JP4722393B2 - 回転構造部材の負荷を測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸、スピンドル又はピンのような回転する構造部材に対する負荷、特に回転トルク，曲げモーメント及び軸力を検出する測定装置に関する。この測定装置の場合、荷重下で生じる長さの変化が、構造部材に固定された少なくとも１つの抵抗線ひずみゲージによって測定され非接触式に送信される。この場合、回転子電子機器が、供給エネルギーを抵抗線ひずみゲージに対して非接触式に供給するために及び測定値を評価ユニットに同様に非接触式に送信するために設けられている。この電子機器は、抵抗線ひずみゲージを包囲する１つ又は複数の保護リング内に配置されている。

構造部材に固定された１つ又は複数の抵抗線ひずみゲージ（ＤＭＳ）の長さが、この構造部材の負荷に起因して生じる弾性変形から変化する。負荷が、その変化に比例する抵抗の変化によって回転する回転子電子機器から測定される。この場合、測定値が静的な評価ユニットに非接触式に送信され、供給エネルギーが回転子電子機器に同様に非接触式に供給されている。この電子機器，この電子機器に属する送受信アンテナ及びこの送受信アンテナの敷設部分が、ＤＭＳを包囲する１つ又は複数のリング内に配置されている。この又はこれらのリングは、システムの支持機能と保護機能の双方を有する。

その他の測定方法が多くの場合に劣悪な環境条件のために使用できないときに、この種類の測定装置が、軸，スピンドル又はピンのような回転する構造部材に対して使用される。抵抗線ひずみゲージの電気抵抗が測定されることによって、構造部材中で作用する力から生じる形状の弾性変化を、ＤＭＳを用いて検出することが、測定技術で一般に行われている。構造部材に接合（一般に、貼付，挟持又は半田付け）されているＤＭＳの長さが変化すると、電気抵抗が、この構造部材の形状の弾性変化時に変化する。この変化の程度が、作用する負荷及び構造部材の弾性変形に対する目安である。この負荷に比例する抵抗変化は、ブリッジ回路によって測定される。

抵抗線ひずみゲージが該当する構造部材の表面に貼付され、せん断応力に起因して周囲方向に対して４５°の向きに生じる長さ変化が、負荷に比例する抵抗の変化によって検出されることによって、この公知の測定方法は、回転トルクを測定するためにも使用される。曲げモーメント及び軸力を同様に測定することができるものの、抵抗線ひずみゲージの位置を変え、それに応じて測定ブリッジを切り換えることによって検出することができる。構造部材の負荷とＤＭＳの検出された抵抗変化との比が、構造部材の結合構造と構造部材の材料に基づいて変形を算定することによって計算されるか、又は補正によって、すなわち特定の負荷を利用して測定結果を補正することによって算出してもよい。変形の算定としては、簡単な構造結合構造の場合は、材料力学から公知の方程式が使用される。またその他の構造部材の結合構造の場合は、有限要素法による計算が使用される。

一般に、抵抗線ひずみゲージは、１つ又は複数のリング内に配置されている回転子電子機器に貼付される。この又はこれらのリングは、ＤＭＳを包囲すると同時に環境の影響から保護する。機械的に十分な保護を測定システムに提供するため、リングが構成樹脂，複合材又は金属から一体的に製造されている。極端な使用の場合は、常に鋼又はアルミニウムから一体的に製造されている。この場合、少なくとも、アンテナを支持するリングを非導電性の材料から製造する必要がある。すなわち、構造部材に取り付けられているリングは、まずＤＭＳを包囲すると同時に保護する義務がある。さらに、このリングは、測定装置の電子要素を支持する。しかしながら、これらの電子要素を構造上の要求又は動作に合った要求に応じて１つ又は複数の追加のリング内に組み込んでもよい。これらの電子要素を、ＤＭＤを包囲するリングに同心円状に取り付けてもよいし又は軸に対してずらして構造部材に直接取り付けてもよい。同様に、測定ブリッジのＤＭＳを測定の課題に応じて複数のリングに分散させてもよい。潤滑剤又は水のような浸入する液体からの保護として、この又はこれらのリングは、構造部材側に封隙面を有する。これらのリングは、取付け時に構造部材の周りに支承され、封隙面が構造部材の表面に押圧されるように固定される。この場合、粘性の高くて硬化するシリコン又はエラストマー・マットのような密閉材を封隙面と構造部材との間で使用することが一般に行われている。十分な密閉作用を実現し、かつ取付け動作時のリングのずれを回避するため、封隙面が十分大きく仕様決定され、十分な面押圧が封隙面と構造部材との間に加えられる。この又はこれらのリングは、固定のために一般に一重に又は幾重に複数のリングセグメントに分割されている。リングセグメントが、一般にネジで締められて互いに固定されることによって、固定する力が加えられる。

既に使用されているリングの場合、固定連結部が、ＤＭＳを包囲するこの又はこれらのリング及び構造部材を固定するために存在し、このことから構造部材の補強輪が付加されることが公知である。この補強輪は、構造部材の結合構造に応じてこの最初の構造部材の強度の１００％を超えうる。包囲するリング内部の構造部材の弾性変形が、補強輪に応じて変化する。そして、ＤＭＳの測定される抵抗変化、すなわち測定結果が、この又はこれらの取り付けられたリングによって誤差を生じる。この又はこれらのリングにわたって変化する力の変動を定量的に算定することができないので、この又はこれらのリングのこの補強の影響は一般に精確に算出され得ない。この力の変動は、各々の取付けによって変化する。継ぎ目の亀裂の状況が、例えば封隙材，合成樹脂のクリープ，接触腐食又は取付け過程によって変化するために、この力の影響は時間的に変化する。

本発明の課題は、従来の技術の説明した問題及び欠点から出発して、測定結果が測定装置、特に保護リング及び支持リングによって影響されないように、この種類の測定装置を改良することにある。

この課題は、本発明により、前記抵抗線ひずみゲージは、当該抵抗線ひずみゲージを前記構造部材に対して両側で密閉する保護リング１によって包囲されていて、この保護リングは、この保護リングの側面の一部の切欠部分２５によって又は材料の適切な選択によって又はエラストマーの全体的な若しくは部分的な装入によって変形しやすくかつ弾性的に構成されていて、一方の封隙ウェブ４ａが、前記構造部材に対して固定連結して確実に接合し、他方の封隙ウェブ４ｂが、前記保護リングを１つの封隙面３ｂで前記構造部材に対して支持するように、前記抵抗線ひずみゲージの両側に配置された前記保護リングの前記一方の封隙ウェブ４ａと前記他方の封隙ウェブ４ｂとが非対称に形成されている結果、前記保護リング１による前記負荷の吸収が、前記構造部材に比べて無視できるほど小さいことによって解決される。これによって、当該保護リングにわたる力の変動又はモーメントの変動が発生しないので、当該負荷が完全にかつ専ら構造部材によって伝達される。

本発明の構成は、リングと構造部材との間の封隙面を非対称に構成する点にある。この場合、この又はこれらの保護リングを構造部材に確実に取付け、同時に狭い密閉スリットによって密閉機能を保証するため、封隙面の一方の側が肉厚に構成されている。この又はこれらの保護リングの他方の側は、狭いウェブとして形成されている。この狭いウェブは、専ら保護作用を請け負うものの、その小さい寸法のために構造部材の負荷がこの又はこれらの保護リングに伝達されない。

本発明の構造的には、より肉厚の封隙面が保護リング内側の狭いウェブ後方に設けられている。この封隙面は、十分な密閉厚さを有する密閉材によって抵抗線ひずみゲージを液体の浸入から保護するものの、構造部材に直接接触せず、したがって同様に構造部材からの負荷を受けない。この／これらの保護リングを片側で支持することによって、構造部材がＤＭＳを使用している側で全ての負荷を伝達し、したがって測定結果に誤差を生じさせないことが保証される。

本発明の別の解決手段は、保護リングが検出すべき負荷に関して構造部材に比べて無視できるほどの構造部材強度を呈するように、構造的な手段又は材料の適切な選択又はエラストマーの全体的に若しくは部分的な装入によってＤＭＳを包囲するこの又はこれらの保護リングを変形しやすく構成する点にある。そのため有益的には、この／これらの保護リングの横断面が片側で著しく弱くなる。その結果、両封隙面のリング半面が互いに変形しやすい。構造的な解決手段の代わりに、リング全体又はその一部を変形しやすい弾性材料から構成してもよい。双方の場合、封隙ウェブは、従来のシステムに対して変更せずに構成され得る。理想的には、保護リングは、ポリアミドやアルミニウムのような変形しやすいものの弾性的な材料から製造される。本発明は、この／これらの保護リングによって伝達される負荷成分を無視できる程度に減少させること、これによって精確でかつ再現可能な測定結果を入手することを可能にする。

保護リング及びシステム支持リングを取り付けるときの従来の技術の場合は、構造部材によって伝達される力の変動の影響に起因して測定結果に著しい誤差を招く一方で、この原理で生じる欠点は、本発明の測定装置によって阻止される。本発明の保護リングの構成は、全ての負荷が構造部材によって伝達され、測定系の仕様に基づく材料の膨張がＤＭＳの場所で負荷に比例して検出されることを保証する。これによって、−上述したように−測定精度及び測定結果の信憑性が明らかに向上する。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１ａ〜１ｃ中には、保護リング１が示されている。この保護リング１は、図示しなかった駆動軸に固定するために２つに分割されている。ネジ継手が取り付けのために使用される。これらのネジ継手は、このために設けられている孔１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに装入される。これらのネジ継手は、両二分割リング２ａ，２ｂを駆動軸に固定するために必要な力を発生させる。封隙ウェブ４ａ，４ｂの肉厚封隙面３ａ及び狭い封隙面３ｂが、固定時に駆動軸の周囲に当接する。この場合、保護リングをずれから保護するため、肉厚封隙ウェブ４ａが、駆動軸に十分に固定して接触する。一方で肉薄封隙ウェブ４ｂが、固定連結させることなしに保護リングを駆動軸に対して支持する。リング面５は、肉薄ウェブ４ｂの内側のわきに支持部分によって駆動軸表面に対して所定の間隔を有する。これによって発生する狭い中空空間が、取付け時に密閉材で充填される。保護リングは、内側ヒンジ溝６をさらに有する。この内側ヒンジ溝６は、回転子電子機器の一般に銅のテープである送受信アンテナを収容する。このアンテナを挿入するため、追加の凹部７がリング表面に設けられている。そこでは、回転子電子機器から来るアンテナケーブルもアンテナに接続される。回転子電子機器は、金属ケース内で保護され、リング内側のこのために設けられている平面８に固定され、ＤＭＳにケーブルで接続される。

図２ａ〜２ｈは、二重リング構造を例示的に示す。この場合、リング９，１０が、互いに同心円状に取り付けられている。ネジ継手が取り付けのために使用される。これらのネジ継手は、このために設けられている内側リング９用の孔１１ａ〜１１ｄ内及び外側リング１０用の孔１２ａ〜１２ｄ内に装入される。これらのネジ継手は、内側二分割リング９ａ，９ｂを駆動軸に固定するか又は外側二分割シェル１０ａ，１０ｂを内側リング９に固定するために必要な力を発生させる。内側リングを駆動軸に固定した場合、内側リング９の封隙ウェブ１４ａ，１４ｂの肉厚封隙面１３ａ及び肉薄封隙面１３ｂが駆動軸の周囲に当接する。この場合、リング９をずれに対して保護するため、肉厚ウェブ１４ａが、駆動軸に十分固定して接触する。肉薄封隙ウェブ１４ｂは、固定連結させることにしにリングを駆動軸に対して支持する。リング面１５が、封隙ウェブと封隙ウェブとの間の内側に支持部分によって駆動軸表面に対して所定の間隔を有する。こうして生じた狭い中空空間が、取付け時に密閉材で充填される。

二分割リング１０ａ，１０ｂを有する外側リングは、内側ヒンジ溝１６を有する。この内側ヒンジ溝１６は、回転子電子機器の一般に銅のテープである送受信アンテナを収容する。このアンテナを挿入するため、追加の凹部１７がリング表面に設けられている。そこでは、回転子電子機器から来るアンテナケーブルもアンテナに接続される。回転子電子機器は、金属ケース内で保護され、リング内側の外側面上にこのために設けられている平面１８に固定され、凹部１７内に取り付けられているＤＭＳにケーブルで接続される。その代わりに、回転子電子機器を外側リングの内側に固定してもよい。内側リング上で周回する溝２０は、ケーブルを敷設するために使用される。内側リングは、外側の両面に閉鎖ウェブ２１をさらに有する。外側リングは、これに適合する切欠部２２を有する。これによって、リング相互の故意でない軸線方向のずれが阻止される。さらに、捻れ保護部２３が、外側リングに設けられている。この捻れ保護部２３は、内側リングの凹部２４に係入する。

図３ａ〜３ｃ中には、個別リングが示されている。この個別リングは、図示しなかった駆動軸を固定するために２つに分割されている。ネジ継手が取付けのために使用される。これらのネジ継手は、このために設けられている孔１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ内に挿入される。これらのネジ継手は、両二分割リング２ａ，２ｂを駆動軸に固定するために必要な力を発生させる。封隙ウェブ４ａ，４ｂの両封隙面３ａ，３ｂが、駆動軸の周囲に当接する。この場合、リングをずれに対して保護するため、両封隙ウェブ４ａ，４ｂが、十分固定して駆動軸に接触する。軸中央部２６の支持するリング横断面が駆動軸の横断面に比べて小さいように、保護リングが、はめ込まれている溝２５によって内側で適切に弱められている。リングは、内側ヒンジ溝６をさらに有する。この内側ヒンジ溝６は、回転子電子機器の一般に銅のテープである送受信アンテナを収容する。このアンテナを挿入するため、追加の凹部７がリング表面に設けられている。そこでは、回転子電子機器から来るアンテナケーブルもアンテナに接続される。この回転子電子機器は、金属ケース内で保護され、リング内側のこのために設けられている平面８に固定され、ＤＭＳにケーブルで接続される。

構造部材に取り付けるための非対称な封隙ウェブを有する保護リングを備えた本発明の測定装置を示す。 構造部材に取り付けるための非対称な封隙ウェブ及び同心円状に取り付けられている独立した支持リングを有する保護リングを備えた本発明の測定装置を示す。 小さくして変形しやすいリング横断面及び従来の封隙ウェブを有する保護リングを備えた本発明の測定装置を示す。

１ 保護リング
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ ネジ継手用の孔
２ａ，２ｂ リング二分割シェル
３ａ 肉厚封隙面
３ｂ 肉薄封隙面
４ａ 肉厚封隙ウェブ
４ｂ 肉薄封隙ウェブ
５ 内部リング面
６ 内側ヒンジ溝
７ アンテナ用の凹部
８ 回転子電子機器用の平面
９ａ，９ｂ 内部リングのリング二分割シェル
１０ａ，１０ｂ 外部リングのリング二分割シェル
１１ａ−１１ｄ ネジ締め用の孔
１２ａ−１２ｄ ネジ締め用の孔
１３ａ 肉厚封隙面
１３ｂ 肉薄封隙面
１４ａ 肉厚封隙面
１４ｂ 肉薄封隙面
１５ リング面
１６ 内側ヒンジ溝
１７ 凹部
１８ 回転子電子機器用の平面
１９ ＤＭＳ用の凹部
２０ ケーブルガイド用の周回溝
２１ 閉鎖ウェブ
２２ 切欠部
２３ 捻れ保護部
２４ 捻れ保護部用の凹部
２５ 肉薄溝，切欠部分
２６ 軸中央部

Claims (7)

1. 軸、スピンドル又はピンのような回転する構造部材に対する回転トルク、曲げモーメント及び軸力のような負荷を検出する測定装置であって、当該測定装置によって、荷重下で生じる長さの変化が、前記構造部材に固定された少なくとも１つの抵抗線ひずみゲージを使用して測定されて非接触式に送信され、回転子電子機器が、供給エネルギーを前記抵抗線ひずみゲージに対して非接触式に供給するために、及び、測定値を評価ユニットに対して同様に非接触式に送信するために設けられていて、前記回転子電子機器は、前記抵抗線ひずみゲージを包囲する１つ又は複数の保護リング（１）内に配置されている測定装置において、
   前記抵抗線ひずみゲージは、当該抵抗線ひずみゲージを前記構造部材に対して両側で密閉する保護リング（１）によって包囲されていて、この保護リングは、この保護リングの側面の一部の切欠部分（２５）によって又は材料の適切な選択によって又はエラストマーの全体的な若しくは部分的な装入によって変形しやすくかつ弾性的に構成されていて、一方の封隙ウェブ（４ａ）が、前記構造部材に対して固定連結して確実に接合し、他方の封隙ウェブ（４ｂ）が、前記保護リングを１つの封隙面（３ｂ）で前記構造部材に対して支持するように、前記抵抗線ひずみゲージの両側に配置された前記保護リングの前記一方の封隙ウェブ（４ａ）と前記他方の封隙ウェブ（４ｂ）とが非対称に形成されている結果、前記保護リング（１）による前記負荷の吸収が、前記構造部材に比べて無視できるほど小さいことを特徴とする測定装置。
2. 前記保護リング（１）は、前記抵抗線ひずみゲージの周りを密閉することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記保護リング（１）は、２つ又は複数のリングセグメント（２ａ，２ｂ）から形成され、当該リングセグメント（２ａ，２ｂ）は、ネジ締め及び／又は継手によって前記構造部材の周りに固定可能にかつ取り外し可能に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 複数の保護リング（９，１０）が、同心円状に相前後して又は軸線方向に相並んで前記構造部材の周りに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記回転子電子機器は、環境の影響から保護するために前記保護リングの内側に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記回転子電子機器の送受信アンテナが、前記保護リングを取り巻いて囲んでいる１本の内側ヒンジ溝（６）に沿って取り付けられていて、この送受信アンテナは、取り外しのために、又は保護リングを開くためにこの溝（６）から取り出し可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記両封隙ウェブの二分割リングが互いに変形しやすいように、前記保護リングの側面が、そのリング面（５）で著しく弱められていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定装置。

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