DE69808496T2

DE69808496T2 - Schubsensor

Info

Publication number: DE69808496T2
Application number: DE69808496T
Authority: DE
Inventors: Peter George Sanders
Original assignee: Rotork Controls Ltd
Current assignee: Rotork Controls Ltd
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2018-07-30
Also published as: DE69808496D1; US6289749B1; NO321290B1; AU8550498A; GB2327763A; NO20000524L; EP1007925B1; ATE225499T1; JP2001512233A; GB2327763B; GB9808336D0; JP4176956B2; EP1007925A1; WO1999006808A1; NO20000524D0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Schubsensoren. Sie ist besonders bei der kontinuierlichen Messung des Schubes anwendbar, der in der Welle eines mechanisch betätigten Betätigungselementes erzeugt wird, ist aber in keiner Weise darauf beschränkt. Wo die Drehbewegung der Weile in eine lineare Bewegung durch Verwendung eines Schraubengewindes und einer Mutter oder anderer Wandler von einer Dreh- in eine lineare Bewegung umgewandelt wird, betrifft die Erfindung die kontinuierliche direkte Messung der Axialkraft, die von den Schublagern der Welle ausgehalten wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Betätigungselemente, die durch Fluiddruck betätigt werden, bei denen die Welle direkt oder indirekt mit einem fluidbetätigten Kolben verbunden oder mittels elektrohydraulischer oder Elektrofluideinrichtungen angetrieben wird.
Die Erfindung ist insbesondere bei Betätigungselementgetrieben anwendbar, die benutzt werden, um Ventile und Düsenstöcke in Fluidtransportsystemen zu betätigen.
Im Zusammenhang der vorangehenden Darlegungen wird verstanden, daß der Begriff "Fluid" Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe einschließt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei Betätigungselementen ist es im allgemeinen wünschenswert, daß die Kräfte oder das Drehmoment, die in der Ventilspindel erzeugt werden, kontinuierlich überwacht und gesteuert werden können. Wenn das Ventil geschlossen ist, erzeugen diese Kräfte oder Drehmomente die "Einpaß"- oder "Dichtungs"kraft zwischen dem Ventilsitz und dem sich bewegenden Element. Es ist ebenfalls erforderlich, daß malt in der Lage ist, die Kraft oder das Drehmoment zu überwachen, die erforderlich ist, um das eingepaßte Ventil zu öffnen, die beträchtlich höher sein kann als die Einpaßkraft oder das Drehmoment infolge der Reibung, und um die hydrostatische Druckdifferenz über einen geschlossenen Ventilsitz aufzubauen.
Bei bestimmten Ventilen ist ein "Rücksitz" vorhanden, wenn das Ventil vollständig offen ist; das erfordert eine zusätzliche Notwendigkeit von Überwachungs- und Steuereinrichtungen, wenn das Betätigungselement in einer Richtung betätigt wird, um das Ventil zu öffnen.
Obgleich das Hauptproblem bei Ventilbetätigungselementen ist, daß man in der Lage ist, die Sitzkräfte beim sich bewegenden Element des Ventils zu überwachen und zu steuern, besteht ebenfalls eine Notwendigkeit, die Kräfte zu überwachen, die sich aufbauen, wenn das Ventil über seinen Hub bewegt wird. Ein Beispiel für diese Forderung ist, wenn hohe, unausgeglichene Kräfte infolge hydrostatischer und hydrodynamischer Druckgradienten über dem Ventilsitz vorhanden sind, und wenn es erforderlich ist, bei bestimmten kritischen Installationen den Wirkungsgrad des Betätigungselementgetriebes kontinuierlich zu überwachen.
Bei mechanisch betätigten Ventilbetätigungselementen ist der Abtrieb an der Abtriebswelle meistens eine Schnecke und ein Schneckenrad. Bei dieser Art von Zahnradgetriebe kann das Drehmoment, das an der Abtriebswelle erzeugt wird, auf der das Schneckenrad montiert ist, durch Messen der Axialkraft an der Schneckenweile und Multiplizieren dieser Größe mit dem Teilkreisradius des Schneckenrades ermittelt werden. Daher kann man sehen, daß ein Kraftmeßelement, das konstruiert ist, um die Axialkraft zu überwachen, die in der Schneckenwelle erzeugt wird, eingesetzt werden kann, um das Drehmoment zu ermitteln, das in der Schneckenradwelle des Getriebes erzeugt wird.
Meßsysteme für die Betätigungselementkraft und das Drehmoment sind bekannt, beispielsweise im Patent Nr. GB 2196494 B (Rotork Controls Ltd.), wo die Durchbiegung einer federzentrierten Schneckenwelle durch die Verwendung eines Potentiometers gemessen wird, und im Patent Nr. DE 42 39 947 CI (Werner Riester) und m der Patentanmeldung Nr. EP 0730114 A1 (Nippon Gear Co.), wo die Axialkraft auf ein Membranenelement wirken darf, das mit einem Dehnungsmeßstreifen (mit Dehnungsmeßstreifen) versehen und zwischen dem Wellenlager und dem Gehäuse des Betätigungselementes angeordnet ist. Das US 4898362 (Liberty Technology Center Inc.) beschreibt ein Betätigungselement, das einen Schubsensor enthält, der zwischen einer Ventilschaftmutter und einer Ventilschaftmutternverriegelung positioniert ist. Während dieser Sensor ermöglicht, daß der Motor abgeschaltet wird, sobald ein vorgegebener Schub erreicht ist, gestattet er nicht das Durchführen von kontinuierlichen Schubmessungen.
Druckkraftsensoren sind aus anderen Bereichen der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt das EP 0668491 (The Timken Co.) eine Nabenanordnung, die sich um eine Spindel auf Lagern dreht. Um die Vorspannung bei den Lagern zu optimieren, wird die Kraft, die die Vorspannung in den Lagern darstellt, durch einen Kraftsensor übertragen, der ein Signal erzeugt, das die Größe der Kraft widerspiegelt. Durch Überwachen des Kraftsensors kann man die Lager auf eine gewünschte Vorspannung regulieren.
Das US 5036714 (WABCO Fahrzeugbremsen GmbH) beschreibt eine Vorrichtung für das Messen der Axialkraft, die durch eine Kupplungsvorrichtung übertragen wird, die Signale erzeugen kann, die auf die Größe einer derartigen Axialkraft hinweisen. In diesem Fall sind relativ große elastomere Elemente zwischen gegenüberliegenden Übertragungsvorsprüngen montiert. Ein Drucksensor ist mit einem elastomeren Element in indirektem Kontakt, wobei ein kleiner, weicher, elastomerer Puffer zwischen den beiden angeordnet ist.
Das EP 0363785 (Polysens SpA) beschreibt die Verwendung einer piezoelektrischen Dichtung als Wandler für das Nachweisen von dynamischen Kräften zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen.
Beim derartigen bisherigen Stand der Technik hängt die Messung der Axialkraft von der genauen Eichung der Kraftmeßelemente ab, die die Vollständigkeit und Genauigkeit des Signals beeinflussen können. Potentiometer und Federbaugruppen sind einem Verschleiß und einer Ermüdung ausgesetzt, und Dehnungsmeßstreifen, die an Metallmembranen montiert sind, sind kostspielig zu montieren und zu eichen.
Ein weiteres grundlegendes Problem bei einer derartigen vorhandenen Technologie ist, daß der breite Ausgangskraftbereich, der in einem typischen Bereich von Ventilbetätigungselementen eingeschlossen wird, erfordert, daß mehrere Größen von Kraftmeßelementen vorhanden sein und auf Vorrat gehalten werden müssen. Das schließt beispielsweise das Unterhalten von Vorräten von Federbaugruppen oder Membranen unterschiedlicher Größen und Steifigkeit ein. Diese Forderung besteht, um ein typisches Ausgangsdrehmoment- oder Kraftbereichsverhältnis von 30/l einzuschließen, das sich über mehrere Betätigungselementrahmengrößen erstreckt. Diese mehreren Bauteile sind sowohl für die Herstellung als auch die Wartung auf der Montagestelle erforderlich und stellen einen Hauptaufwand dar.
Die Verbesserung hinsichtlich der Betätigungselementtechnologie, Gegenstand dieser Erfindung, soll bewirken, daß die in einer Welle erzeugte Kraft gegen eine starre Trägerplatte wirkt, an der ein elastisches Polymerelement befestigt ist. Das Polymerelement ist mit einer Montageplatte in Kontakt, wobei die Anordnung so ist, daß die Axialkraft eine Druckspannung oder einen Druck im Polymerelement erzeugt, die im wesentlichen gleich der Kraft, dividiert durch die Kontaktfläche, ist.
Ein elektronischer Druckwandler wird in die Montageplatte eingesetzt, wobei seine empfindliche Fläche mit der Plattenoberfläche bündig und in Kontakt mit dem elastischen Polymerelement ist. Die Anordnung ist so, daß der Druckwandler jetzt einen Druck registrieren wird, der im wesentlichen dem gleichmäßigen Druck gleich ist, der im Polymerelement vorhanden ist. Durch Verändern der Kontaktfläche des Polymerelementes kann daher jegliche gewünschte im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Kraft, die von der Welle ausgehalten wird, und dem Wandlerausgang erreicht werden.
Insbesondere ist es ein Ziel dieser Erfindung, daß man eine einzelne Größe des vorgeeichten Druckwandlers verwenden kann, der in irgendeine Bauart des Betätigungselementes in den Bereich eingesetzt werden kann, und daß man die elastische Pufferfläche in jeder Größe des Betätigungselementrahmens so konstruiert, daß der Bereich der in jedem Betätigungselement erzeugten Kräfte innerhalb des Betriebsbereiches der einzelnen Größe des Druckwandlers fällt.
Ein weiteres Problem, das vom vorangehend angeführten bisherigen Stand der Technik nicht angesprochen oder selbst erwartet wurde, ist die Nichtlinearität der Ansprechempfindlichkeit eines Druckwandlers, der an einem elastomeren Puffer montiert ist, dessen Rand (Ränder) nicht eingeschränkt ist (sind). Das Zusammendrücken eines nicht eingeschränkten Puffers führt zu einem Ausbeulen der Umfangsseite(n). Das heißt, während der anfängliche Querschnitt des elastomeren Puffers unter den Bedingungen des Nulldrehmomentes im wesentlichen rechteckig ist, verzerrt die Anwendung des Drehmomentes den Puffer so, daß der Querschnitt dazu neigt, daß er dem eines Pfannkuchens ähnelt. Das verursacht Schwierigkeiten betreffs einer Eichung und Nichtlinearität und neigt dazu, den Einwand des Einschließens eines Bereiches von Ventilbetätigungselementgrößen durch einfach Verändern der Kontaktfläche des elastomeren Puffers oder der Puffer, damit sie sich anpaßt, niederzuschlagen.
Es wird erkannt, daß, während nur ein einzelner Wandler benötigt wird, viele Ventile in kritischen Bereichen installiert werden können, wo mehr als ein Druckwandler verwendet wird, um eine Sicherheitsreserve bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Schubsensorbaugruppe, die für einen Einsatz mit einem Betätigungselement der Ausführung geeignet ist, bei der eine Antriebskraft auf eine Betätigungselementwelle angewandt wird, in den Patentansprüchen 1 bis 16 definiert. Eine derartige Schubsensorbaugruppe weist eine erste Druckplatteneinrichtung und eine zweite Druckplatteneinrichtung auf, wobei mindestens eine Einrichtung auf der Welle ist oder so ausgeführt ist, daß sie damit direkt oder indirekt in Eingriff kommt, um sich axial mit der Welle zu bewegen, und wobei die zweite Druckplatteneinrichtung so angeordnet ist, daß sie der ersten Druckplatteneinrichtung mit mindestens einem dazwischen schichtartig angeordneten elastisch zusammendrückbaren, im wesentlichen elastomeren Puffer gegenüberliegt, wobei ein Druckwandler auf einer der Druckplatteneinrichtungen montiert ist, wobei die Bewegung der ersten Druckplatteneinrichtung zur zweiten Druckplatteneinrichtung den elastomeren Puffer (die elastomeren Puffer) zwischen den zwei Druckplatteneinrichtungen zusammendrückt, wobei nicht der gesamte Puffers oder alle Puffer gegen den Druckwandler drückt und dadurch ein Signal vom Druckwandler induziert, das dem Schub der Betätigungselementwelle entspricht, wobei die Schubsensorbaugruppe so ausgeführt ist, daß der gesamte Kontaktbereich der Oberfläche des zusammendrückbaren Puffers oder der zusammendrückbaren Puffer, der einer der Druckplatteneinrichtungen gegenüberliegt, die den Druckwandler trägt, selektiv veränderlich ist, um das Ausmaß des Schubes zu verändern, der zum Wandler übertragen wird, indem der Puffer oder die Puffer durch einen oder mehrere größere oder kleinere Puffer ersetzt werden, oder indem eine größere oder kleinere Anzahl von im wesentlichen identischen Puffern verwendet wird, wodurch ein breiter Bereich von Betätigungselementschüben aufgenommen werden kann, während der an den Druckwandler angelegte Druck innerhalb des Betriebsbereiches des Druckwandlers aufrechterhalten wird.
Diese Anordnung liefert einen kompakten raumwirksamen Sensor, der keine Federn erfordert. Diese Anordnung gestattet ebenfalls, daß der Druckwandler funktioniert, um den Schub zu messen, wenn der Schub ziemlich über den normalen Betriebsbereich des Wandlers hinausgeht, indem gestattet wird, daß die hohen Schübe über einer Fläche wirken, die größer ist als die empfindliche Fläche des Wandlers. Das vermeidet die Notwendigkeit, den Wandler selbst auszuwechseln.
Bei der bevorzugten Ausführung wird der Schub durch Multiplizieren des Signals vom Druckwandler mit einer Wandlerkonstante (siehe Seite 15) und wiederum mit der Gesamtfläche des Puffers (der Puffer) abgeleitet.
Für das Vermeiden von Bedenken kann die erste Druckplatteneinrichtung beispielsweise eine unabhängige Platte oder ein Ring um die Welle herum sein, oder sie kann ein Flansch oder ein Vorsprung auf der Welle sein, und die zweite Druckplatteneinrichtung kann beispielsweise eine unabhängige Platte oder einen Ring oder eine Stirnwand oder einen Vorsprung des Gehäuses der Schubsensorbaugruppe aufweisen. Diese Varianten werden bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungen hierin nachfolgend detailliert vorgelegt, und im Fall der ersten bevorzugten Ausführung, die hierin nachfolgend beschrieben wird, wird der Begriff "Stützplatte" verwendet, um die erste Druckplatteneinrichtung zu beschreiben, und der Begriff "Montageplatte" wird verwendet, um die zweite Druckplatteneinrichtung zu beschreiben.
Die gesamte kombinierte Kontaktfläche der Oberfläche des zusammendrückbaren Puffers oder der zusammendrückbaren Puffer, die zu der einen Druckplatteneinrichtung hin liegt, die den Druckwandler trägt, ist in den meisten Fällen größer als die druckempfindliche Fläche des Druckwandlers allein, so daß der Druck des Puffers oder der Puffer beim Zusammendrücken beim Einsatz über eine bekannte Kontaktfläche verteilt wird, die sowohl die empfindliche Fläche des Druckwandlers als auch eine bekannte Größe der Fläche der den Druckwandler tragenden Druckplatteneinrichtung aufweist.
Bei diesem ersten Aspekt der Erfindung ist die gesamte Kontaktfläche des zusammendrückbaren Puffers oder der zusammendrückbaren Puffer selektiv veränderlich, indem der Puffer oder die Puffer durch einen oder mehrere größere oder kleinere Puffer ersetzt werden, oder indem eine größere oder kleinere Anzahl von im wesentlichen identischen Puffern verwendet wird, wodurch ein breiter Bereich von Betätigungselementschüben erfaßt werden kann, indem der an den Druckwandler angelegte Druck innerhalb des Betriebsbereiches des Druckwandlers reguliert wird.
Vorzugsweise ist der oder jeder Puffer stationär an der ersten oder zweiten Druckplatteneinrichtung montiert. Das vermeidet eine unbeabsichtigte Bewegung des Puffers während des Betriebes.
Vorteilhafterweise ist der oder jeder Puffer an einem starren dazwischenliegenden Element montiert, wobei der Schub von der ersten Druckplatteneinrichtung auf den Puffer (die Puffer) über das dazwischenliegende Element übertragen wird. Diese Anordnung ermöglicht, daß die Puffer leicht ausgewechselt werden können, und daß ebenfalls die Anzahl, die Größe und Konfiguration der Puffer beliebig verändert werden können.
Vorzugsweise ist eine oder mehrere Aussparungen in einer der Druckplatteneinrichtungen vorhanden, oder, wo ein starres dazwischenliegendes Element zwischen den Druckplatteneinrichtungen bereitgestellt wird, wahlfrei im dazwischenliegenden Element, wobei die oder jede Aussparung einen entsprechenden elastomeren Puffer aufnimmt und vollständig den Umfang des Puffers einschränkt, wobei der gesamte Puffer oder die gesamten Puffer beim Einsatz vollständig peripher eingeschränkt werden. Die eingeschränkte Anordnung des Umfanges des Puffers mildert oder überwindet das sehr wesentliche Problem von Fehlern, die sich aus dem Ausbauchen und Kriechen des Puffers (der Puffer) ergeben.
Vorzugsweise ist die Druckplatteneinrichtung oder das dazwischenliegende Element, die gegenüberliegen und in Richtung der einen Druckplatteneinrichtung oder des dazwischenliegenden Elementes, die die Aussparung(en) aufweisen, drücken, so gestaltet, daß sie in die Aussparung(en) hineinragen, um gegen den Puffer (die Puffer) zu drücken.
Alternativ kann ein nicht zusammendrückbarer Einsatz in der oder jeder Aussparung bereitgestellt werden, damit er über dem Puffer (den Puffern) liegt und gleichmäßig die Druckkraft auf den Puffer (die Puffer) beim Einsatz überträgt. Der Einsatz ist so geformt, daß er in die Aussparung paßt, und er kann beispielsweise eine Metallscheibe oder ein Ring sein. Durch beide dieser Anordnungen wird gesichert, daß der Schub vollständig auf den Puffer (die Puffer) übertragen wird, ohne daß erforderlich ist, daß der Puffer (die Puffer) aus der Aussparung (den Aussparungen) vorsteht, um einen Kontakt mit der gegenüberliegenden Druckplatteneinrichtung oder dem dazwischenliegenden Element herzustellen. Das ist wichtig, um im wesentlichen die gesamte Einschränkung durchgehend bei der zu messenden Plattenbewegung aufrechtzuerhalten.
Vorteilhafterweise, insbesondere bei Installationen, wo der Umfang eines jeden zusammendrückbaren Puffers nicht eingeschränkt ist, liegen der Puffer oder die Puffer in einer laminierten Konstruktion vor, die ein Paar elastisch zusammendrückbare Schichten aufweist, eine auf jeder Seite einer Schicht des Materials mit höherem Elastizitätsmodul. Das Paar weist in geeigneter Weise Gummi oder ein anderes elastomeres Material auf, und eine dazwischenliegende Schicht ist in geeigneter Weise Nylon oder ein ähnliches Material mit hohem Elastizitätsmodul. Diese Anordnung hilft dabei, jegliches Ausbreiten der Puffer gegen die zusammendrückenden Flächen zu minimieren oder sogar zu eliminieren, wenn der Schub angewandt wird, wodurch eine Aufrechterhaltung einer im wesentlichen einfachen Beziehung zwischen dem angewandten Schub und dem Signal vom Druckwandler gesichert wird. Bei Installationen, wo der Umfang des elastischen Puffers oder der elastischen Puffer eingeschränkt wird, indem sie beispielsweise in eine Aussparung in der Stützplatte eingesetzt wird, kann ein homogenes elastisches Material verwendet werden, wie beispielsweise Silicongummi.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Baugruppe für eine Endmontage auf der Welle ausgelegt. Durch Verwenden eines einzelnen Puffers und Wandlers, der mit dem Ende auf der Welle montiert und mit der Wellenachse ausgerichtet ist, kann dann der Schub in einer Richtung einfach und wirksam gemessen werden.
Vorzugsweise kann die zweite Druckplatteneinrichtung mit der Welle in Eingriff gebracht werden, um sich mit der Welle zu bewegen, wenn sich die Welle in der umgekehrten Richtung bewegt, und die erste Druckplatteneinrichtung kann so getrennt werden, daß sie sich nicht mit der Welle bewegt, wenn sich die Welle in der umgekehrten Richtung bewegt, wodurch der Schub in der umgekehrten Richtung gemessen werden kann.
In geeigneter Weise ist der Druckwandler in einer der Druckplatteneinrichtungen eingebaut, wobei die druckempfindliche Fläche des Wandlers mit der Fläche der Druckplatteneinrichtung bündig ist, in der er montiert ist.
In geeigneter Weise ist die oder jede Druckplatteneinrichtung kreisförmig und/oder ringförmig.
Vorzugsweise ist der oder jeder elastische Puffer kreisförmig und/oder ringförmig.
In geeigneter Weise werden zwei elastische Puffer bereitgestellt, wobei die Puffer diametral zueinander gegenüberliegend angeordnet sind.
Die Erfindung erstreckt sich außerdem auf ein Ventilbetätigungselement, das eine Schubsensorbaugruppe enthält, wie sie hierin beschrieben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden jetzt nur als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
Fig. 1 einen Teil eines elektrischen Betätigungselementes, das in einer Ebene geschnitten ist, die mit der Mittellinie der Welle des Elektromotors übereinstimmt, um die Schneckenwelle zu zeigen, die mit der Motorwelle zusammenhängend ist, und das Schneckenrad, das die Abtriebswelle des Betätigungselementes umgibt;
Fig. 2 eine lokale Schnittdarstellung durch die Schneckenwellenschublagerbaugruppe und gekennzeichnet durch eine Ebene A-A in Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht in der gleichen Ebene A-A wie in Fig. 2, die aber eine alternative Anordnung der elastischen Polymerelemente zeigt;
Fig. 4 eine alternative Schnittdarstellung durch einen Teil einer Schublagerbaugruppe, in der die elastischen Polymerelemente an einer separaten dünnen Platte befestigt sind;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch die Abtriebswelle des Betätigungselementes, um die alternative Ausführung der Erfindung zu zeigen, die die Messung der Axialkraft ist, die durch die Abtriebswelle erzeugt wird;
Fig. 6 eine alternative Schnittdarstellung B-B in Fig. 5, bei der die einzelnen elastischen Polymerelemente durch ein einzelnes ringförmiges elastisches Polymerelement ersetzt werden;
Fig. 7 die Art und Weise, in der sich ein Polymerblock unter der Wirkung einer Kraft verformt;
diese Figur wird benötigt, um die Beschreibung der speziellen Formei zu unterstützen, die benötigt wird, um den Druckmodul eines Polymerblockes zu ermitteln;
Fig. 8 und 9 Sensoranordnungen, wo der Schubsensor am Ende einer Welle für das Messen des Schubes in nur einer Richtung positioniert ist;
Fig. 10 eine vereinfachte Version des in Fig. 1 gezeigten Schubsensors;
Fig. 11 eine weitere Ausführung und Modifikation des Betätigungselementes, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, und bei der ein ringförmiger elastischer Puffer so montiert ist, daß alle Umfangsränder eingeschränkt werden;
Fig. 12 eine grafische Veranschaulichung der Ergebnisse eines Vergleichsversuches, bei dem die Verwendung einer Baugruppe, bei der der Umfang des Puffers nicht eingeschränkt ist, mit einer Baugruppe verglichen wird, bei der der Puffer eingeschränkt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel beschrieben. Sie sind nicht die einzigen Möglichkeiten, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, verkörpern aber die besten Möglichkeiten, die dem Anmelder gegenwärtig bekannt sind.
Eine erste Ausführung wird jetzt mit Bezugnahme auf ein Betätigungselement beschrieben, bei dem der Schub in zwei Richtungen unter 180º zueinander gemessen werden muß, d. h., beide Richtungen längs einer Welle.
Vereinfachte Ausführungen und Ausführungen, die ausgelegt sind, um den Schub in nur einer Richtung zu messen, werden später beschrieben.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 und Fig. 2 dreht der Elektromotor 1 eine Schneckenwelle 2, auf der eine Schnecke 3 maschinell bearbeitet ist die mit einem Rad 4 in Eingriff kommt, das die Abtriebswelle 5 des Betätigungselementes umgibt. Das Schneckenrad 4 kann mit der Abtriebswelle 5 mittels einer Schiebeklauenkupplung gekuppelt werden, die in Fig. 1 nicht veranschaulicht wird.
Wenn das Betätigungselement betätigt wird, erzeugt die äußere Last ein Gegendrehmoment am Schneckenrad 4, das wiederum zu einer Axialkraft auf der Schneckenwelle 2 wird, wobei die Kraft mittels der ineinandergreifenden Zähne 6 von Schnecke/Schneckenrad übertragen wird. Der Axialkraftvektor der Schneckenwelle kann in beiden Richtungen in Abhängigkeit von der Drehungsrichtung des Schneckenrades 4 vorhanden sein. Ein Paar Rillenkugellager 7 und 8 ist auf der Schneckenwelle 2 vorhanden; diese wirken als kombinierte Wellenzapfen- und Schublager.
Das Lager 7 ist in einer Aussparung im Gehäuse 9 des Betätigungselementes montiert, wobei der äußere Laufring 10 in der Aussparung einen Gleitsitz aufweist. Das Lager ist axial in der Aussparung durch ein Widerlager zwischen dem äußeren Laufring 10 und der Montageplatte 11 angeordnet.
Das Lager 8 ist innerhalb einer Aussparung in der Stützplatte 12 enthalten. Der innere Laufring 13 des Lagers 8 bildet ein Widerlager mit der Buchse 14, die auf der Schneckenwelle mittels des Bolzens 15 befestigt ist.
Zwischen der Montageplatte 11 und der Stützplatte 12 sind zwei elastische Polymerscheiben 16 und 17 schichtartig angeordnet. Diese liegen auf dem gleichen Teilkreisdurchmesser und sind 180 Grad entfernt montiert. Die Scheiben sind an der Stützplatte 12 befestigt, und eine Scheibe 17 ist so angeordnet, daß sie sich über der empfindlichen Fläche eines elektronischen Druckwandlers 18 befindet, der in einer Aussparung in der Montageplatte 11 positioniert ist. Die freien Zuleitungen sind so angeordnet, daß sie aus der Hinterseite der Montageplatte durch das Loch 20 hinausgehen. Der Wandler wird vorzugsweise in der Ausführung vorliegen, die einen Dehnungsmeßstreifen oder ein piezowiderstandsbehaftetes Meßelement benutzt, das in einem normalen Whetstone Bridge-Netz mit einem kompensierenden Thermowiderstand angeordnet ist, wobei die dazugehörende Schaltung so angeordnet ist, daß der Spannungsausgang vorn Wandler eine lineare oder nahezu lineare Beziehung mit dem Druck aufweisen wird, der an der empfindlichen Fläche des Wandlers angewandt wird. Jedes geeignete Druckmeßelement, das Druckveränderungen auf seiner Fläche nachweisen kann, kann jedoch verwendet werden.
Wenn die Welle 2 mit einer rechtsgängigen Schnecke 3 versehen ist, und das Schneckenrad in Uhrzeigerrichtung gedreht wird, wie in Fig. 1 betrachtet wird, wird die Richtung der Axialkraft die sein, die durch den Pfeil 21 angezeigt wird. Die Axialkraft wird durch das Lager 8 auf die Stützplatte 12 übertragen und daher auf die elastischen Polymerelemente 16 und 17. Der Druck, der in diesen scheibenförmigen Elementen erzeugt wird, wird die Axialkraft sein, dividiert durch die kombinierte Fläche der zwei Scheiben in Kontakt mit der Stützplatte. Bei dieser Anordnung wird die Scheibe 17 diesen Druck auf die empfindliche Fläche des Wandlers 18 übertragen, so daß ein Signal geliefert wird, das im wesentlichen der Axialkraft in der Welle 2 proportional ist.
Wenn die Richtung des Motors jetzt umgekehrt wird, wodurch bewirkt wird, daß sich das Schneckenrad in einer Gegenuhrzeigerrichtung dreht, wie in Fig. 1 betrachtet, wird das Lager 7 jetzt die Axialkraft in der Welle 2 mittels des Widerlagers 22 übertragen. Der statische äußere Laufring des Lagers 7 überträgt die Kraft mittels des Widerlagers 23 auf die Montageplatte 11. Die Kraft wird jetzt auf die Stützplatte 12 mittels der elastischen Polymerelemente 16 und 17 übertragen. Bei dieser Betriebsart wird die Stützplatte vor einer axialen und Rotationsbewegung durch drei Spannvorsprungsschrauben 24 eingeschränkt, von denen nur eine gezeigt wird. Daher kann man sehen, daß die Schublagerbaugruppe so konstruiert ist, daß der Axialschub in beiden Richtungen auf der Welle 2 bewirken wird, daß ein zusammendruckender Druck in den elastischen Polymerelementen 16 und 17 erzeugt wird, um so zu bewirken, daß ein kraftbezogenes Signal vom einzelnen Wandler 18 erzeugt wird.
Der Zahlenfaktor der linearen Beziehung, mit dem der Wert des elektrischen Signals, beispielsweise ein Spannungssignal, multipliziert wird, um die Druckablesung zu erhalten, wird als die Wandlerkonstante bezeichnet. Es ist möglich, diese einfache Beziehung anzuwenden, weil die Wandlerkennlinie zwischen dem angewandten Druck und der Spannungsablesung im wesentlichen eine gerade Linie ist, die durch den Koordinatenursprung hindurchgeht oder nahe daran. Es liegt jedoch im Bereich dieser Erfindung, daß weitere nichtlineare Beziehungen eingeschlossen werden, wobei in diesen Fällen eine Tabelle oder Tafel bereitgestellt werden kann, um den angewandten Druckwert aus der Spannungsablesung abzuleiten, oder alternativ kann die Tabelle oder Tafel in ein Computerprogramm einbezogen werden.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 wurden die elastischen Polymerelemente 16 und 17 durch zwei zusätzliche Gruppen von elastischen Polymerscheiben 25 und 26 vergrößert, um die Fläche zu vergrößern, auf die die Axialkräfte in der Welle 2 wirken. Die Baugruppe ist dennoch mit einem einzelnen Druckwandler in Kontakt mit dem elastischen Polymerelement 17 versehen.
Betrachtet man einige typische Abmessungen und Werte, wenn der vom Wandler angezeigte Signaldruck im mittleren Bereich 10 Bar (= 1 N/mm²) beträgt und die zwei elastischen Polymerelemente 16 und 17 einen Durchmesser von jeweils 12 mm aufweisen, dann würde eine Druckablesung von 10 Bar eine Axialkraft von:
π/4 · 12² · 2 · 1 = 226 N
anzeigen.
Im Fall von Fig. 3 wurde die gesamte Kontaktfläche durch Hinzufügen von zehn elastischen Polymerscheiben in zwei Gruppen 25 und 26 vergrößert. Diese Scheiben sind mit den gleichen Abmessungen gefertigt wie die Scheiben 16 und 17, so daß die Druckablesung des Wandlers von 10 Bar (1 N/mm) jetzt eine Axialkraft von:
π/4 · 12² · 12 · 1 = 1357 N
anzeigt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 4, um zu ermöglichen, daß eine schnelle und einfache Veränderung der Fläche der elastischen Polymerelemente vorgenommen werden kann, kann es zweckmäßiger sein, daß die elastischen Polymerelemente an einer separaten dünnen Platte 31 befestigt sind, wobei die Platte zwischen der Stützplatte 12 und der Montageplatte 11 eingesetzt wird. Das Betätigungselement kann danach mit einer Reihe von abwechselnden elastischen Polymerelementen versorgt werden, die bereits an Platten 31 befestigt sind, so daß eine schnelle Veränderung auf der Montagestelle vorgenommen werden kann.
Die Fähigkeit, den Schub, der durch Betätigungselemente unterschiedlicher Größen und Leistungseingänge erzeugt wird, bei Verwendung des gleichen Druckwandlers zu messen, ist ein wichtiges charakteristisches Merkmal dieser Erfindung. Durch Verteilen der übertragenen Kraft über eine größere Fläche des elastisch zusammendrückbaren Materials kann dann eine Reihe von Betätigungselementen mit einer einzelnen Druckwandler/Schubsensorbaugruppen-Anordnung aufgenommen werden.
Vorteilhafterweise, wenn kreisförmige Puffer aus elastischem Material verwendet werden, die die gleiche Oberfläche aufweisen, liefert dann eine Zunahme der Anzahl der Puffer eine stufenweise Erhöhung der Kraft, die gemessen werden kann. Es wird erkannt, daß, damit diese Erfindung erfolgreich funktionieren wird, kein bedeutender Luftspalt zwischen dem Puffer 17 und dem Wandler 18 vorhanden sein sollte. Ebenfalls verläßt sich die Erfindung nicht grundlegend auf das Durchbiegen irgendeiner Membrane oder eines äquivalenten Bauteils, die Teil der Konstruktion des Betätigungselementes ist, wie beim bisherigen Stand der Technik, sondern sie verläßt sich statt dessen auf das Zusammendrücken eines Festkörpers zwischen zwei flachen Flächen.
Die alternative Ausführung, bei der der Puffer oder die Puffer an einer dazwischenliegenden Platte montiert ist, vereinfacht die Positionierung und das Auswechseln der Puffer in beträchtlichem Maß.
Die Puffer können aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt werden, wie es von den Materialspezialisten ausgewählt wird, wie beispielsweise Silicongummi mit einer Härte zwischen 25 und 60 auf der IRHD-Skala. Die Puffer können natürlich aus irgendeinem natürlichen oder synthetischen elastischen Polymermaterial hergestellt werden, vorausgesetzt, daß der angewandte Druckspannungsbereich nicht ein Kriechen in den Puffern hervorruft, und daß die physikalischen Eigenschaften über den Umgebungstemperaturbereich im wesentlichen konstant bleiben. Wie es früher in den Fällen erwähnt wurde, wo der Umfang nicht eingeschränkt ist, ist der Puffer am bevorzugtesten ein laminierter elastischer Polymerpuffer, der mit einem Paar äußeren elastischen Polymerschichten ausgebildet ist, die in geeigneter Weise Gummi oder irgendein anderes elastomeres Material sein können, zwischen denen eine dazwischenliegende Schicht einer Kunststoffolie schichtweise angeordnet wird, die beispielsweise Nylon sein kann, das die Eigenschaften eines höheren Elastizitätsmoduls als das elastische Material aufweist. Der Puffer kann beispielsweise elastische Schichten aufweisen, die aus einer 0,75 mm starken Silicongummiplatte ausgeschnitten sind, und die dazwischenliegende Schicht kann 0,25 mm starkes Nylon sein. Die laminierte Konstruktion verringert die Ausbreitung der Puffer an den zusammendrückenden Flächen beim Einsatz.
In den Fällen, wo der Umfang des elastischen Puffers eingeschränkt ist, wie es in Fig. 11 veranschaulicht wird, kann der Puffer aus einem homogenen Polymermaterial bestehen.
Fig. 5 zeigt den Druckwandler 18, der in die Schublagerbaugruppe eingesetzt ist, die die Abtriebswelle 5 des Betätigungselementes umgibt, und er ist so konstruiert, daß er die Axialkraft mißt, die in beiden Richtungen in der Abtriebswelle vorhanden ist. Bei dieser Ausführung erfordern die stärkeren Kräfte, die von der Abtriebswelle ausgehalten werden, daß die Axialrillenkugellager 28 und 29 anstelle der kombinierten Wellenzapfen- und Schublager 7 und 8, die in Fig. 1 gezeigt werden, eingesetzt werden.
Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei der in Fig. 1 veranschaulichten Baugruppe. Bei dieser Ausführung wird die nach oben gerichtete, wie gezeigt wird, Axialkraft an der Abtriebswelle durch den Haltering 30 aufgenommen.
Fig. 6 zeigt ein einzelnes ringförmiges elastisches Polymerelement 27, das anstelle der einzelnen scheibenförmigen Elemente 16, 17, 25 und 26, wie in Fig. 1, 2 und 3 veranschaulicht wird, angebracht ist. Das ist der Fall, um die maximal mögliche elastische Oberfläche zu erhalten und kann typischerweise bei einer Abtriebswelle eines Betätigungselementes erforderlich sein, wo die Axialkräfte beträchtlich höher sind als jene, die an der Schneckenwelle auftreten. Unter der Annahme, daß die maximale Größe des ringförmigen Polymerelementes einen Außendurchmesser von 80 mm und einen Innendurchmesser von 45 mm aufweist, wird das eine Fläche von 3436 mm² liefern. Bei einer Wandlerablesung von 10 Bar wird das eine Axialkraft von 3436 N anzeigen.
Daher kann man sehen, daß bei dem speziellen Beispiel, das zur Veranschaulichung ausgewählt wurde, das Signal des Wandlers im mittleren Bereich erweitert werden kann, um einen Kraftbereich von 226 N bis 3436 N anzuzeigen, ein Verhältnis von annähernd 15 : 1.
Beim spezifischen Beispiel, das beschrieben und veranschaulicht wird, wird bemerkt, daß die elastischen Polymerscheiben, wenn sie in einer Anzahl von mehr als zwei eingesetzt werden, bei gleichem Durchmesser und Dicke wie die Scheibe 17 gehalten wurden, die über dem Wandler 18 angeordnet ist. Das soll sichern, daß die Scheiben alle dem gleichen Druck unterworfen werden, so daß die einzelne Druckablesung des Wandlers, multipliziert mit der Gesamtsumme der Scheibenflächen, die Axialkraft auf die Welle verkörpert. Es ist jedoch möglich, einzelne elastische Polymerelemente von unterschiedlichen Formen mit Umfängen zu verwenden, die in einer Baugruppe nicht eingeschränkt sind, vorausgesetzt, daß bestimmte Einschränkungen zur Anwendung kommen, was die Tatsache in Betracht zieht, daß in der Polymertechnologie der Druckmodul eine Funktion von sowohl der Beschaffenheit des Materials als auch der Beziehung der Flächen der freien Oberflächen und der eingeschränkten oder Kontaktflächen des zu beanspruchenden Polymerblockes ist. Diese Beziehung wird beispielsweise im Textbuch "Engineering with Polymers" von Peter C. Powel beschrieben und von Chapman and Hall veröffentlicht.
Damit eine Gruppe von elastischen Puffern die gleiche innere Beanspruchung oder den Druck unter einer Einzelkraft aushält, ist es notwendig zu sichern, daß der scheinbare Druckmodul "E" für alle Puffer der gleiche ist. Das ist wegen der Beziehung: E = Beanspruchung oder Druck = Formänderung.
Bei dieser Beziehung wird die Formänderung als das Verhältnis der Durchbiegung eines jeden Puffers, dividiert durch die nicht beanspruchte Dicke, d. h., das Verhältnis Δt/t definiert, wie in Fig. 7 veranschaulicht wird.
Für eine konstante Dicke, "t" für die Gruppe von Puffern, erzeugt daher eine Durchbiegung Δt die gleiche Formänderung in jedem Puffer und daher den gleichen Druck, vorausgesetzt, daß der scheinbare Druckmodul "E" konstant bleibt.
Für irgendein spezifisches elastisches Polymermaterial ist der absolute Modul im Zug oder Druck eine Funktion der Härte und wird im allgemeinen mit "E&sub0;" bezeichnet. Für einfache kreisförmige und rechteckige Blöcke unter Druck kann die Beziehung zwischen dem scheinbaren Modul "E" und "E&sub0;" durch die Gleichung:
E = E&sub0;(1 + 2kS²)
ermittelt werden.
Bei der vorangegangenen Gleichung ist "k" eine empirische Konstante mit einem Wert zwischen 0,5 und 1,0 und steht mit der Materialhärte in Beziehung.
Der Begriff "S" wird als der Formfaktor bezeichnet und ist eine dimensionslose Größe, die als das Verhältnis der Fläche einer belasteten Fläche des Blockes, dividiert durch den Gesamtwert der kraftfreien Flächen des Blockes, d. h., jene Flächen, die frei von einem Ausbauchen unter Belastung sind, definiert wird. Der Begriff "S" wird bei der vorangegangenen Gleichung ins Quadrat erhoben, so daß es wichtig ist zu sichern, daß dieses Verhältnis für alle einzelnen Blöcke in einer Baugruppe konstant bleibt, damit der scheinbare Modulbegriff "E" konstant bleibt.
Für das spezielle Beispiel, bei dem die Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm verwendet werden, die 2 mm dick sind, wird der Wert des Formfaktors betragen:
S = (π/4 · 12²) ÷ (π · 12 · 2) = 1,5
Bei diesem Beispiel wäre es möglich, Puffer mit alternativen Formen anstelle der Scheiben 25, 26 in Fig. 3 hinzuzufügen, vorausgesetzt, daß der Formfaktor bei einem Wert von gleich 1,5 bleibt. Für zusätzliche rechteckige Blöcke mit geradlinigen Seiten sind die zwei Formen, die diese Forderung erfüllen werden, die folgenden:
Quadrat 12 · 12 · 2 mm dick S = 12² ÷ (12 · 4 · 2) = 1,5
Rechteck 18 · 9 · 2 mm dick S = (18 · 9) ÷ (18 + 9) · 2 · 2 = 1,5
Es wird erkannt, daß ein Betätigungselement der fraglichen Ausführung normalerweise mit einem Kraftmeßwandler geliefert wird, der auf der Schneckenwelle, wie bei Fig. 1, für das Messen des Drehmomentes auf der Abtriebswelle oder auf der Abtriebswelle für das Messen der Axialkraft der Abtriebswelle, wie bei Fig. 5, angebracht ist. In bestimmten kritischen Bereichen kann es jedoch erforderlich sein, sowohl die Drehmoment- als auch Ausgangskraftwandlerbaugruppen bereitzustellen, damit eine kontinuierliche Messung des Getriebewirkungsgrades festgehalten werden kann, damit eine frühzeitige Abhilfe vorgenommen werden kann, wenn der Wirkungsgrad zu sinken beginnt, was auf einen nahe bevorstehenden Zahnrad- oder Lagerausfall hinweist.
In einer gleichen Situation kann es wünschenswert sein, zwei oder mehrere Druckwandler mit unabhängigen damit verbundenen elektronischen Schaltungen bereitzustellen, so daß jegliche Abweichung, die sich zwischen den Wandlersignalen entwickelt, überwacht werden kann, wobei eine derartige Abweichung eine frühzeitige Warnung liefert, daß ein Druckwandler oder seine damit verbundene Schaltung versagt.
Obgleich die vorangegangene Beschreibung die Verwendung von elektronischen Druckwandlern einschließt, wird erkannt, daß andere Formen von Druckwandlern gleichermaßen gut eingesetzt werden können, wie beispielsweise kleine sich durchbiegende Membranen in Verbindung mit faseroptischen Signalen.
Die vorangegangene Beschreibung betrifft eine Schubsensorbaugruppe, wie sie in einem Ventilbetätigungselement vorgefunden werden könnte, wo es erforderlich ist, den Schub in beiden Axialrichtungen der Welle zu messen. Wo Schubmessungen in nur einer Richtung erforderlich sind, kann die Baugruppe beträchtlich vereinfacht werden. Es ist ebenfalls möglich, die Schubsensorbaugruppe eher am Ende der Weile anzuordnen als an einer bestimmten anderen zweckmäßigen Stelle längs ihrer Länge. Zwei derartige Anordnungen werden in Fig. 8 und 9 gezeigt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 8, die das Ende einer typischen Welle des Betätigungselementmotors zeigt, veranschaulicht das eine einzelne elastische Polymerscheibe, die zwischen einer Montageplatte 34 und dem Gehäuse 35 eingebaut ist. Für kleinere Betätigungselementmotoren, wo das Schublager aus einer einzelnen Kugel 32 besteht, die zwischen der Motorwelle 33 und der Platte 34 angeordnet ist, kann die elastische Polymerscheibe 17 mit der Platte 34 verbunden werden, und der Druckwandler 18 wird danach in eine Aussparung am Ende des Motorgehäuses 35 montiert.
Fig. 9 veranschaulicht eine Anwendung mit höherer Leistung, wo der Schub durch ein kombiniertes Wellenzapfen- und Schubrillenkugellager 36 aufgenommen wird. Der äußere Laufring dieses Lagers ist als ein freier Gleitsitz in der Aussparung im Motorgehäuse 37 ausgeführt und stößt an eine Platte 38 an, die ebenfalls ein freier Gleitsitz in der gleichen Aussparung ist. Die elastische Polymerscheibe 17 ist mit der Platte 38 verbunden, und der Druckwandler 18 wird, wie vorangehend, in die kleinere Aussparung am Ende des Motorgehäuses 37 montiert.
Das wesentliche charakteristische Betriebsmerkmal der zwei richtungsabhängigen Wellenschubmeßbaugruppen, wie sie in Fig. 1 und Fig. 5 beschrieben und veranschaulicht werden, wird in vereinfachter Form in Fig. 10 gezeigt, bei der die abwechselnden Richtungen des Schubes an der Welle 38 durch die Pfeile 39 und 40 gekennzeichnet werden.
Wenn der Schub an der Welle 38 in der Richtung 39 wirkt, wird die Reaktionskraft mittels des Widerlagers 41 zwischen der Welle und der Druckscheibe 42 übertragen und daher mittels der Druckscheibenfläche 43 auf die Platte 44, die axial in der Aussparung im Gehäuse 45 frei gleiten kann. Die Kraft wird durch die zwei elastischen Polymerscheiben 16 und 17 übertragen, die an der Platte 44 befestigt sind, und daher auf die Montageplatte 46, die den einzelnen Druckwandler 18 enthält, der mit der elastischen Polymerscheibe 17 zusammenwirkt. Die Montageplatte 46 ist ebenfalls ein freier Gleitsitz im Gehäuse 45, und die Kraft wird schließlich mittels des Widerlagers 47 auf das Gehäuse überragen.
Wenn der Schub in der entgegengesetzten Richtung 40 wirkt, wird die Reaktionskraft zuerst auf die Druckscheibe 48 mittels des Widerlagers 49 zwischen der Scheibe und dem Ring 50 übertragen. Dieser Ring ist an der Welle mittels des Bolzens 51 befestigt. Die Kraft wird jetzt mittels der Druckscheibenfläche 52 auf die Montageplatte 46 übertragen und daher mittels der elastischen Polymerscheiben 16 und 17 auf die Platte 44 und schließlich mittels des Widerlagers 53 zwischen der Platte 44 und dem Gehäuse 45 auf das Gehäuse 45.
Man kann daher sehen, daß der Druckwandler 18 eine Ablesung proportional zum Schub liefern wird, wenn der Schub in beiden Richtungen wirkt, wie durch die Pfeile 39 und 40 gezeigt wird.
In der Praxis kann es erforderlich sein, die radialen Positionen der Platten 44 und 46 mittels Längskeilen und Keillängsnuten oder mittels äquivalenter charakteristischer Merkmale festzulegen, um zu sichern, daß der Druckwandler und die elastischen Polymerscheiben in einer bestimmten radialen Position bleiben.
Fig. 11 zeigt eine Ausführung, bei der ein einzelnes ringförmiges elastisches Polymerelement 54 schichtartig zwischen den Platten 55 und 56 angeordnet ist. Diese Platten entsprechen in der Position und Funktion der Montageplatte 11 und der Stützplatte 12 in Fig. 1, aber die Platte 56 ist mit einer ausgesparten Ringfläche 57 versehen, auf der das ringförmige elastische Polymerelement oder der elastomere Puffer 54 montiert wird. Die inneren und äußeren ringförmigen Wände der Aussparung bilden eine enge Passung mit den inneren und äußeren kreisförmigen Wänden des Polymerelementes. Die ringförmigen Wände der Aussparung werden verlängert, um einen Gleitsitz bei den zusammenwirkenden Durchmessern auf der Platte 55 bereitzustellen. Gleichermaßen ist das Folymerelement mit eng passenden Löchern versehen, durch die die Spannvorsprungschrauben 24 hindurchgehen. Dadurch weist das elastische Polymerelement, wenn es in seine Betriebsposition eingebaut ist, keine freien Randflächen auf.
Diese spezielle Ausführung ermöglicht die Verwendung eines Puffers aus homogenem Silicongummi bei keinerlei Gefahr, daß der Puffer eine bleibende Flächenveränderung infolge der Kriecherscheinung erleidet, wie sie beim Polymerpuffer auftreten kann, der einen freitragenden Rand aufweist.
In einer Situation, wo der Bereich der zu messenden Axialschübe den normalen Betriebssignalbereich des Druckwandlers übersteigt, kann die wirksame Fläche des ringförmigen elastischen Polymerelementes 54 verändert werden, indem der Innen- und der Außendurchmesser verändert werden, und indem entsprechende Veränderungen bei den zusammenwirkenden Durchmessen der Platten 55 und 56 vorgenommen werden, so daß der durch das Polymerelement übertragene Druckbereich innerhalb des Arbeirsdruckbereiches des Wandlers gehalten werden kann.
Das kann durch Verwendung einer Platte mit mehreren gleichmäßig beabstandeten Aussparungen bewirkt werden, so daß die verwendete Aussparung(en) ausgewählt werden kann, um sich an die Anzahl, Form und Größe der Puffer anzupassen. Alternativ kann eine Auswahl der geeignetsten Druckplatte mit der geeigneten Abmessung der Aussparung(en) aus einem Bereich von vorgeformten, anderweitig leicht austauschbaren derartigen Platten vorgenommen werden. Alternativ können die Aussparungen hinsichtlich der Größe regulierbar sein, da sie regulierbare Seitenwände aufweisen, die zusammen oder auseinander bewegt werden können.
Fig. 12 liefert eine grafische Darstellung, die die überraschenden wesentlichen Vorteile des Einschränkens des Pufferumfanges veranschaulicht. Wie aus der Linie C in der grafischen Darstellung zu ersehen ist, wenn drei kreisförmige Siliconpuffer mit einer Dicke von 2 mm und einem Durchmesser von 19 mm einen zunehmendem Zusammendrücken in einer ersten Schubsensorbaugruppe unterworfen werden, bei der die Umfänge der Puffer nicht eingeschränkt wurden, wich die Übereinstimmung bei der Ablesung vom piezowiderstandsbehafteten Drucksensor (Y-Achse 0-60 mV) mit Zunahme der angelegten Druckbelastung (X-Achse 0-1600 N), wie in Linie C gezeigt wird, deutlich von der erwarteten (Linie A) ab. Im Gegensatz dazu, wenn die Baugruppe so ausgeführt wurde, daß eine Einschränkung bei den Umfängen der Puffer bewirkt wird, stimmte der Sensorausgang, Linie B, mit dem erwarteten (Linie A) beinahe überein.
Es wird erkannt, daß andere Formen und eine andere Anzahl von elastischen Puffern eingesetzt werden können, um innerhalb des Arbeitsdruckbereiches des Wandlers zu bleiben, vorausgesetzt, daß, wenn Silicongummimaterial mit niedriger Härte verwendet wird, alle Ränder des elastischen Elementes (Elemente) durch die starren umgebenden Wände in der einen oder der anderen der Platten 55 und 56 eingeschränkt werden, ohne daß man vom Bereich der Erfindung abweicht.
Zusammenfassend sind daher die Ziele der Erfindung die folgenden:
1) Bereitstellen einer Einrichtung und eines Verfahrens zum Messen des Axialschubes, der in der Welle eines Betätigungselementes erzeugt wird, indem zuerst bewirkt wird, daß die Kraft gegen ein elastisches elastomeres Element oder Elemente wirkt, das zwischen starren Elementen mit bekannten Kontaktflächen schichtartig angeordnet ist, und indem zweitens der Druck, der so im elastischen elastomeren Element oder Elementen erzeugt wird, durch mindestens einen elektronischen Druckwandler kontinuierlich gemessen wird.
2) Bereitstellen einer Einrichtung, wobei die Kontaktfläche zwischen den starren und elastischen Elementen, die die durch die Welle erzeugten Reaktionskräfte aushalten, so variiert werden kann, daß die Kräfte am hohen Bereichsende bei Verwendung relativ großer Kontaktflächen gemessen werden können, und daß die Kräfte am niedrigen Bereichsende bei Verwendung relativ kleiner Kontaktfläche gemessen werden können, wobei das Ziel besteht, den resultierenden erzeugten Druckbereich innerhalb des Arbeitsbereiches des mindestens einen elektronischen Druckwandlers zu halten.
3) Verwenden eines Schnecken- und Schneckenrad-Untersetzungsgetriebes in einem Betätigungselement, um kontinuierlich das Drehmoment, das vom Schneckenrad übertragen wird, durch Messen der zur Reaktion kommenden Axialkraft, die sich in der Schneckenwelle einstellt, bei Verwendung der Einrichtung, die in den Zielen (1) und (2) beschrieben wird, und Multiplizieren des so erhaltenen Kraftwertes mit dem Teilkreisradius des Schneckenrades zu ermitteln.
4) Bei den vorangehend erwähnten Zielen, Bereitstellen einer Einrichtung derart, daß Kräfte, die in einer Richtung wirken, die parallel zur Wellenachse ist oder mit dieser zusammenfällt, die aber in Richtungen liegen können, die 180 Grad auseinander sind, immer eine Druckreaktionskraft auf das elastische Element ausüben werden, das zumindestens zu einem Druckwandler hin liegt.
5) Bereitstellen eines oder mehrerer elektronischer Druckwandler in Betätigungselementen, wie sie vorangehend beschrieben werden, bei denen die Bewegung der empfindlichen Fläche des Wandlers relativ zur umgebenden Montageplatte relativ sehr klein ist, so daß keine bedeutende Abweichung des Druckes im elastischen Element in dem Bereich in unmittelbarer Nähe der empfindlichen Fläche des Wandlers zu verzeichnen ist. In diesem Zusammenhang wird die Durchbiegung der empfindlichen Fläche des Wandlers beispielsweise in der Größenordnung von einem Tausendstel des wirksamen Flächendurchmessers liegen.
6) Bei den vorangehend erwähnten Zielen, Bereitstellen von mindestens einem elektronischen Druckwandler, bei dem die empfindliche Fläche des Wandlers unter rechtem Winkel zur Wellenachse verläuft, aber von der Wellenachse versetzt ist.
7) Mildern oder im wesentlichen Verhindern des Fehlers, der sich aus der Verwendung von elastisch zusammendrückbaren elastomeren Puffern in der Schubsensorbaugruppe ergibt, indem die Umfänge der Puffer eingeschränkt werden, um im wesentlichen deren Ausbauchen beim Einsatz zu verhindern.

Claims

1. Schubsensorbaugruppe, die für einen Einsatz mit einem Betätigungselement der Ausführung geeignet ist, bei der eine Antriebskraft auf eine Betätigungselementwelle (5) angewandt wird, und wobei die Schubsensorbaugruppe eine erste Druckplatteneinrichtung (11) und eine zweite Druckplatteneinrichtung (12) aufweist, wobei mindestens eine der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) auf der Welle (5) ist oder so ausgeführt ist, daß sie damit direkt oder indirekt in Eingriff kommt, um sich axial mit der Welle (5) zu bewegen, und wobei die zweite Druckplatteneinrichtung (12) so angeordnet ist, daß sie der ersten Druckplatteneinrichtung (11) mit mindestens einem dazwischen schichtartig angeordneten elastisch zusammendrückbaren, im wesentlichen elastomeren Puffer (16, 17) gegenüberliegt, wobei ein Druckwandler (18) auf einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) montiert ist, wobei der Puffer oder die Puffer (16, 17) eine Kontaktfläche mit einem Kontaktbereich aufweist, der einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) gegenüberliegt, auf der der Druckwandler (18) montiert ist, wobei die Sensorbaugruppe so angeordnet ist, daß beim Einsatz die Bewegung der ersten Druckplatteneinrichtung (11) zur zweiten Druckplatteneinrichtung (12) den elastomeren Puffer (die elastomeren Puffer) (16, 17) zwischen den zwei Druckplatteneinrichtungen (11, 12) zusammendrückt, wobei nicht der gesamte Kontaktbereich des Puffers oder der Puffer (16, 17) gegen den Druckwandler (18) drückt und dadurch ein Signal vom Druckwandler (18) induziert, das dem Schub der Betätigungselementwelle (5) entspricht, wobei die Schubsensorbaugruppe so ausgeführt ist, daß der gesamte Kontaktbereich der Oberfläche des zusammendrückbaren Puffers oder der zusammendrückbaren Puffer (16, 17), der einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) gegenüberliegt, die den Druckwandler (18) trägt, selektiv veränderlich ist, um das Ausmaß des Schubes zu verändern, der zum Wandler (18) übertragen wird, indem der Puffer oder die Puffer (16, 17) durch einen oder mehrere größere oder kleinere Puffer (16, 17) ersetzt werden, oder indem eine größere oder kleinere Anzahl von im wesentlichen identischen Puffern (16, 17) verwendet wird, wodurch ein breiter Bereich von Betätigungselementschüben aufgenommen werden kann, während der an den Druckwandler (18) angelegte Druck innerhalb des Betriebsbereiches des Druckwandlers (18) aufrechterhalten wird.

2. Schubsensorbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der elastisch zusammendrückbare Puffer oder die elastisch zusammendrückbaren Puffer (16, 17) eine laminierte Konstruktion aufweisen, die ein Paar elastisch zusammendrückbare Schichten aufweist, eine auf jeder Seite einer Schicht eines Materials mit höherem Elastizitätsmodul.

3. Schubsensorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, bei der der oder jeder Puffer (16, 17) unveränderlich an der ersten oder zweiten Druckplatteneinrichtung (11, 12) montiert ist.

4. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der der oder jeder Puffer (16, 17) an einem starren dazwischenliegenden Element montiert ist, so daß beim Einsatz ein Schub von der ersten Druckplatteneinrichtung (11) auf den Puffer (die Puffer) (16, 17) über das dazwischenliegende Element übertragen wird.

5. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der eine oder mehrere Aussparungen in einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12), oder, wo ein dazwischenliegendes Element vorhanden ist, wahlweise im dazwischenliegenden Element vorhanden sind, wobei die oder jede Aussparung vollständig einen entsprechenden elastomeren Puffer (16, 17) aufnimmt und beim Einsatz den Umfang des Puffers (16, 17) vollständig einschränkt, wodurch der gesamte Puffer oder die gesamten Puffer (16, 17) vollständig peripher eingeschränkt sind.

6. Schubsensorbaugruppe nach Anspruch 5, bei der die Druckplatteneinrichtungen (11, 12) oder das dazwischenliegende Element gegenüberliegt und beim Einsatz in Richtung der einen der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) oder des dazwischenliegenden Elementes, die die Aussparung(en) aufweisen, drücken, so gestaltet sind, daß sie in die Aussparung(en) hineinragen, um beim Einsatz gegen den Puffer (die Puffer) (16, 17) zu drücken.

7. Schubsensorbaugruppe nach Anspruch 5, bei der der nicht zusammendrückbare Einsatz in der oder jeder Aussparung bereitgestellt wird, damit er über dem Puffer (den Puffern) (16, 17) liegt und gleichmäßig die Druckkraft auf den Puffer (die Puffer) (16, 17) beim Einsatz überträgt.

8. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der die zweite Druckplatteneinrichtung (12) so mit der Welle (5) in Eingriff gebracht wird oder damit in Eingriff kommen kann, daß sie sich beim Einsatz mit der Welle (5) bewegt, wenn sich die Welle (5) in der umgekehrten Richtung bewegt, und die erste Druckplatteneinrichtung (11) so von der Welle (5) getrennt wird oder getrennt werden kann, daß sie sich nicht bewegt, wenn sich die Welle beim Einsatz in der umgekehrten Richtung bewegt, wodurch der Schub in der umgekehrten Richtung gemessen werden kann.

9. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der der Druckwandler (18) in eine der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) eingebaut ist, wobei die druckempfindliche Fläche des Wandlers (18) mit der Fläche der Druckplatteneinrichtung (11, 12) bündig ist, in der er montiert ist.

10. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der die oder jede Druckplatteneinrichtung (11, 12) kreisförmig und/oder ringförmig ist.

11. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der der oder jeder elastische Puffer (16, 17) kreisförmig und/oder ringförmig ist.

12. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der zwei elastische Puffer (16, 17) bereitgestellt werden, wobei die Puffer (16, 17) diametral zueinander gegenüberliegend um die Betätigungselementwelle (5) herum angeordnet sind.

13. Schubsensorbaugruppe nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der die Baugruppe auf der Schneckenwelle (5) eines Betätigungselementgetriebes in Schnecken- und Schneckenradausführung montiert und so angeordnet ist, daß die axiale Kraft auf die Schneckenwelle (5) dadurch gemessen wird, wobei die Kraft beim Einsatz mit dem Teilkreisradius des Schneckenrades multipliziert wird, um einen Wert des Drehmomentes zu erhalten, das durch das Schneckenrad auf die Abtriebswelle des Betätigungselementgetriebes übertragen wird.

14. Schubsensorbaugruppe, die für einen Einsatz mit einem Betätigungselement der Ausführung geeignet ist, bei dem eine Antriebskraft auf eine Betätigungselementwelle (5) angewandt wird, und wobei die Schubsensorbaugruppe eine erste Druckplatteneinrichtung (11) und eine zweite Druckplatteneinrichtung (12) aufweist, wobei mindestens eine Druckplatteneinrichtung (11, 12) auf der Welle (5) ist oder so ausgeführt ist, daß sie damit direkt oder indirekt in Eingriff kommt, um sich axial mit der Welle (5) zu bewegen, und wobei die zweite Druckplatteneinrichtung (12) so angeordnet ist, daß sie der ersten Druckplatteneinrichtung (11) mit mindestens einem dazwischen schichtartig angeordneten elastisch zusammendrückbaren, im wesentlichen elastomeren Puffer (16, 17) gegenüberliegt, wobei ein Druckwandler (18) auf einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12) montiert ist, wodurch die Sensorbaugruppe so angeordnet ist, daß beim Einsatz die Bewegung der ersten Druckplatteneinrichtung (11) zur zweiten Druckplatteneinrichtung (12) den elastomeren Puffer (die elastomeren Puffer) (16, 17) zwischen den zwei Druckplatteneinrichtungen (11, 12) zusammendrückt und gegen den Druckwandler (18), wodurch ein Signal vom Druckwandler (18) induziert wird, das dem Schub der Betätigungselementwelle (5) entspricht, bei der eine oder mehrere Aussparungen in einer der Druckplatteneinrichtungen (11, 12), oder, wo ein starres dazwischenliegendes Element zwischen den Druckplatteneinrichtungen (11, 12) vorhanden ist, wahlweise im dazwischenliegenden Element vorhanden sind, wobei die oder jede Aussparung einen entsprechenden elastomeren Puffer (16, 17) aufnimmt und beim Einsatz den Umfang des Puffers (16, 17) einschränkt, wodurch der gesamte Puffer oder die gesamten Puffer (16, 17) somit eingeschränkt sind.

15. Betätigungselement, das eine Schubsensorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingebaut hat.

16. Schubsensorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zwei oder mehrere Puffer (16, 17) vorhanden sind, und bei der der Kontaktbereich den kombinierten Bereich der Kontaktfläche aller der zwei oder mehreren Puffer (16, 17) aufweist.