EP4327061A1 - Sensorik zur lasterfassung an metallkissen - Google Patents

Sensorik zur lasterfassung an metallkissen

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Publication number
EP4327061A1
EP4327061A1 EP22723609.8A EP22723609A EP4327061A1 EP 4327061 A1 EP4327061 A1 EP 4327061A1 EP 22723609 A EP22723609 A EP 22723609A EP 4327061 A1 EP4327061 A1 EP 4327061A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
metal pad
impedance
metal
contacting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22723609.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Rieß
William Kaal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4327061A1 publication Critical patent/EP4327061A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1623—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of pressure sensitive conductors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/164—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in inductance

Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting mechanical loads, based on a metal cushion. Furthermore, an elastic bearing and a method for recording mechanical loads on metal cushions are described.
  • Force sensors integrated in the elastic bearings are common for this purpose. As a rule, these use either the piezo effect or a change in electrical resistance when the measuring strips (SG) are deformed. These force sensors are used in series with the elastic elements and therefore require additional space.
  • displacement sensors can also be used to detect the load and can also be installed parallel to the elastic elements, although this arrangement can also result in measurement errors.
  • acceleration sensors can also be used, but due to the nature of the principle, these are also subject to a great deal of error when determining the load, since they require precise knowledge of the mechanical bearing properties. All of these known sensor solutions are therefore often complex to construct, cost-intensive or error-prone.
  • Metal cushions are wire meshes pressed into geometric shapes that can be used, among other things, as elastic bearing elements. They therefore represent an alternative to conventional elastomer elements in many areas of vibration technology. They are used, for example, in vibration dampers or vibration absorbers, as elastic bearings or in noise reduction.
  • a characteristic of metal pads is that their stiffness is dependent on a preload due to the increase in contact points between wire segments at higher loads. However, this increase in contact points also changes the electrical resistance or the electrical impedance of the metal pads. This effect is to be exploited in order to be able to record the load on a metal cushion directly via an impedance measurement and thus to create a simple sensor system that can be integrated directly into an elastic element.
  • One object of the present protection application is therefore to present a simple sensor for detecting mechanical loads, which can be integrated into elastic bearings based on metal cushions without great design effort.
  • several such sensors can be integrated in an elastic bearing.
  • a measuring method is proposed with which a mechanical load on a metal cushion can be recorded in a simple manner.
  • a sensor for detecting mechanical stresses comprises a metal pad arranged between a first and a second connector, the connectors being designed to allow mechanical deformation of the metal pad by loads, at least one insulating layer designed to insulate the metal to insulate the pad from the outside, a measuring unit for measuring a change in an electrical impedance of the metal pad, and at least two contacting units which make electrical contact with the metal pad at at least two different points and connect it to the measuring unit, so that loads due to the change in the impedance of the metal pad are eliminated can be detected by the deformation of the metal pad.
  • the basic mechanical structure of the sensor does not differ much from an elastic bearing element in which a metal cushion is used:
  • a metal cushion is located between two connecting parts, which can have different shapes, such as a base plate and a cover.
  • the connecting parts can consist of different, electrically conductive or non-conductive materials.
  • the fittings are used to mount the sensor/bearing, and allow the metal pad to deform when loaded through the fittings.
  • the connecting parts can also be designed in such a way that they can be used to set a preload on the metal cushion.
  • the metal cushion is a pressed knitted fabric made of metallic wires.
  • the shape of the cushion can be selected at will, among others, cylinder, ring or cuboid cushions are common, but shapes specially tailored to applications can also be selected.
  • Metal pads have elastic properties because the wires randomly or orderly exhibit kinks or bends about multiple axes, individually acting as non-directional weak springs. The wires touch each other at contact points. If the metal cushion is compressed, the number of these contact points increases.
  • the metal cushion can thus be viewed as a whole as a spring body with a substantially homogeneous distribution of material.
  • the individual wires, and thus the entire metal pad are electrically conductive. So it has an electrical resistance.
  • impedance is used in general. However, it should be understood that both the ohmic resistance and the impedance of the metal pad change with stress and are therefore suitable for detecting the stress.
  • the senor When the sensor is in the form of a stack of first connector, metal pad and second connector, the sensor can be used to detect loads acting in that longitudinal direction. Loads in other directions can also be recorded by suitably selecting the shape of connecting parts and metal pads. In this way, mechanical loads can be detected by measuring the impedance of the metal cushion.
  • the metal pad is connected to a measuring unit by at least two contacting units.
  • a current can be conducted through the metal pad via the contacting units.
  • the contacting units can include various conventional connecting elements for making electrical contact, such as wires, cables, clamps, screws and contact pins. Non-detachable contacts such as soldered, welded or pressed connections are also conceivable. Since the metal pad is movably mounted, a purely mechanical sliding contact between the metal pad and two contact layers is also possible.
  • the metal pad is contacted in at least two different places, so that the impedance of the entire metal pad or a section of the Metal cushion can be detected. For this purpose, for example, the top and bottom of the metal pad or two opposite points on the surface of the metal pad are suitable for contacting.
  • the measuring unit can be a conventional measuring device for measuring impedance, for example an LCR meter or an impedance analyzer. Impedance can be measured as a function of frequency. If direct current is used, a simple resistance measurement, for example with a multimeter, is sufficient. The basic evaluation
  • the 10 teelektronik can therefore have a relatively simple structure.
  • the measuring unit can also have specialized electronics that are able to perform further functions.
  • the sensor In order to minimize parasitic effects, the sensor must be isolated
  • At least one insulation layer is used for this purpose, which insulates the sensor from the outside, i.e. from surrounding, electrically conductive components. This avoids parasitic shunts that falsify the impedance measurement.
  • the insulation layer can take different forms and be attached to different positions in the sensor, as long as it
  • the insulation layer can be applied around the entire sensor, for example as a capsule.
  • the at least one insulating layer can also be applied to the connection parts as an insulating coating or paint finish.
  • the insulating layer can be applied as insulating material to the surfaces of the connecting parts facing away from the metal pad. In this case, the An
  • connection parts must be conductively connected to the metal cushion and assume functions within the framework of the contacting units, but the metal cushion is nevertheless isolated from external components.
  • connection parts are made of an electrically insulating material, the insulation layer can be formed in one piece with the connection parts. The insulation layer can also be on
  • the metal pad 35 be applied as insulating material to the surfaces of the connecting parts facing the metal pad.
  • the metal pad is already isolated from the connecting parts and appropriately adapted contacting units must be used.
  • the metal pad may be ring-shaped. This form is common and allows, for example, the metal cushion to be arranged around a prestressing device consisting of an adjusting screw. In the case of an annular metal cushion, the electrical contact can be made via the contacting units, for example on the inside of the ring and on the outside of the ring.
  • a ring-shaped metal pad also allows the sensor to be designed radially.
  • an annular metal cushion is arranged between a first connection part, which extends through the central opening of the metal cushion, and a second connection part, which describes the inner surface of a cylinder.
  • a first connection part can be a bolt, for example, and a second connection part can be the inner casing of a bearing bush. With this arrangement, radial loads can be recorded. An insulating layer can then be applied, for example, to the outside of the socket.
  • the contacting units can include a first contacting layer on the first connection part and a second contacting layer on the second connection part.
  • the contacting layers consist of an electrically conductive material and are in permanent or detachable contact with the metal pad, so that a conductive connection is established between the metal pad and the measuring unit.
  • the contacting layers can be mechanically fastened to the connecting parts or applied to them.
  • the at least one insulating layer can be applied as an insulating coating to surfaces of the contacting layers that are remote from the metal pad. These insulating coatings can be arranged, for example, as an intermediate layer between contacting layers and connection parts.
  • connection parts can be made of a conductive material or at least have conductive areas.
  • de Connection parts can then be connected to the measuring unit via cables, for example, and thus create an electrical connection between the metal pad and the measuring unit.
  • the insulation layer must insulate the connection parts from the outside and can, for example, be painted for this purpose
  • the contacting layers can be segmented. Individual segments can be contacted via additional contacting units, so that impedance measurements between different segments are possible
  • the contacting units can be designed to enable a four-wire measurement. In this way, the impedance of the contacting units, for example of connections and terminals, can be compensated.
  • the sensor may additionally include a linear spring also disposed between the first and second connectors.
  • a linear spring also disposed between the first and second connectors.
  • it can be, for example, a
  • a radial arrangement of the components can be, for example, a radial spring which, like the metal cushion, is arranged between the inner, first, and outer, second connection part. Any non-linear behavior of the metal pad can be compensated for by such a spring.
  • the sensor can be designed to compensate for changes in temperature of the metal pad.
  • the sensor can comprise a temperature sensor on the metal pad, which is connected to the measuring unit. This can be designed to measure the impedance
  • the measuring current used for impedance measurement must be compensated so that the temperature change does not affect the impedance and thus lead to errors in the detection of the load.
  • the measurement unit is designed to linearize the impedance measurement. This can be done using suitable electronics in the measuring unit.
  • the measuring unit can also be designed to carry out the impedance measurement over a large frequency range in order to enable a more precise evaluation and to obtain further information about the condition of the metal pad.
  • the sensor's structure largely corresponds to an elastic bearing with metal cushions and can therefore be integrated into such bearing elements with little additional effort. Since the sensor is located directly in the load path, the mechanical load can also be recorded directly.
  • An elastic bearing includes at least one described sensor for detecting mechanical loads.
  • it can be an elastomer bearing.
  • an accurate and spatially resolved detection of the load on the bearing can follow.
  • By monitoring the mechanical load safe use of the elastic bearing can be guaranteed.
  • an elastic bearing can comprise at least one second sensor, which is arranged antagonistically to the first sensor.
  • an elastic bearing can contain additional sensors for detecting mechanical loads. These can be arranged in spatially different directions, which enables improved detection of loads in several dimensions. For example, can
  • the sensors can be arranged with their axes perpendicular to one another, or can be arranged rotationally symmetrically around a common axis.
  • a method for detecting mechanical loads on a metal pad includes the steps
  • the metal pad does not have to be installed in the form of a sensor for this method. It can instead be installed in a bearing element, for example, and the determination of the load is used to adjust the bearing
  • the method can be used in the manufacture of metal pads when a specific load is desired to press a metal pad into shape.
  • the metal pad is deformed by the load and its impedance changes. By measuring this change, the load can be recorded.
  • the impedance measurement can be carried out using a four-wire measurement in order to compensate for the impedance of the contact leads.
  • metal pads are components that respond to stress in a non-linear manner, it may be useful to linearize the measured change in impedance to determine the actual stress on the metal pad.
  • the measurement of the change in impedance can be made over a wide frequency range to enable a more accurate evaluation and to obtain more information about the condition of the metal pad.
  • 1a is a schematic representation of a first embodiment of the sensor
  • Fig. lb is a cross section of the schematic representation in Fig. La
  • FIG. 2a is a perspective view of a second embodiment of a sensor
  • Figure 2b is a top view of the sensor of Figure 2a
  • Fig. 2c represents a cross-section along the axis A-A in Fig. 2b
  • 3a is a perspective view of a third embodiment of a sensor
  • Figure 3b is a top view of the sensor of Figure 3a
  • Fig. 3c represents a cross-section along the axis BB in Fig. 3b
  • Fig. 4 shows diagrams of measurements of the sensor in a tension-compression testing machine
  • Fig. 5a shows a side view of a sensor with a surrounding spiral spring
  • Fig. 5b shows a perspective view of a sensor with a surrounding coil spring
  • FIG. 6 is a schematic representation of another embodiment of a sensor
  • FIG. 7 is an exploded view of a sensor with segmented contact layers.
  • Figure 8 is a schematic representation of using the method in adjusting an elastic bearing element.
  • a first embodiment of the sensor 1 is shown schematically to illustrate a general structure.
  • the sensor 1 is designed as a vertical stack of a first connection part 3 , an insulation layer 4 , a first contacting layer 5 , a metal pad 2 , a second contacting layer 5 , an insulation layer 5 and a second connection part 3 .
  • This structure also corresponds to the structure of a simple elastic bearing with metal pads 2.
  • the connecting parts 3 are used to install the sensor, for example between two components. In this embodiment, as can be seen in FIG. 1b, there are two simple annular plates. In this case, the connection parts 3 must be movable relative to one another in order to transfer a mechanical load to the metal cushion 2 by an external force.
  • connection parts 3, insulating layers 4, contacting layers 5 and the metal cushion 2 can be chosen arbitrarily in order to be adapted to the demands of the use of the sensor. By choosing suitable designs, different load directions can be recorded.
  • the metal cushion 2 is arranged between the connecting parts 3 in such a way that it can be deformed by them.
  • a first and a second contacting layer 5 are placed on the corresponding connection parts 3 above and below the metal pad.
  • the contacting layers 5 are in mechanical and electrical contact with the metal pad.
  • the contacting layers 5 are electrically insulated from the connection parts 3 by the insulating layers 4 .
  • the metal pad 2 is isolated from the connecting parts 3 and from other external components.
  • the two contacting layers 5 are each connected to the measuring unit 7 via two connections and thus each form a contacting unit 6.
  • the use of four connections enables impedance measurement using four-wire measurement, so that the impedances of connections and conductors of the contacting units 6 do not falsify the measurement and only the impedance of the metal pad 2 can be measured even if it has a small impedance compared to terminals and leads.
  • Coaxial cables for example, are suitable as lines for the contacting units.
  • the measuring unit 7 is designed to measure the impedance of the metal cushion 2 . It can be, for example, simple evaluation electronics, an LCR measuring device or an impedance analyzer. The measuring unit 7 conducts a known measuring current through the metal pad 2 via the contacting units 6.
  • Direct current is used for pure resistance measurement, and alternating current is used for impedance measurement, also depending on the frequency of the alternating voltage.
  • the measuring unit 7 can have additional functions, for example to linearize the measurement results or to compensate for the influence of the temperature of the metal cushion 2 .
  • the applied measurement current and external influences can cause the metal cushion 2 to heat up, which can lead to a change in its impedance behavior.
  • a corresponding correction can therefore be made via a temperature sensor (not shown), which detects the temperature of the metal pad 2 , and a temperature-impedance characteristic curve of the metal pad 2 stored in the measuring unit 7 .
  • the metal cushion 2 is deformed as a result.
  • the metal cushion 2 is compressed. This results in more contact points between the individual wires of the metal pad 2 and the impedance of the metal pad 2 decreases.
  • the metal cushion can expand, the number of contact points decreases and the impedance increases.
  • the design of the sensor corresponds to an elastic bearing based on a metal cushion, so it can be replaced wherever such a bearing is installed.
  • FIGS. 2a-2c A further embodiment of the sensor 1 is shown in FIGS. 2a-2c.
  • Fig. 2a shows a perspective view of a can-shaped sensor 1.
  • Fig. 2a shows a perspective view of a can-shaped sensor 1.
  • FIG. 2b A top plan view of the sensor is shown in Figure 2b, in which an axis A-A is marked. 2c shows a cross-section through the sensor along this axis.
  • the difference between this embodiment and the embodiment shown in FIG. 1 is that in this embodiment the connection parts 3 themselves serve as contacting layers 5 for contacting the metal pad 2 .
  • the connecting parts 3 have holes, the NEN for guiding the cable 6. These are electrically conductively connected to the connection parts via grub screws 8 , so that a circuit is closed via the metal pad 2 .
  • the insulating layer 4 is a coating applied to the top of the upper connection part or the underside of the lower connection part.
  • FIG. 3a shows a perspective view of a radial sensor 1.
  • FIG. 3b shows a plan view of the sensor from above, in which an axis BB is marked.
  • Fig. 3c shows a cross section through the sensor along the water axis.
  • the metal pad 2 necessarily has the shape of a ring.
  • a first connector 3 is in the form of a bolt and extends through the central opening of the annular metal pad 2. From the outside, the metal pad 3 is bordered by the cylindrical inner surface of a bore or bushing which the second connector 3 forms.
  • the two connection parts 3 are electrically conductive and insulated from the outside.
  • the contacting units are 6 in 3 not shown.
  • the two connection parts le 3 are mounted so that they can move relative to one another.
  • the metal pad 2 may be deformed by a load applied to a connector, which can be detected as an impedance change. In this way, radial loads can be recorded.
  • the direction of the load can also be recorded.
  • FIG. 4 shows measurement results of a sensor of the embodiment as shown in FIG. 2 in a tension-compression testing machine.
  • the diagrams on the left show the chronological progression of the path by which the sensor was compressed by the testing machine, the force that the testing machine applied and the electrical conductance measured at the sensor, i.e. the reciprocal of the electrical resistance.
  • force and displacement do not behave completely synchronously with one another, since the internal friction in the metal cushion results in hysteresis behavior and the metal cushion also has non-linear rigidity. This relationship can also be seen in the displacement-force diagram on the right-hand side below.
  • the electrical conductance of the metal pad is largely proportional to the load from the tension-compression testing machine.
  • FIGS. 5a and 5b A further possibility for reducing non-linearities in the measurement is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • Fig. 5a shows a side view of the Sen sor 1
  • Fig. 5b is a perspective view.
  • This is an embodiment of the sensor 1 with a surrounding coil spring 9.
  • the non-linear behavior of the metal cushion is compensated for by using a coil spring that behaves linearly in the relevant load range.
  • radial springs can be used in embodiments of the sensor as in FIG. 3 or other linear springs can be used in other embodiments.
  • the impedance measurement can take place on one side of the bearing, which can be useful depending on the application and design.
  • the metal pad 2 can be contacted in any way that can be chosen, for example via terminals or contact pins. It should only be noted that the contacting units 6 must contact the metal pad at at least two different points and connect it to the measuring unit 7 in order to enable an impedance measurement. By choosing the position of the contact on the metal pad 2, different load directions can be detected.
  • FIG. 7 is a simplified exploded view of a sensor 1.
  • Contacting units 6 and a measuring unit 7 are not shown for the sake of clarity.
  • As an insulating layer 4 is again a paint that is applied to the top of the upper connection part, or the underside of the lower connection part.
  • the contacting layers 5 are applied to the connecting parts 3 as a plurality of segments. These segments can each be contacted individually, thus enabling impedance measurements between individual segments. In this way, deformations of the metal cushion 2 due to loads can be detected more precisely and a spatial resolution of the loads and load directions can be detected. For example, shear forces or tilting can also be measured.
  • the described embodiments of the sensors 1 for detecting mechanical loads do not have to be used individually, but can be combined with one another. They can also be used in conjunction with other forms of resilient mounts. In particular, they can be integrated into elastomer bearings in order to provide a simple sensor system for them.
  • at least two sensors which are arranged antagonistically to one another (see FIG. 8 as an example), non-linearities can be compensated for and temperature changes can be compensated for.
  • several in different Sensors arranged in different directions can also be used to achieve resolutions in different spatial directions.
  • FIG. 8 shows schematically how it can be used to measure the prestress when adjusting an elastic bearing with metal pads 2 .
  • the elastic bearing serves to position a body 11 against a base plate 10 and consists of two metal cushions 2.
  • a metal cushion 2 is arranged between the base plate 10 and the body 11 to be supported, and a metal cushion on the opposite side between the base plate 10 and a Holding plate 12.
  • the Vorspanneinrich device 13 consists of an adjusting screw and a nut, via which the stand from between the holding plate 12, base plate 10 and the body 11 to be stored can be adjusted.
  • the metal cushions are thus subjected to an adjustable load by the prestressing device 13.
  • the rigidity of the metal cushions can thus be set via this prestress.
  • the metal pads are electrically contacted and connected via cable 6 to a measuring unit 7 for impedance measurement.
  • this is done in this illustration via contacting layers 5 with insulating layers 4, which insulate the metal pad 2 from the environment.
  • the biasing device 13 By tightening the biasing device 13, the metal pad 2 will be loaded and deformed.
  • the measured impedance of the metal pads 2 changes as a result of this deformation and, with a known proportionality, it is possible to deduce the stress exerted on the metal pads.
  • the same process can also be used, for example, in the manufacture of metal cushions, in which knitted wire mesh is pressed into moulds.
  • the metal pads are contacted in the form of loosely pressed knitted wire and connected to a measuring unit so that their impedance can be recorded over the course of the manufacturing process.
  • the metal cushions are then pressed together by stamps and the applied load is monitored via the impedance measurement. If the load required for the desired compression is reached, the production is complete. In this way, the method described can be used for process monitoring in the manufacture of metal pads.
  • the embodiments shown here are not limiting. In particular, the features of these exemplary embodiments can be combined with one another in order to achieve additional effects. It will be apparent to those skilled in the art that changes may be made in these embodiments without departing from the fundamental principles of the subject matter hereof

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Abstract

Sensor (1) zur Erfassung von mechanischen Belastungen, umfassend ein Metallkissen (2), angeordnet zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlussteil (3), wobei die Anschlussteile (3) ausgelegt sind, eine mechanische Verformung des Metallkissens (2) durch Belastungen zu ermöglichen, mindestens eine Isolationsschicht (4), die dazu ausgelegt ist, das Metallkissen (2) nach außen zu isolieren, eine Messeinheit (7) zur Messung einer Änderung einer elektrischen Impedanz des Metallkissens (2), und mindestens zwei Kontaktierungseinheiten (6), die das Metallkissen (2) an mindestens zwei verschiedenen Stellen elektrisch kontaktieren und mit der Messeinheit (7) verbinden, sodass Belastungen auf Grund der Änderung der Impedanz des Metallkissens (2) durch die Verformung des Metallkissens (2) erfasst werden können.

Description

Sensorik zur Lasterfassung an Metallkissen
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastun gen, basierend auf einem Metallkissen. Des Weiteren werden ein elastisches Lager und ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an Me tallkissen beschrieben.
Allgemein ist es in vielen Anwendungsfällen sinnvoll, die Belastungen von elastischen Lagern zu erfassen, zum Beispiel während der Montage zur Ein- Stellung 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 Verfor mung 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 Ele mente ebenfalls zur Erfassung der Belastung verwendet werden und können auch parallel zu den elastischen Elementen verbaut werden, allerdings kön nen 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 La gereigenschaften voraussetzen. Alle diese bekannten Sensorlösungen sind daher häufig aufwändig in der Konstruktion, kostenintensiv oder fehleranfäl lig.
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 her kömmlichen Elastomerelementen dar. Anwendung finden sie beispielsweise in Schwingungsdämpfern oder Schwingungstilgern, als elastische Lagerung oder in der Lärmreduzierung. Eine kennzeichnende Eigenschaft von Metallkis sen ist, dass ihre Steifigkeit abhängig von einer Vorspannung ist, bedingt durch die Zunahme an Kontaktpunkten zwischen Drahtsegmenten bei höhe ren Belastungen. Durch diese Zunahme an Kontaktpunkten ändert sich jedoch auch der elektrische Widerstand, bzw. die elektrische Impedanz der Metallkis sen. Dieser Effekt soll ausgenutzt werden, um die Belastung eines Metallkis sens über eine Impedanzmessung direkt erfassen zu können und somit eine einfache Sensorik zu schaffen, die direkt in ein elastisches Element integriert werden kann.
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 vor geschlagen, mit dem sich auf einfache Art und Weise eine mechanische Belas tung an einem Metallkissen erfassen lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ein entsprechendes elastisches Lager wird in Anspruch 14 und ein Ver fahren zur Erfassung einer mechanischen Belastung an einem Metallkissen in dem unabhängigen Anspruch 17 beschrieben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Sensor zur Erfassung von mechanischen Belastungen, umfasst ein Metallkissen, angeordnet zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlussteil, wobei die Anschlusstei le ausgelegt sind, eine mechanische Verformung des Metallkissens durch Be lastungen zu ermöglichen, mindestens eine Isolationsschicht, die dazu ausgelegt ist, das Metall kissen nach außen zu isolieren, eine Messeinheit zur Messung einer Änderung einer elektrischen Im pedanz 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.
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 Bei spiel die einer Basisplatte und eines Deckels, haben können, befindet sich ein Metallkissen. Je nach Ausführungsform können die Anschlussteile aus unter schiedlichen, elektrisch leitenden oder nicht leitenden, Materialien bestehen. Die Anschlussteile dienen zum Einbau des Sensors/des Lagers, und ermögli chen 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 ein stellen lässt.
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. Metallkis sen haben elastische Eigenschaften, da die Drähte in zufälliger oder geordne ter Weise Knicke oder Biegungen um mehrere Achsen aufweisen und so ein zeln als ungerichtete schwache Federn wirken. Die Drähte berühren sich dabei an Kontaktpunkten. Wird das Metallkissen komprimiert, erhöht sich die An zahl dieser Kontaktpunkte. Das Metallkissen kann so als Ganzes als Federkör per 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 ver ringert 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.
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 Belas tung zu erfassen.
Wenn der Sensor die Form einer Stapelung aus ersten Anschlussteil, Metall kissen und zweiten Anschlussteil hat, kann der Sensor zur Erfassung von Be lastungen, 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 Metall kissen erfassen.
Zu diesem Zweck wird das Metallkissen durch mindestens zwei Kontaktie rungseinheiten mit einer Messeinheit verbunden. Über die Kontaktierungs einheiten kann ein Strom durch das Metallkissen geleitet werden. Die Kontak tierungseinheiten 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 Metall kissen beweglich gelagert ist, bietet sich auch ein rein mechanischer Gleitkon takt zwischen dem Metallkissen und zwei Kontaktierungsschichten an. Das Metallkissen wird an mindesten zwei verschiedenen Stellen kontaktiert, so dass 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 gegenüber liegende Punkte auf der Oberfläche des Metallkissens an.
5 Bei der Messeinheit kann es sich um ein herkömmliches Messgerät zur Impe danzmessung, 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, bei spielsweise durch ein Multimeter, ausreichend. Die grundlegende Auswer
10 teelektronik kann also relativ einfach aufgebaut sein. Die Messeinheit kann jedoch auch eine spezialisierte Elektronik aufweisen, die in der Lage ist weite re Funktionen auszuführen.
Um parasitäre Effekte zu minimieren, ist eine Isolation des Sensors notwen
15 dig. 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 ver fälschen. Die Isolationsschicht kann dabei verschiedene Formen annehmen und an unterschiedlichen Positionen im Sensor angebracht sein, so lange sie
20 das Metallkissen gegen Bauteile, die nicht Teil des Sensors sind, isoliert, und gleichzeitig eine Kontaktierung des Metallkissens zur Impedanzmessung er möglicht. Zu diesem Zweck kann die Isolationsschicht zum Beispiel als Kapsel um den gesamten Sensor angelegt sein.
25 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 Isolations schicht auf den dem Metallkissen abgewandten Oberflächen der Anschlusstei le als isolierendes Material aufgetragen sein. In diesem Fall können die An
BO schlussteile leitend mit dem Metallkissen verbunden sein und Funktionen im Rahmen der Kontaktierungseinheiten übernehmen, das Metallkissen ist je doch 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
35 den dem Metallkissen zugewandten Oberflächen der Anschlussteile als isolie rendes Material aufgetragen sein. In diesem Fall ist das Metallkissen bereits gegen die Anschlussteile isoliert und es müssen entsprechend angepasste Kontaktierungseinheiten verwendet werden.
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 Me tallkissen kann die elektrische Kontaktierung über die Kontaktierungseinhei ten beispielweise an der Innenseite des Rings und an der Außenseite des Rings erfolgen.
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 be schreibt, angeordnet. Ein erstes Anschlussteil kann beispielsweise ein Bolzen sein, ein zweites Anschlussteil der innere Mantel einer Lagerbüchse. Mit die ser Anordnung lassen sich radiale Belastungen erfassen. Eine Isolationsschicht kann dann beispielsweise auf der Außenseite der Buchse aufgetragen sein.
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 mecha nisch an den Anschlussteilen befestigt sein oder auf diese aufgebracht sein.
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 ange ordnet sein.
Insbesondere können die Kontaktierungsschichten einteilig mit den An schlussteilen ausgebildet sein. Die Anschlussteile müssen dazu aus einem leit fähigen Material bestehen, oder zumindest leitfähige Bereiche aufweisen. De Anschlussteile können dann zum Beispiel über Kabel mit der Messeinheit ver bunden werden und stellen so eine elektrische Verbindung zwischen Metall kissen und Messeinheit her. Die Isolationsschicht muss in diesem Fall die An schlussteile nach außen isolieren und kann dazu beispielweise als Lackierung
5 auf die Außenseiten der Anschlussteile aufgetragen sein.
Die Kontaktierungsschichten können segmentiert ausgeführt sein. Einzelne Segmente können über weitere Kontaktierungseinheiten kontaktiert werden, sodass Impedanzmessungen zwischen verschiedenen Segmenten möglich
10 sind. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel bei einem stapelförmigen Sen sor aus ersten Anschlussteil, segmentierter erster Kontaktschicht, Metallkis sen, segmentierter zweiter Kontaktschicht und zweiten Anschlussteil Belas tungen, die entlang der longitudinalen Achse des Sensors wirken, genauer auflösen und zusätzlich auch Belastungen, die senkrecht dazu wirken und
15 Scherungen oder Verkippungen erzeugen, erfassen.
Die Kontaktierungseinheiten können dazu ausgelegt sein, eine Vierleitermes sung zu ermöglichen. So kann die Impedanz der Kontaktierungseinheiten, bei spielsweise von Verbindungen und Anschlüssen, kompensiert werden. Vor
20 teilhaft ist dazu die Verwendung von Koaxialkabeln.
Der Sensor kann zusätzlich eine lineare Feder umfassen, die ebenfalls zwi schen dem ersten und dem zweiten Anschlussteil angeordnet ist. Bei einer stapelförmigen Anordnung der Bauteile kann es sich zum Beispiel um eine
25 Spiralfeder handeln, die das Metallkissen umgibt. Bei einer radialen Anord nung der Bauteile kann es sich beispielweise um eine Radial-Feder handeln, die ebenso wie das Metallkissen zwischen inneren, ersten und äußeren, zwei ten Anschlussteil angeordnet ist. Durch eine solche Feder kann eventuelles nichtlineares Verhalten des Metallkissens ausgeglichen werden.
BO
Der Sensor kann dazu ausgelegt sein, eine Kompensation von Temperaturän derungen des Metallkissens durchzuführen. Zu diesem Zweck kann der Sensor einen Temperatursensor an dem Metallkissen umfassen, der mit der Mess einheit verbunden ist. Diese kann dazu ausgelegt sein, die Impedanzmessung
35 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.
Da es sich bei Metallkissen um Bauteile handelt, die auf eine Belastung nicht linear 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.
Die Messeinheit kann außerdem dazu ausgelegt sein, die Impedanzmessung über einen großen Frequenzbereich auszuführen, um eine genauere Auswer tung zu ermöglichen und weitere Informationen über den Zustand des Metall kissens zu erhalten.
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 anlie gende mechanische Belastung direkt erfassen.
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 er folgen. Durch die Überwachung der mechanischen Belastung lässt sich so ein sicherer Einsatz des elastischen Lagers gewährleisten.
Zusätzlich zu dem mindestens einen Sensor kann ein elastisches Lager min destens einen zweiten Sensor umfassen, der zu dem ersten Sensor antagonis tisch angeordnet ist. Durch die Verwendung von zwei Sensoren mit zueinan der antagonistisch agierenden Metallkissen, von den zum Beispiel eines durch die Belastung gedehnt wird, während das andere komprimiert wird, können Nichtlinearitäten ausgeglichen werden und Temperaturveränderungen kom pensiert werden. Bei der Verwendung von mehr als zwei Sensoren können diese in antagonistischen Paaren angeordnet sein. Ein elastisches Lager kann weitere zusätzliche Sensoren zur Erfassung mecha nischer Belastungen enthalten. Diese können in räumlich unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein, so kann eine verbesserte Erfassung von Belas tungen in mehreren Dimensionen ermöglicht werden. Beispielsweise können
5 die Sensoren mit ihren Achsen senkrecht zueinander angeordnet sein, oder rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sein.
Ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an einem Metall kissen umfasst die Schritte
10 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
15 Impedanz.
Das Metallkissen muss für dieses Verfahren nicht in Form eines Sensors ver baut sein. Es kann stattdessen beispielsweise in einem Lagerelement verbaut sein und die Bestimmung der Belastung dient zur Einstellung des Lagers durch
20 eine Vorspannung. Ebenso kann das Verfahren bei der Herstellung von Me tallkissen angewendet werden, wenn eine bestimmte Belastung gewünscht ist, um ein Metallkissen in Form zu pressen.
Je nach Anwendung muss eine geeignete Möglichkeit zum Kontaktieren des
25 Metallkissens verwendet werden. Dazu bieten sich lösbare Verbindungen wie Klemmen oder Schraubverbindungen an. Je nachdem ob eine Impedanzmes sung unter Wechselstrom oder eine Widerstandsmessung unter Gleichstrom verwendet wird, muss eine entsprechende Messeinheit verwendet werden.
BO Durch die Belastung wird das Metallkissen verformt und seine Impedanz ver ändert sich. Durch die Messung dieser Änderung kann die Belastung erfasst werden.
Auch bei diesem Verfahren sollten parasitäre Effekte durch Nebenschlüsse
35 vermieden werden. Die Impedanzmessung kann durch eine Vierleitermessung erfolgen, um die Impedanz der Kontaktzuleitungen auszugleichen.
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.
Die Messung der Änderung der Impedanz kann über einen großen Frequenz bereich erfolgen, um eine genauere Auswertung zu ermöglichen und weitere Informationen über den Zustand des Metallkissens zu erhalten.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Gegenstände der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert wer den, um zusätzliche Effekte zu erzielen und so einen einfachen und bauraum sparenden 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 Me tallkissen zu bieten.
Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich an hand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
Fig. la eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung des Sensors ist,
Fig. lb ein Querschnitt der schematischen Darstellung in Fig. la ist,
Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführung ei nes Sensors ist,
Fig. 2b eine Draufsicht auf den Sensor aus Fig. 2a, ist
Fig. 2c einen Querschnitt entlang der Achse A-A in Fig. 2b darstellt,
Fig. 3a eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführung eines Sensors ist,
Fig. 3b eine Draufsicht auf den Sensor aus Fig. 3a, ist
Fig. 3c einen Querschnitt entlang der Achse B-B in Fig. 3b darstellt, Fig. 4 Diagramme von Messungen des Sensors in einer Zug-Druck- Prüfmaschine zeigen,
Fig. 5a eine Seitenansicht eines Sensors mit einer umgebenden Spiral feder zeigt,
Fig. 5b eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer umgeben den Spiralfeder zeigt, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines Sensors ist,
Fig. 7 eine Explosionsdarstellung eines Sensors mit segmentierten Kon taktierungsschichten ist,
Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Verwendung des Verfahrens bei der Einstellung eines elastischen Lagerelements ist.
Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleiten den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugs zeichen auf gleiche Elemente.
In Fig. la und lb 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 Auf bau 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 Fig. lb ersichtlich ist, um zwei einfache ringförmige Platten. Dabei müssen die Anschlussteile 3 gegeneinan der 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 An schlussteile 3, Isolationsschichten 4, Kontaktierungsschichten 5 und des Me tallkissens 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 Me tallkissen 2 ist so zwischen den Anschlussteilen 3 angeordnet, dass es von die sen verformt werden kann. Eine erste und eine zweite Kontaktierungsschicht 5 sind über und unter dem Metallkissen an den entsprechenden Anschlusstei len 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 iso liert. Somit ist auch das Metallkissen 2 von den Anschlussteilen 3 und von wei teren, äußeren Bauteilen isoliert.
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 Lei tern der Kontaktierungseinheiten 6 die Messung nicht verfälschen und ledig lich die Impedanz des Metallkissens 2 gemessen werden kann, auch wenn dieses im Vergleich zu Anschlüssen und Leitungen eine kleine Impedanz be sitzt. Als Leitungen für die Kontaktierungseinheiten sind beispielsweise Koaxi alkabel geeignet. Die Messeinheit 7 ist dazu ausgelegt die Impedanz des Me tallkissens 2 zu messen. Es kann sich beispielsweise um eine einfache Auswer teelektronik, 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 Aus wertung 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 Funkti onen 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 Metallkis sen 2 erwärmen, was zu einer Änderung seines Impedanzverhaltens führen kann. Daher kann über einen Temperatursensor (nicht gezeigt), der die Tem peratur des Metallkissens 2 erfasst, und eine in der Messeinheit 7 hinterlegte Temperatur-Impedanz-Kennlinie des Metallkissens 2 eine entsprechende Kor rektur vorgenommen werden.
Wird der Sensor 1 über eines der beiden Anschlussteile 3 mechanisch belas tet, so wird dadurch das Metallkissen 2 verformt. Durch eine Kraft, die die beiden Anschlussteile 3 aufeinander zu bewegt, wird das Metallkissen 2 kom primiert. 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 Me tallkissen ausdehnen, die Anzahl der Kontaktpunkte nimmt ab und die Impe danz nimmt zu. Durch eine Messung der Änderung der Impedanz des Metall kissens lässt sich also auf die mechanische Belastung des Sensors 1 schließen. Gleichzeitig entspricht der Sensor in seiner Bauform einem auf einem Metall kissen basierenden elastischen Lager, lässt sich also auch überall dort erset zen, wo ein solches Lager verbaut wird.
In Fig. 2a - 2c ist eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 dargestellt. Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht eines dosenförmigen Sensors 1. In Fig.
2b ist eine Draufsicht auf den Sensor von oben gezeigt, in der eine Achse A-A markiert ist. Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch den Sensor entlang dieser Achse. Der Unterschied zwischen dieser Ausführung und der in Fig. 1 darge stellten 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 die nen. Über Madenschrauben 8 sind diese elektrisch leitend mit den Anschluss teilen 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.
In Fig. 3a - 3c ist noch eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 darge stellt. Fig. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines radialen Sensors 1. In Fig. 3b ist eine Draufsicht auf den Sensor von oben gezeigt, in der eine Achse B-B markiert ist. Fig. 3c zeigt einen Querschnitt durch den Sensor entlang die ser Achse. In dieser Ausführungsform hat das Metallkissen 2 notwendiger weise die Form eines Rings. Ein erstes Anschlussteil 3 hat die Form eines Bol zens und erstreckt sich durch die zentrale Öffnung des ringförmigen Metallkis sens 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 Fig. 3 nicht dargestellt. Durch das Metallkissen 2 sind die beiden Anschlusstei le 3 zueinander beweglich gelagert. Durch eine Belastung, die auf ein An schlussteil wirkt, kann also das Metallkissen 2 verformt werden, was sich als eine Impedanzänderung erfassen lässt. Auf diese Weise lassen sich radial wir kende Belastungen erfassen. Durch die Verwendung von mehreren Kontaktie rungseinheiten 6 lässt sich auch die Richtung der Belastung erfassen.
In Fig. 4 sind Messergebnisse eines Sensors der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, in einer Zug-Druck-Prüfmaschine dargestellt. In den Dia grammen 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 vollstän dig 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 (Zu- sammenpressen-Entspannen) betrachtet, zeigt sich jedoch auch hier nichtli neares Verhalten, wie es die Weg-Leitwert- und Kraft-Leitwert-Diagramme auf der rechten Seite zeigen. Die Diagramme zeigen eine gewisse Hysterese. Da her kann es sinnvoll sein, die Impedanzmessung zu linearisieren. Möglich ist dies beispielsweise durch eine mathematische Annäherung in der Messein heit.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Nichtlinearitäten in der Mes sung ist in Fig. 5a und Fig. 5b gezeigt. Fig. 5a zeigt eine Seitenansicht des Sen sors 1 und Fig. 5b eine perspektivische Ansicht. Es handelt sich um eine Aus führungsform 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 Fig. 3 oder andere lineare Feder bei anderen Ausführungsformen verwenden. Eine weitere Ausführungsform des Sensors 1 ist in Fig. 6 gezeigt. In dieser Aus führungsform umfassen die Kontaktierungseinheiten 6 keine zwei Kontaktie rungsschichten 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 sinn voll sein kann. Im Allgemeinen kann die Kontaktierung des Metallkissens 2 auf eine beliebig zu wählende Art und Weise erfolgen, beispielsweise über Klem men oder Kontaktstifte. Dabei ist nur zu beachten, dass die Kontaktierungs einheiten 6 das Metallkissen an mindestens zwei verschiedenen Stellen kon taktieren und mit der Messeinheit 7 verbinden müssen, um eine Impedanz messung zu ermöglichen. Durch die Wahl der Position der Kontaktierung auf dem Metallkissen 2 lassen sich verschiedene Belastungsrichtungen erfassen.
Eine weitere Möglichkeit zur Kontaktierung ist in Fig. 7 dargestellt. Es handelt sich um eine vereinfachte Explosionsdarstellung eines Sensors 1. Kontaktie rungseinheiten 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 An schlussteils aufgebracht ist. In Fig. 7 sind die Kontaktierungsschichten 5 als mehrere Segmente auf den Anschlussteilen 3 aufgebracht. Diese Segmente können jeweils einzeln kontaktiert werden und ermöglichen so Impedanzmes sungen zwischen einzelnen Segmenten. Auf diese Weise können Verformun gen des Metallkissens 2 durch Belastungen genauer erfasst werden und so eine räumliche Auflösung Erfassung der Belastungen und Belastungsrichtun gen erreicht werden. So können zum Beispiel auch Scherkräfte oder Verkip pungen gemessen werden.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Sensoren 1 zur Erfassung von me chanischen 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 Senso ren, die zueinander antagonistisch angeordnet sind (siehe als Beispiel Fig. 8), können Nichtlinearitäten ausgeglichen und Temperaturveränderungen kom pensiert werden. Durch die Verwendung von mehreren in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Sensoren lassen sich so auch Auflösungen in ver schiedenen Raumrichtungen erreichen.
Um das Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an einem Metallkissen zu veranschaulichen, ist in Fig. 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 Lage rung eines Körpers 11 gegen eine Grundplatte 10 und besteht aus zwei Me tallkissen 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 Vorspanneinrich tung 13 besteht aus einer Stellschraube und einer Mutter, über die der Ab stand 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 einzustel len ist es sinnvoll diese Belastung zu messen. Dazu werden die Metallkissen elektrisch kontaktiert und über Kabel 6 mit einer Messeinheit 7 zur Impe danzmessung verbunden. Um parasitäre Nebenschlüsse zu vermeiden, ge schieht dies in dieser Darstellung über Kontaktierungsschichten 5 mit Isolati onsschichten 4, die die Metallkissen 2 gegen die Umgebung isolieren. Durch ein Anziehen der Vorspannungseinrichtung 13 werden die Metallkissen 2 be lastet 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 glei che Verfahren lässt sich beispielsweise auch bei der Herstellung von Metall kissen anwenden, bei der Drahtgestricke in Formen gepresst werden. Die Me tallkissen 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 Me tallkissen 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 Her stellung von Metallkissen verwendet werden. 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 offensicht lich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen wer- den können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser
Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor (1) zur Erfassung von mechanischen Belastungen, umfassend ein Metallkissen (2), angeordnet zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlussteil (3), wobei die Anschlussteile (3) ausgelegt sind, eine mechanische Verformung des Metallkissens (2) durch Belastungen zu ermöglichen, mindestens eine Isolationsschicht (4), die dazu ausgelegt ist, das Metallkissen (2) nach außen zu isolieren, eine Messeinheit (7) zur Messung einer Änderung einer elektri schen Impedanz des Metallkissens (2), und mindestens zwei Kontaktierungseinheiten (6), die das Metall kissen (2) an mindestens zwei verschiedenen Stellen elektrisch kontak tieren und mit der Messeinheit (7) verbinden, sodass Belastungen auf Grund der Änderung der Impedanz des Metall kissens (2) durch die Verformung des Metallkissens (2) erfasst werden können.
2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes tens eine Isolationsschicht (4) als isolierende Beschichtung auf Ober flächen des ersten und zweiten Anschlussteils (3) aufgebracht ist oder die Isolationsschicht (4) einteilig mit den Anschlussteilen (3) ausgebil det ist.
3. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Metallkissen (2) ringförmig ist.
4. Sensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlussteil (3) sich durch eine Öffnung des ringförmigen Metallkis sens (2) erstreckt, und das zweite Anschlussteil (3) die innere Oberflä che eines Hohlzylinders ist.
5. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontaktierungseinheiten (6) eine erste Kontak tierungsschicht (5) an dem ersten Anschlussteil (S) und eine zweite Kontaktierungsschicht (5) an dem zweiten Anschlussteil (S) umfassen.
6. Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes tens eine Isolationsschicht (4) als isolierende Beschichtung auf Ober flächen der ersten und zweiten Kontaktierungsschichten (5), die das Metallkissen (2) nicht berühren, aufgebracht ist.
7. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, dass die erste Kontaktierungsschicht (5) einteilig mit dem ersten Anschlussteil (S) und die zweite Kontaktierungsschicht (5) einteilig mit dem zweiten Anschlussteil (S) ausgebildet sind.
8. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass die erste und die zweite Kontaktierungsschicht (5) segmen tiert ausgeführt sind und die Kontaktierungseinheiten (6) dazu ausge legt sind, einzelne Segmente zu kontaktieren und mit der Messeinheit (7) zu verbinden.
9. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontaktierungseinheiten (6) dazu ausgelegt sind, eine Vierleitermessung zu ermöglichen.
10. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sensor (1) zusätzlich eine lineare Feder (9) zwi schen dem ersten Anschlussteil (3) und dem zweiten Anschlussteil (3) umfasst.
11. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sensor (1) zusätzlich einen Temperatursensor an dem Metallkissen (2) umfasst und die Messeinheit (7) dazu ausge legt ist, Temperaturänderungen des Metallkissens (2) zu kompensie ren.
12. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Messeinheit (7) dazu ausgelegt ist, die Impe danzmessung zu linearisieren.
IS. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Messeinheit (7) dazu ausgelegt ist, die Impe danzmessung über einen großen Frequenzbereich durchzuführen.
14. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Messeinheit (7) dazu ausgelegt ist, weitere Zu standsänderungen des Metallkissens (2), wie zum Beispiel durch Ver schleiß, zu erfassen.
15. Elastisches Lager umfassend mindestens einen Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Elastisches Lager nach Anspruch 15, zusätzlich umfassend mindestens einen zweiten Sensor (1), der antagonistisch zu dem mindestens einem Sensor (1) angeordnet ist.
17. Elastisches Lager nach einem der Ansprüche 15 oder 16, zusätzlich umfassend weitere Sensoren (1), die in räumlich unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind.
18. Verfahren zur Erfassung von mechanischen Belastungen an einem Me tallkissen (2), umfassend die Schritte
Kontaktierung des Metallkissens (2) zur Verbindung mit einer Messeinheit (7) zur Messung der Änderung der Impedanz des Metall kissens,
Verformung des Metallkissens (2) durch Belastung,
Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens (2), Erfassung der Belastung des Metallkissens (2) auf Grund der Änderung der Impedanz.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon taktierung eine Vierleitermessung ermöglicht.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens (2) lineari- siert erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeich net, dass die Messung der Änderung der Impedanz des Metallkissens (2) über einen großen Frequenzbereich erfolgt.
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