu der Dichtung (10) zu drehen, ein Innenring (20) des Lagers ist.
Lastmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (20), die dazu ausgelegt ist, sich relativ zu der Dichtung (10) zu drehen, eine sich drehende Welle ist.
Lastmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (14) als ein halbleiterbasierter 3-Achsen-Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
Lastmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (12) zumindest zwei Beschleunigungssensoren (14) aufweist, die an unterschiedlichen Abschnitten der Komponente angebracht sind.
Lastmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Komponente (10) ein Drehstab ist, wobei die zwei Beschleunigungssensoren (14) an einander gegenüberliegenden Enden des Drehstabs angebracht sind.
Lastmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Datenverarbeitungsvorrichtung (16) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Last, die auf die deformierbare Komponente (10) wirkt, basierend auf den Signalen, die von der Sensoranordnung (12) erhalten werden, zu berechnen.
Verfahren zum Bestimmen einer Last, die auf eine deformierbare Komponente (10) wirkt, wobei die Last bestimmt wird, indem Signale von einem Beschleunigungssensor (14) verwendet werden, wobei der Beschleunigungssensor (14) an einem ersten Abschnitt der Komponente angebracht ist, um eine Änderung in einer Orientierung des ersten Abschnitts hinsichtlich der Richtung der Gravitation (G) zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Komponente (10) als eine Dichtung (10) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, in Gleitkontakt mit einer Komponente (20) zu sein, die dazu ausgelegt ist, relativ zu der Dichtung (10) zu rotieren.