ES2712888T3 - Componente mecánico con un sensor de fuerza - Google Patents

Componente mecánico con un sensor de fuerza Download PDF

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Abstract

Componente mecánico para un vehículo, especialmente soporte de varilla o pendular, biela o articulación esférica, que presenta una zona de medición con una superficie y al menos un sensor de fuerza asignado a la zona de medición para el registro de una fuerza aplicada al componente, presentando el componente (3, 21) un cuerpo hueco (3b, 21a), dispuesto en la zona de medición, con un espacio hueco (4, 24) en el que se puede posicionar al menos un sensor de fuerza (7, 27), caracterizado por que el cuerpo hueco (3b, 21a) presenta al menos un punto de intersección (5, 25) con una zona maciza del componente (3c, 21b), formando el punto de intersección (5, 25) en el cuerpo hueco (5, 25) un orificio para el montaje del sensor de fuerza (7, 27) y posibles accesorios y acoplándose el cuerpo hueco (3b, 21a) en la zona del punto de intersección (5, 25), en unión de materiales, al componente (3c, 21b), con lo que se consigue un cierre hermético del sensor de fuera (7, 27).

Description

DESCRIPCION
Componente mecanico con un sensor de fuerza
La invencion se refiere a un componente mecanico para un vehiculo, que presenta una zona de medicion con una superficie y al menos un sensor de fuerza asignado a la zona de medicion para el registro de una fuerza a la que esta sometida el componente.
En la solicitud mas antigua de la solicitante con el numero de expediente DE 10 2013 213 672.2, se revela un componente mecanico con un sensor de fuerza, configurandose el componente mecanico, en una forma de realizacion preferida, como soporte pendular y el sensor de fuerza como elemento de deformacion flexoelastico, que dentro de la zona de medicion se acopla en arrastre de forma al soporte pendular. El elemento de deformacion actua como amplificador de una solicitacion mecanica en el soporte pendular en forma de varilla, en el que se producen fundamentalmente tensiones por traccion y compresion. La deformacion por recalcado o dilatacion del soporte pendular, resultante de una tension por compresion o traccion, se transmite al elemento de deformacion configurado a modo de arco y provoca una flexion, lo que intensifica la dilatacion o el recalcado. El cambio mecanico del elemento de deformacion, fabricado de un material magnetico, va acompanado por un cambio del campo magnetico, que se puede medir y transformar en senales electricas. La deformacion del elemento de deformacion se registra por medio de sensores apropiados, preferiblemente mediante la realizacion de una medicion del campo magnetico. Por el documento DE 102011 117519 A1 se conoce un acoplamiento de remolque con un sensor de fuerza, en el que el sensor de fuerza se configura preferiblemente como calibre extensometrico y se dispone en la superficie del gancho de traccion.
Por el documento DE 10 2012 005 614 A1 se conoce, por ejemplo, un tornillo o un perno como elemento de deformacion, en el que se dispone un sensor de fuerza en un espacio hueco. El espacio hueco se puede obturar por medio de una junta esferica separada o un elemento de descarga de traccion a introducir en un canal de cables. Del documento US 6,422,089 B1 resulta un sensor dentro de un tubo de soporte, fijandose el tubo de soporte con un elemento de soporte por medio de pernos, soldadura u otros elementos de fijacion apropiados.
Por el documento GB 2246864 A se conoce un conjunto de sensores en el que uno de los sensores se dispone dentro de un perno tubular, cerrandose el perno tubular, por una parte, con un capuchon de rosca y, por otra parte, por medio de un elemento adhesivo.
El objetivo de la presente invencion es el de agotar otros potenciales de la medicion de fuerza en componentes mecanicos.
La tarea de la invencion se resuelve mediante las caracteristicas de la reivindicacion 1. Otras formas de realizacion ventajosas resultan de las reivindicaciones dependientes.
Segun la invencion se preve que un componente mecanico presente un cuerpo hueco dispuesto en una zona de medicion y provisto de un espacio hueco en el que se puede posicionar un sensor de fuerza. Se consigue la ventaja de que el sensor de fuerza sensible queda protegido contra influencias externas nocivas, especialmente impactos de piedras asi como sustancias corrosivas, dado que se dispone y fija en un espacio hueco hermeticamente cerrado frente al exterior. Ademas se ahorra espacio de construccion para la colocacion del sensor. El cuerpo hueco forma parte integrante del componente, por lo que esta sometido a las mismas cargas que el resto del componente, es decir, el cuerpo hueco se encuentra en el flujo de fuerza. Como consecuencia de la disposicion e integracion del cuerpo hueco, el propio componente no sufre menoscabos funcionales.
Segun una forma de realizacion ventajosa, el componente se configura como biela o apoyo de varilla o pendular o como articulacion esferica de un mecanismo de traslacion, estando el componente sometido a fuerzas por traccion o compresion y acoplandose el mismo de forma articulada a un estabilizador. La disposicion protegida del sensor de fuerza dentro del apoyo pendular ofrece en esta aplicacion ventajas especiales, en concreto en cuanto al impacto de piedras y a corrosion.
La medicion de la fuerza de apoyo en el soporte pendular se emplea como valor de partida en una estabilizacion de balanceo del vehiculo.
Segun otra forma de realizacion preferida, el componente se disena como perno esferico acoplado de forma articulada al soporte pendular. A diferencia del soporte pendular, el perno esferico, especialmente su vastago, esta sometido a flexion, es decir, se producen tensiones de flexion en el perno esferico cuantitativamente mayores que las tensiones por traccion o compresion en el soporte pendular. En este sentido, al disponer el sensor de fuerza en un espacio hueco del perno esferico, se consigue un efecto de refuerzo y, por lo tanto, un resultado de medicion mas exacto. El soporte pendular forma, al menos en parte, la carcasa para el perno esferico, que se puede alojar en la misma con movimiento rotatorio y/o pivotante.
Segun otra forma de realizacion preferida, el componente se puede configurar como acoplamiento de remolque de un vehiculo, es decir, como gancho de acoplamiento con una cabeza esferica. Tambien en este caso la disposicion protegida del sensor de fuerza dentro de un espacio hueco, que forma parte del gancho de acoplamiento, se considera especialmente ventajosa.
De acuerdo con otra forma de realizacion preferida, el cuerpo hueco se configura en forma de cilindro hueco o esfera hueca con una superficie interior. En la superficie interior se puede fijar el sensor de fuerza, o tambien varios sensores de fuerza, en concreto de manera que las deformaciones de la superficie interior se transfieran directamente al o a los sensores de fuerza.
Segun la invencion, el cuerpo hueco presenta al menos un punto de interseccion con el componente o con el soporte pendular o con el perno esferico. El punto de interseccion forma en el cuerpo hueco un orificio y ofrece asi la posibilidad de montar el sensor de fuerza y posibles accesorios, tales como contactos, sistemas electronicos y otros. Despues de posicionar y fijar el sensor de fuerza en el espacio hueco, se ensamblan el cuerpo hueco y el componente en el punto de interseccion.
Conforme a la invencion, el cuerpo hueco se acopla al componente en la zona del punto de interseccion en union de materiales, especialmente mediante soldadura. Asi se consigue una union solida y estanca entre el cuerpo hueco y el componente, es decir, un cierre hermetico del sensor de fuerza, que ofrece proteccion contra influencias externas, por ejemplo corrosion.
Segun otra forma de realizacion preferida, el cuerpo hueco presenta una seccion transversal cerrada, especialmente una seccion transversal anular, que se dispone en el flujo de fuerza de la fuerza a la que esta sometido el componente (fuerza de solicitacion). La superficie de seccion transversal es decisiva para la tension y deformacion resultantes.
Segun otra forma de realizacion preferida, el sensor de fuerza se dispone en la zona de la superficie interior. El sensor de fuerza se acopla, en funcion del tipo de construccion, a la superficie de manera que las deformaciones, que se producen en el transcurso de la solicitacion, se transfieran directamente al sensor de fuerza.
De acuerdo con otra forma de realizacion preferida, el sensor de fuerza se puede configurar como calibre extensometrico, especialmente como calibre extensometrico optico o aplicado por pulverizacion o metalizacion por evaporacion. Con preferencia, el calibre extensometrico se aplica por medio de pulverizacion catodica (pulverizacion por bombardeo con iones). De este modo se puede emplear un sensor de fuerza estandardizado. Sin embargo, tambien son posibles otros sensores de fuerza, por ejemplo nanotubos de carbono, que se utilizan como elemento sensible, que se aplica a la superficie interior del cuerpo hueco. Una descripcion detallada de nanotubos de carbono como sensor de fuerza se encuentra en la solicitud presentada al mismo tiempo por la solicitante con la referencia interna: ZF 006408. Por lo demas, la medicion de fuerza se puede llevar a cabo de manera inductiva, resistiva, optica, magnetostrictiva, capacitativa, piezoelectrica o magnetoresistiva.
En el dibujo se representan ejemplos de realizacion que se describen a continuacion con mayor detalle, siendo posible que de la descripcion y/o del dibujo resulten otras caracteristicas y/o ventajas. Se muestra en la:
Figura 1 como primer ejemplo de realizacion de la invencion, un sensor de fuerza dispuesto dentro de un componente configurado en forma de perno esferico y
Figura 2 como segundo ejemplo de realizacion de la invencion, un sensor de fuerza dispuesto dentro de un componente configurado en forma de soporte pendular.
La figura 1 muestra, como primer ejemplo de realizacion de la invencion, un soporte pendular 1 representado de manera incompleta, acoplado por medio de una articulacion esferica 2 a un perno esferico 3. El soporte pendular 1 y el perno esferico 3 pueden ser componentes de un sistema de estabilizacion de balanceo de un vehiculo. El perno esferico 3, que forma el primer ejemplo de realizacion del componente mecanico, presenta una cabeza esferica 3a, una primera zona de vastago 3b y una segunda zona de vastago 3c con una seccion roscada 3d. La primera zona de vastago 3b se ha configurado parcialmente hueca y presenta un espacio hueco 4 aproximadamente cilindrico. La segunda zona de vastago maciza 3c se acopla a traves de un punto de interseccion 5, en union de materiales, a la primera zona de vastago 3b, preferiblemente por medio de una costura de soldadura 6. Por lo tanto, el espacio hueco 4 se impermeabiliza frente al exterior. Dentro del espacio hueco 4, que presenta una superficie interior cilindrica, se dispone al menos un sensor de fuerza 7, por ejemplo un calibre extensometrico o un elemento de sensor formado por nanotubos de carbono (comparese al respecto la solicitud presentada al mismo tiempo por la solicitante con la referencia interna: ZF 006408). En el espacio hueco 4 se dispone ademas un componente electronico 8, que presenta una conexion operativa a al menos un sensor de fuerza 7. El componente electronico 8 se conecta, a traves de una conexion electrica 9 , a una fuente de corriente electrica no representada.
El sensor de fuerza 7, al menos uno, sirve para la medicion de la fuerza de apoyo, indicada por medio de una flecha F, en el soporte pendular 1. La fuerza de apoyo F se transmite, a traves de la articulacion esferica 2, al perno esferico 3 sujeto mediante la seccion roscada 3d, por lo que el perno esferico 3, especialmente la primera y la segunda zona del vastago 3b, 3c, estan sometidas a una solicitacion por flexion. Las tensiones de flexion suponen una intensificacion de las tensiones por compresion o traccion que actuan en el soporte pendular. Las deformaciones resultantes de las tensiones de flexion en la primera zona de vastago 3b, especialmente en la superficie interior del espacio hueco 4, se miden por medio de al menos un sensor de fuerza 7. La senal resultante de la medicion se aporta al sistema electronico del componente electronico 8 y se evalua. En base a la solicitacion de flexion y al valor de deformacion medido se puede calcular la fuerza de apoyo en el soporte pendular 1.
En el ejemplo de realizacion representado, el espacio hueco 4 se representa de forma cilindrica y la primera zona de vastago 3b como cilindro hueco. Sin embargo, tambien son posibles diferencias geometricas del espacio hueco 4: la primera zona de vastago 3b puede tener, por ejemplo, la forma de esfera o tonel con un espacio hueco 4 debidamente agrandado. Como resultado se obtendria la ventaja de disponer de mas espacio en el interior para la colocacion de los sensores y del sistema electronico.
La figura 2 muestra, como segundo ejemplo de realizacion de la invencion, un componente mecanico configurado como soporte pendular 21 y acoplado a traves de una articulacion esferica 22 a un perno esferico 23. Los numeros de referencia de piezas iguales o analogas de la figura 2 se incrementan en 20 frente a los numeros de referencia de la figura 1. La diferencia frente a la figura 1 consiste en que el al menos un sensor de fuerza 27 se dispone en un espacio hueco 24 del soporte pendular 21, que esta sometido a la fuerza axial F. El soporte pendular 21 se divide, por medio de un punto de interseccion 25, en una primera zona hueca 21a y en una segunda parte maciza 21b. Antes del ensamblaje, el espacio hueco 24 esta abierto en la zona del punto de interseccion 25 y accesible desde fuera, de manera que el al menos un sensor de fuerza 27 y el componente electronico 28 asi como el enchufe electrico 29 se puedan montar y fijar en el espacio hueco 24. A continuacion, las dos zonas 21 a, 21 b se ensamblan de modo firme y estanco en el punto de interseccion 25 en union de materiales, por ejemplo por medio de una costura de soldadura 26, por lo que el espacio hueco 24 queda cerrado e impermeabilizado frente al exterior. La fuerza axial F se transmite a traves de la union soldada 26 en la zona del punto de interseccion 25.
El espacio hueco 24 se limita por medio de una seccion transversal anular. Esta seccion transversal anular esta sometida a la fuerza axial F, de modo que se genere alli una tension por presion, unida a una deformacion elastica por recalcado del material. Durante el funcionamiento del soporte pendular tambien es posible una solicitacion por traccion y dilatacion. Estas deformaciones se registran a traves de al menos un sensor de fuerza 27.
A diferencia de la representacion de las figuras 1 y 2, la invencion tambien se puede emplear en otros componentes de construccion similar, por ejemplo en un acoplamiento de remolque de vehiculo. En este caso, el gancho de acoplamiento del acoplamiento de remolque se tendria que configurar parcialmente como cuerpo hueco, para posicionar en el mismo al menos un sensor de fuerza, a fin de registrar las fuerzas que actuan sobre el gancho de acoplamiento.
Lista de referencias
1 Soporte pendular
2 Articulacion esferica
3 Perno esferico
3a Cabeza esferica
3b Primera zona de vastago
3c Segunda zona de vastago
3d Seccion roscada
4 Espacio hueco
5 Punto de interseccion
6 Costura de soldadura
7 Sensor de fuerza
8 Componente electronico
9 Enchufe
21 Soporte pendular
21a Primera zona (hueca)
21b Segunda zona (maciza)
22 Articulacion esferica
23 Perno esferico
24 Espacio hueco
25 Punto de interseccion
26 Costura de soldadura
27 Sensor de fuerza
28 Componente electronico 29 Enchufe
F Fuerza de apoyo
X Zona de medicion

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Componente mecanico para un vehiculo, especialmente soporte de varilla o pendular, biela o articulacion esferica, que presenta una zona de medicion con una superficie y al menos un sensor de fuerza asignado a la zona de medicion para el registro de una fuerza aplicada al componente, presentando el componente (3, 21) un cuerpo hueco (3b, 21a), dispuesto en la zona de medicion, con un espacio hueco (4, 24) en el que se puede posicionar al menos un sensor de fuerza (7, 27), caracterizado por que el cuerpo hueco (3b, 21a) presenta al menos un punto de interseccion (5, 25) con una zona maciza del componente (3c, 21b), formando el punto de interseccion (5, 25) en el cuerpo hueco (5, 25) un orificio para el montaje del sensor de fuerza (7, 27) y posibles accesorios y acoplandose el cuerpo hueco (3b, 21a) en la zona del punto de interseccion (5, 25), en union de materiales, al componente (3c, 21 b), con lo que se consigue un cierre hermetico del sensor de fuera (7, 27).
2. Componente mecanico segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el componente se disena como soporte pendular (21) de un mecanismo de traslacion.
3. Componente mecanico segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el componente se disena como articulacion esferica (2) o perno esferico (3), que se acopla de forma articulada a un soporte pendular (1).
4. Componente mecanico segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el componente se disena como acoplamiento de remolque con un gancho de acoplamiento.
5. Componente mecanico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el cuerpo hueco (3b, 21a) se configura como cilindro hueco o esfera hueca con una superficie interior.
6. Componente mecanico segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el cuerpo hueco (3b, 21a) presenta una seccion transversal cerrada, dispuesta en el flujo de fuerza de la fuerza de solicitacion.
7. Componente mecanico segun una de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado por que el al menos un sensor de fuerza (7, 27) se dispone en la zona o en la superficie interior del cuerpo hueco (3b, 21a).
8. Componente mecanico segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el al menos un sensor de fuerza (7, 27) se configura como calibre extensometrico o como elemento sensor de nanotubos de carbono.
ES15781355T 2014-11-20 2015-10-19 Componente mecánico con un sensor de fuerza Active ES2712888T3 (es)

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