KR101672111B1 - 센서를 포함하는 연결 부재 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 조임 과정 중 및/또는 작동 시 하중을 검출하기 위해, 그리고 측정 변수를 출력하기 위한 인터페이스와의 상기 하중의 작용 방향을 검출하기 위해, 실질적으로 센서 기술이 집적된 연결 부재의 임무를 수행하는 하나 이상의 센서 유닛(10) 및 단 하나의 지지 구조물(14)로 구성된 장치 및 이러한 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

센서를 포함하는 연결 부재 및 제조 방법{SENSOR-CONTAINING CONNECTION ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 하중을 검출하기 위해, 그리고 신호 처리 자동화에 적합한 측정 변수를 출력하기 위한 인터페이스와의 상기 하중의 작용 방향을 검출하기 위해, 센서 기술이 집적된 연결 부재의 임무를 수행하는 지지 구조물에 관한 것이다. 상기 연결 부재는 예를 들어 나사, 볼트, 나사형 로드, 리벳 또는 나사 앵커(screw anchor)일 수 있다. 또한, 본 발명은 이와 같은 장치를 가소성 성형을 통해 제조하는 방법에 관한 것이다.
예컨대 차량 제조 분야 또는 기계 제조 분야 그리고 강철 제조 분야와 같은 여러 기술 분야에서는, 연결부를 조일 때 작동 안전을 보증하기 위해 규정된 조립력이 제공되어야 한다. 손상 또는 사고를 피하기 위해, 연결부의 전체 수명 동안 충분한 초기장력이 유지되어야 한다. 하지만, 이러한 초기장력은 작동 하중, 온도 교체 또는 세팅 효과로 인해 변경될 수 있다. 또한, 연결부를 검사하기 위해, 작용하는 힘, 특히 횡력까지도 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다. 횡력은 연결 축에 대하여 횡방향으로, 다시 말해 연결 부재의 세로 축에 대하여 횡방향으로 작용하는 작동 하중에 의해서 발생할 수 있다. 연결부의 총체적인 하중 모니터링을 가능하게 하기 위해서는, 적어도 축방향 힘 및 횡력, 경우에 따라서는 측정 장치의 온도 또는 습도와 같은 추가의 변수까지도 기록되어야 한다. 연결 부재가 여러 적용 예에서 이용되기 때문에, 경제적인 제조는 이와 같은 제품 유형에 대하여 제기되는 중요한 요구 조건이다.
연결부의 지지 능력을 보증하기 위해, 초기장력은 규칙적인 간격으로 검사되어야 한다. 하지만, 조임 과정이 종료된 후에 통상의 나사 결합 수단에서 실시되는 이와 같은 검사는 매우 번거롭다. 그렇기 때문에, 여러 적용 분야에서는 사람이 규칙적인 간격으로 설비를 감시하는 것이 통상적이며, 이때 조임 수단 내에서 실제로 우세한 초기장력은 공지되어 있지 않다. 이 경우 모든 나사 결합 수단은 경험적으로 결정된 힘에 의해서 조여지거나 예방 차원에서 교체되며, 종종 사전 설정된 체결력(fastening torque)으로 고정된다. 그렇기 때문에, 불필요한 비용을 피하고 연결부의 안전을 높이기 위해서는, 관리 간격을 수요에 적합하게 제어하는 것이 바람직할 것이다. 시간적으로 확정된 간격의 유지보수 주기가 갖는 또 다른 단점은, 이 유지보수 주기 내에 연결부에서 고장이 발생할 수 있다는 것이다. 요구에 적합하게 반응할 수 있기 위해서는, 나사의 축방향 힘이 모니터링되어야 한다. 이를 위해 이하에서 논의되는 다양한 모니터링 장치 및 어셈블리가 공지되어 있다.
경우에 따라 상이한 제조 재료로 개별 부품을 부가적으로 결합시키는 것을 특징으로서 갖는 차동(differential) 구조가 일반적이지만, 이러한 구조는 제조상의 복잡함 및 그로부터 야기되는 비용과 관련해서 단점이 된다. 기술적인 관점에서 볼 때, 차동 구조를 토대로 하는 이론은 종종 힘 흐름 내에 존재하는 많은 개별 부품 및 그에 기인하는 항복성(yielding), 그리고 개별 부품들의 제조 공차들로 인한 편차에 의해 단점을 갖는다.
기본적으로, 측정 부재 및/또는 측정 장치가 연결부를 검사해야 하는지, 모니터링 해야 하는지 그리고/또는 일지에 기록(log)해야 하는지의 여부가 판별된다. 다양한 측정 원리에서는 측정값이 연결부의 이용 중에 그리고 제조 중에 평가된다. 이 목적을 위해서는 측정 장치로부터 시작되는 데이터 전송이 필요하다. 자동화된 평가에 대한 적응은 측정 장치의 출력 신호에 의존한다.
몇몇 장치는 초기장력의 변동을 모니터링 할 수 있다. 따라서, 독일 특허 DE 000019854062 C1호의 발명에서는 측정값을 외부에서 일지에 기록하게 하는 것이 제안된다. 이 발명에서의 단점은, 추가의 컴플라이언스를 발생시키고, 조립 동안에 특별한 조치 및 번거로움을 요구하며, 구조의 복잡성을 높이는 추가의 소자가 연결부 내부에 설치되어야 한다는 것이다.
일반적으로 나사 연결부의 초기장력을 결정 및/또는 모니터링 하기 위한 장치와 관련이 있는 WO 2011020454 A1호에서도, 초기장력의 값 및/또는 초기장력의 변동에 의존하고 전자식으로 평가될 수 있는 데이터를 센서가 발생시킨다. 이러한 이론을 이용하는 경우에는 상기와 같은 구조가 만족스럽지 못한 것으로 입증되었는데, 그 이유는 소자들이 서로에 대하여 복잡하게 포지셔닝되어야 하기 때문이다.
유럽 공개 특허 출원서 EP 000001764596 A2호에는 무선 공학 기술을 이용해서 측정 결과를 전달하는 장치가 공지되어 있다. 기존의 데이터 인터페이스에 의해서는 상기와 같은 방법이 자동화된 평가를 위해 적합하다. 하지만, 측정 구조가 매우 복잡하고, 이로 인해 비경제적이다. 또한, 상기 장치는 오로지 초기 응력의 측정에만 한정되어 있다.
미국 공개 특허 출원서 US 000004904132 A호의 이론은 광학적인 출력 방법을 이용하고 있다: 연결 부재 내부에서 응력이 변동되는 경우에는, 나사 헤드 내에 삽입된 디스플레이 소자가 변색된다. 이 경우에는 연속적인 모니터링이 문제가 될 뿐만 아니라 광학적으로 차단된 시스템을 위해서는 불가능한 것으로 입증되었다.
독일 공개 특허 출원서 DE 000004421959 A1호에서는 나사의 설치를 시각적으로 제어함으로써 초기 응력이 불연속적으로 검출될 수 있는 것이 제안된다. 연속적이고 자동화된 평가의 과제를 위해서는 이와 같은 해결 제안이 적합하지 않은 것처럼 보인다.
미국 공개 특허 출원서 US 020020054809 A1호에 기술된 발명은 디스크 스프링(disk spring)을 이용한 기계적인 방법을 토대로 해서 초기장력을 모니터링 하고, 나사가 고장인 경우에는 상기 방법이 광학적으로 판독 출력될 수 있는 신호를 출력한다. 이와 같은 이론이 갖는 단점은, 추가의 컴플라이언스를 발생시키고, 조립 동안에 특별한 조치 및 번거로움을 요구하며, 구조의 복잡성을 높이는 추가의 소자가 연결부 내부에 설치되어야 한다는 것이다.
기본적으로는, 하나의 연결부 내 클램핑 파워(clamping power; 결착력)를 모니터링 하기 위한 3개의 상이한 장치가 구별될 수 있다: 외부 장치의 사용, 연결부 내에 있는 추가의 소자 및 연결 부재 내부에서 또는 연결 부재에서 직접 클램핑 파워를 검출하는 장치.
작동 중에 초기장력을 측정할 수 있기 위한 장치뿐만 아니라 조임 과정 중에 연결부 내에서 우세한 축방향 힘을 모니터링 하는 장치도 공지되어 있다.
독일 공개 특허 출원서 DE 000019960040 A1호에 따른 발명에서는 조임 과정 중에 원하는 힘에 도달하자마자, 전술된 장치들이 신호를 출력한다. 조임 과정 후에는 이 장치들이 제거되기 때문에 연결 부재에서의 측정을 위해서는 더 이상 이용되지 않는다.
작동 중에 장치를 이용해서 클램핑 파워를 모니터링하기 위해, 독일 공개 특허 출원서 DE 102005002592 A1호에는 나사 결합 수단의 초기장력을 검사할 수 있는 어셈블리가 공지되어 있다. 하지만, 이 어셈블리는 나사 연결부 상에 영구적으로 설치되어 있지 않으며, 또한 조작자도 필요로 한다.
또한, 유럽 공개 특허 출원서 EP 000001764596 A2호에서는 나사 헤드 상에 장착되는 측정 장치가 기술된다. 나사 내부의 보어 내에 있고 축방향 팽창에 비례해서 동작하는 측정 로드 및 유압식 장치에 기초하여 응력 변동이 검출된다. 구조의 복잡성 그리고 장치의 크기가 단점이며, 이로 인해 사용 가능성이 제한된다.
연결부 내에서의 초기장력 변동을 측정하기 위해 추가 부재를 사용하는 경우, 센서 기술이 연결 부재 내에 혹은 연결 부재에 직접 통합되지 않는다. 독일 특허 DE 000019854062 C1호는 나사 헤드와 제작 재료 사이에 또는 나사 너트와 제작 재료 사이에 삽입되는 와셔를 기술하고 있다. 유전체 층의 두께 변경 및 그로부터 야기되는 용량 변경에 의해서 우세한 초기장력이 결정된다. 이 발명이 갖는 단점은, 추가의 컴플라이언스를 발생시키고, 조립 동안에 특별한 조치 및 번거로움을 요구하며, 구조의 복잡성을 높이는 추가의 소자가 연결부 내부에 설치되어야 한다는 것이다.
유사한 컨셉이 독일 공개 특허 출원서 DE 102009043267 A1호에서도 사용된다. 이 발명에서의 단점은, 용량성 센서가 나사 자체 내부에 설치되어 있지 않다는 것이며, 이러한 상황은 측정 오류를 야기할 수 있다.
독일 공개 특허 출원서 DE 000003934952 A1호에서는, 피팅 위치에서 연결 부재의 초기장력을 수용하고 연결 부재에 인접해서 장착된 파워 센서를 포함하는 추가의 모니터링 어셈블리가 제안된다. 이 파워 센서는 스프링 어셈블리의 형태 및 스프링 범위에 의존하는 관련 스위칭 콘택(switching contact)의 형태로 구현되었다. 연결 부재의 목표 응력에 도달하는 경우에는 상기 스위칭 콘택이 폐쇄된다. 스위칭 위치는 초기장력을 제어하기 위해 전기 시험 회로에 의해서 주기적으로 모니터링 된다. 이 발명이 갖는 단점은, 추가의 컴플라이언스를 발생시키고, 조립 동안에 특별한 조치 및 번거로움을 요구하며, 구조의 복잡성을 높이는 추가의 소자가 연결부 내부에 설치되어야 한다는 것이다.
그렇기 때문에, 클램핑력을 검출하기 위한 소자가 연결 부재 내부에 또는 연결 부재에 직접 설치된 어셈블리가 바람직한 것으로 간주될 수 있다. 이와 같은 접근 방식은 독일 공개 특허 출원서 DE 1020009060441 A1호에서 실행된다. 이 접근 방식에서의 단점은, 표면에 있는 민감한 층들이다. 이들 층은 조립 동안에 또는 작동 중에 쉽게 손상될 수 있고, 이와 같은 상황은 측정값의 변조를 야기한다.
독일 공고 특허 출원서 DE 102004038638 B3호에는 축방향 힘을 결정하기 위한 센서가 집적된 연결 부재가 공지되어 있다. 나사 헤드에 집적되어 있고 압전 특성을 갖는 변환기가 나사 단부에서 반사되는 초음파를 방출한다. 이와 같은 변환기는 방출된 음향 신호를 수신하기 위한 센서로서도 이용된다. 나사의 축방향 응력이 변동되는 경우에는, 제조 재료의 초음파 투과성이 변동되고, 이로써 계속해서 존재하는 초기장력에 대한 추론이 가능해진다. 단점은, 주변으로부터의 방해 영향에 대한 저항력이 약하다는 것이다.
독일 공개 특허 출원서 DE 000019710960 A1호는, 나사 지지면이 압전 세라믹, 전기 절연성의 그리고 전기 전도성의 재료로 코팅되고, 나사 결합된 상태에서 접근할 수 있는 장소에 전기 전도성 층이 콘택팅 될 수 있으며, 이와 같은 상태에 대한 신호가 전자식으로 추가로 처리되는 것을 특징으로 하는 고정 나사를 기술한다. 이 발명에서의 단점은 표면에 있는 민감한 층들이다. 이러한 고정 나사는 조립 동안에 또는 작동 중에 쉽게 손상될 수 있고, 이와 같은 상황은 측정값의 변조를 야기한다.
조임 소자 내의 축방향 힘을 측정하기 위한 전술된 요구 사항들 이외에, 횡력을 측정하기 위한 방법 및 어셈블리도 공지되어 있다. 이 목적을 위해서는 일반적으로 파워 측정 볼트가 사용된다. 이 경우에는, 상기 어셈블리가 연결 부재의 과제를 충족시킬 수 있는지의 여부도 판별된다.
유럽 공개 특허 출원서 EP 000001933121 A2호에서는 측정 센서 기술이 집적된 파워 측정 볼트가 기술된다. 하지만, 필요한 다수의 개별 부품 및 성형 소자로 인해 복잡한 구조가 문제가 된다.
독일 공고 특허 출원서 DE 102004038638 B3호에는 피에조 액추에이터에 의해 발생되는 초음파를 이용해서 기계적인 응력의 측정이 실시된다. 볼트 내부의 전단 응력은 제조 재료의 초음파 투과성을 변동시키며, 이와 같은 변동은 재차 응력 상태에 대한 추론을 가능케 한다.
볼트 내에서 발생하는 전단력은 독일 공개 특허 출원서 DE 102005004060 A1호의 이론에 나타난 바와 같이 대안적으로 팽창 측정 스트립에 의해서도 결정될 수 있다. 상기 어셈블리로서는 측정 볼트가 다루어진다. 이와 같은 이론을 적용할 때의 복잡성은 고정 과제를 위해서는 부적절하게 높은 것으로 보인다.
독일 공개 특허 출원서 DE 102006007385 A1호도 볼트 내에서 발생하는 전단력을 팽창 측정 스트립을 이용해서 검출하지만 연결 과제를 충족시키지는 않는다.
상기 발명의 의도에서는, 연결 부재의 과제도 충족시키고 연결 축에 대하여 가로인 하중을 검출할 수 있는 파워 측정 볼트가 더 적합하다. 독일 공개 특허 출원서 DE 000010111020 A1호는, 자기장을 발생시키면서 자기장으로부터 간격을 두고 떨어져 있는 자기적으로 민감한 소자를 구비하는 연결 부재를 기술한다. 제안된 연결 부재는 특히 차량 좌석에 작용을 하는 파워 또는 기계적인 응력을 검출하기에 적합하다. 하지만, 상기 연결 부재의 지지 능력은 자체 구조에 의해서 감소하게 되는데, 그 이유는 이 연결 부재가 넓은 범위에 걸쳐서 세로로 갈라지기(slitting) 때문이다.
독일 공개 특허 출원서 DE 000010242256 A1호는, 나선 홈이 형성되어 있기 때문에 나사 결합 수단으로서 사용될 수 있는 파워 측정 볼트를 기술한다. 파워를 측정하기 위해, 탄력적인 나사 샤프트 내에 통합된 파워 측정 부싱이 제공된다. 전단 하중을 받을 때에는 샤프트 내에서 인장 응력/압축 응력이 생성되고, 이와 같은 응력은 센서 기술에 의해서 검출된다. 단점은, 필요한 기하학적 소자에 의해서 야기되는 복잡한 구조이다.
본 발명의 과제는, 연결부를 조일 때에 그리고/또는 작동 중에 축방향 하중 및/또는 가로 하중을 수용하기 위한 센서 기술이 집적된 연결 부재로서 이용될 수 있는, 센서 유닛을 구비하는 지지 구조물을 제조하는 것이다. 이 경우에는 통상의 고정 나사에서와 유사한 지지 능력에 도달해야 한다. 부하 측정에 대한 방해 영향을 보상하기 위해, 센서 컨셉은 온도 센서 및 습기 센서에 의해서 확장될 수 있어야 한다.
인장 하중 하에서 연결부 내에 있는 컴포넌트들의 분리를 방지하기 위해서는, 센서 유닛이 축방향 초기 응력 하에서 지지 구조물 내부에 결합 되어야 한다. 또한, 지지 구조물과 센서 유닛 사이의 접촉 영역도 컴포넌트들 간의 힘 흐름을 보증하기에 충분한 지지면을 제공해 주어야 한다.
측정 원리 그리고 신호 라우팅 및 인터페이스로 이루어진 나머지 어셈블리는 연속적인 신호 전송을 가능케 할 수 있어야 한다.
본 발명에 따른 이론은 또한 덜 복잡한 지지 구조물을 제조하기 위해서 이용되어야 한다. 센서 장치 및 이 센서 장치의 초기 응력을 위한 설치 공간 수요도 적어야 한다.
지지 구조물 및 센서 유닛으로 이루어진 구조를 실현하기 위해서는, 센서 유닛의 집적 그리고 지지 구조물과 센서 유닛 간에 힘 전달을 가능케 하는 제조 방법도 필요하다. 이와 같은 제조 방법은 지지 구조물의 동시 성형 및 센서 유닛의 매립을 가능케 해야 한다.
본 발명에 따라 제안된 구조는 실제로 세로로 배향된 지지 구조물(14) 및 센서 유닛(10)으로 이루어진다. 지지 구조물(14)의 과제는 연결 부재의 과제이다. 지지 구조물(14)은 자체 단부에서 나사산 영역(1) 그리고 헤드부(7)로 이루어지거나, 대안적으로는 추가의 나사산 영역(1) 또는 추가의 헤드부로 이루어진다. 상기 지지 구조물에는 탄성 영역(2)이 제공되고, 이 탄성 영역 내부에는 센서 유닛(10)이 집적되어 있다. 이때 센서 유닛(10)은 지지 구조물(14)의 보조력 흐름 내에 놓고, 내부에 동축으로 배치되어 있다. 이와 같은 단순한 구조의 장점을 더 잘 활용하기 위해, 센서 유닛(10)은 지지 구조물(14)의 제조 공정에서 집적되어야 한다. 센서 유닛(10)은 연결 부재 내에서 작용을 하는 축방향 초기장력 그리고 발생하는 횡력을 측정하는 과제를 담당한다. 연속적인 모니터링을 가능케 하기 위해, 신호 라우팅(8)을 위한 실시예들이 제안된다. 또한, 연결 부재는 가소성 팽창 영역(6) 둘레로 확장될 수 있다.
변형 기술적인 제조 방법으로 지지 구조물(14)을 제조하기 위해서는, 지지 구조물(14) 내부에 센서 유닛(10)을 수용하기 위해 축방향으로 언더컷(undercut)을 형성하기 위해, 공구 또는 공구 세그먼트에 의해 지지 구조물(14)에 대해서 반경 방향으로 작용을 미치는 것이 반드시 필요하다. 이때 변형력은 센서 유닛(10)의 부하 수용 능력을 초과해서는 안 된다. 지지 구조물(14)의 가소화 동안에 센서 유닛(10)은 지지 구조물(14)과 이 센서 유닛(10) 사이에서 강제 결합과 형상 결합이 조합된 결합이 만들어지도록 집적된다. 이와 같은 상황은 실온에서 변형 공정 후에 얻어지는 고유 응력에 의해서 그리고/또는 외부로부터 지지 구조물(14)을 국부적으로 또는 전체적으로 추가로 가열함으로써 그리고/또는 지지 구조물(14)의 제조시에 그리고 어닐링에 의한 후속 수축 과정에서 발생하는 공정 열(process heat)에 의해서 달성되며, 상기 공정 열은 지지 구조물(14)에서 생성되는 언더컷에 의해서 그리고 상기 장소에 센서 유닛(10)이 존재함으로써 차단된다. 센서 유닛(10) 및 지지 구조물(14)에 대한 접촉 기하학적 구조(26)의 각에 의해서는, 제조 공정 중에 센서 유닛의 고유 응력 및 하중으로부터 결과적으로 생성되는 축방향 인장 응력(19)이 적합하게 조절될 수 있다. 가장 적합한 각(26)은 예컨대 유한 요소법(finite element method)과 같은 입증된 기계적 방법에 의해서 제공되는 기하학적 구조의 경우 및 하중의 경우를 위해서 결정될 수 있다. 이 방법은 또한 공정 후에 지지 구조물(19) 내에서 인장 고유 응력을 발생시키거나 보강하기 위해 지지 구조물(14)에서의 결합 과정 중에 종방향 힘(25)의 중첩을 제공할 수 있다. 일반적으로 지지 구조물(14) 내부의 축방향 인장 응력 및 그와 더불어 센서 유닛(10)을 위한 초기장력은 결합 과정 동안의 축방향 인장 응력(25)에 의해 보강된다.
측정값은 본 발명에 따라 나사 연결부의 조임 과정 중에 뿐만 아니라 작동 중에도 이용될 수 있다. 이때 특히 바람직한 것은, 구조상의 변형이 이루어질 필요가 없다는 것이다.
단순한 구조의 추가의 특별한 장점은 어레인지먼트의 스케일링(scaling) 가능성이다. 이로써, 크기 및 측정 범위가 필요에 따라 적응될 수 있는데, 그 이유는 추가의 소자가 필요치 않기 때문이다.
지지 구조물(14)은 내부가 연속적인 중공(9)으로 구현될 수 있다. 그럼으로써, 지지 구조물(14)의 변형 가능성 및 그와 더불어 작업 용량이 증가된다. 또한, 탄성 영역(2)은 하중 교체의 경우에 초기 응력을 얻는다. 작동 중에 또는 연결부를 조이는 동안에 지지 구조물(14)에 인장 방향으로 종방향 힘이 제공되면, 인장력에 의해 하중이 가해지는 동안에 그리고 그 후에도 상기 지지 구조물(14) 및 센서 유닛(10)의 초기 응력이 그대로 유지되도록 하기 위해, 탄성 팽창 영역은 종방향으로 허용되지 않는 연장 혹은 가소화가 발생하지 않도록 보증해준다.
센서 유닛(10)은 하중을 검출하기 위한 통상의 구조로 이루어지며, 이와 같은 구조는 예컨대 Joerg Hoffmann 저: 측정 기술 편람(Handbuch der Messtechnik). Carl Hanser, 뮌헨 2007년 (3판). ISBN 978-3-446-40750-3 또는 Karl-Heinrich Grote, Joerg Feldhusen (편집자): Dubbel - 기계 공학 편람(Taschenbuch fuer den Maschinenbau). 23판, Springer, 베를린 2011년과 같은 관련 이론 서적에 공지되어 있다. 예를 들어 팽창 측정 스트립을 캐리어에 적용하는 것이 제안된다. 유사한 형태로, 캐리어 링(17)은 또한 보호 캡(16) 내부에 매립된 상태로 배치될 수도 있다. 기계적인 하중을 용량성, 피에조 저항성 또는 압전성 변수와 같은 전기적인 변수로 변환시키는 다른 측정 원리들도 가능하고, 저항성 측정 원리를 대신할 수 있다. 센서 컨셉은 경우에 따라 하중 측정에 대한 방해 영향을 보상하기 위해 온도 센서 및 습기 센서에 의해 보완될 수 있다. 센서 유닛은 특히 기계적인 측정 변수 및/또는 열적인 측정 변수를 검출하도록 형성되었다.
본 발명에 따라, 센서 바디(10)는 연결 부재의 보조력 흐름 내에 놓이고, 이로써 지지 구조물(14)의 하중 조건 변경에 의해서 직접적으로 영향을 받는다. 그렇기 때문에 측정 기술적인 장소는 지지 구조물(14)의 중앙에 놓인다. 이로써, 센서 유닛은 보호도 된다. 구조의 장점을 더 잘 활용하기 위해, 센서 유닛(10)은 강제 결합 방식과 형상 결합 방식이 조합된 방식으로 지지 구조물(14) 내부에 집적된다. 이로써, 연결 축의 방향으로 그리고 이 방향에 대하여 횡방향으로 이루어지는 지지 구조물(14)과 센서 유닛(10) 간의 힘 전달이 확실하게 보증된다.
각각의 도면에 도시된 실시예들은 이하의 설명 부분에서 상세하게 설명된다.
도 1은 헤드부(7), 전환 영역(5)과 연결된 탄성 팽창 영역(2) 및 가소성 팽창 영역(6) 그리고 나사산 영역(1)을 갖는 실시예에서 지지 구조물(14)을 보여주고 있다. 헤드부는 외부 6각형 윤곽, 내부 6각형 윤곽, 슬롯형 윤곽, 교차 슬롯형 윤곽을 갖거나 다른 내부 윤곽 및/또는 외부 윤곽을 갖는 고정 보조부로서 구현될 수 있다. 연결 부재의 강성 및 그와 더불어 지지 능력을 높이기 위해 노치(notch) 강화 효과를 활용하기 위해서, 탄성 영역에는 노치 모양(notched) 영역(4)과 매끈한 영역(3)이 교대로 제공된다. 작동 중에 또는 연결부를 조이는 동안에 지지 구조물(14)에 인장 방향으로 종방향 힘이 제공되면, 인장력에 의해 하중이 가해지는 동안에 그리고 그 후에도 상기 지지 구조물(14) 및 센서 유닛(10)의 초기 응력이 그대로 유지되도록 하기 위해, 탄성 팽창 영역은 종방향으로 허용되지 않는 연장 혹은 가소화가 발생하지 않도록 보증해준다. 신호 전송을 위해 케이블 접속부(8)가 제안된다.
도 2는 도 1에 기술된 실시예의 단면도를 도시한다. 연결 부재의 세로 축에는 보어(9)가 제공되어 있다. 그에 대하여 동축으로 탄성 영역(2) 내부에는 집적된 센서 유닛(10)이 배치되어 있다.
도 3은 전환 영역(5)과 연결된 탄성 팽창 영역(2) 및 가소성 팽창 영역(6)을 갖는 실시예에서 지지 구조물(14)을 보여주고 있으며, 이 경우 상기 탄성 팽창 영역(2)에는 노치가 형성되어 있지 않다. 다른 소자들은 전술된 실시예들에 상응한다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 단면을 도시한다. 내부는 도 2에 도시된 실시예와 동일한 구조이다.
도 5는 헤드부(7), 탄성 팽창 영역(2) 및 나사산 영역(1)을 갖는 실시예에서 지지 구조물(14)을 보여주고 있다. 연결 부재의 세로 축에는 보어(9)가 제공되어 있다. 그에 대하여 동축으로 탄성 영역(2) 내부에는 집적된 센서 유닛(10)이 배치되어 있다. 제안된 실시예는 가소성 팽창 영역이 제공되어 있지 않다는 점에서 전술된 실시예들과 구별된다. 본 실시예의 크기 및 특성으로 인해 이 실시예는 휠 볼트로서 적합하다.
도 6에 제안된 실시예는 지지 구조물(14)이 단지 국부적으로만 중공형이라는 점에서 전술된 실시예들과 구별된다. 이와 같은 실시예의 예비 성형품은 예를 들어 후방 캔 압출(backward can extrusion) 방법에 의해서 제조될 수 있다.
도 7은 2개의 나사산 영역(1) 및 하나의 탄성 팽창 영역(2)을 갖는 실시예에서 지지 구조물(14)을 보여주고 있으며, 이 경우 상기 탄성 팽창 영역(2)에는 노치가 형성되어 있지 않다. 다른 소자들은 전술된 실시예들에 상응한다. 또한, 신호 전송을 위해서 무선 방법이 제안된다. 필요한 소자는 무선 신호(22)를 변환하기 위한 회로 그리고 전송을 위한 안테나(21)이다.
도 8은 2개의 나사산 영역(1) 및 하나의 탄성 팽창 영역(2)을 갖는 실시예에서 지지 구조물(14)을 보여주고 있으며, 이 경우에는 지지 능력을 높이기 위해 연속하는 나선(1)으로 인한 노치 강화 효과에 의해 상기 탄성 팽창 영역(2)에 노치가 형성되어 있다. 다른 소자들은 전술된 실시들 예에 상응한다. 또한, 신호 전송을 위해서 광학 방법이 제안된다. 필요한 소자는 광학 신호(24)로 변환하기 위한 회로(24) 그리고 광 도파관(23)이다.
도 9에는, 신호 전송을 위한 케이블 접속부(8)에 인장 하중 경감 장치(11)가 제공된 실시예가 도시되어 있다. 상기 인장 하중 경감 장치는 지지 구조물(14)의 제조 동안에 만들어진다. 이로써, 연결 부재는 일 측에서 추가로 밀봉된다. 나머지 구조는 전술된 실시예들에 상응한다.
도 10은 지지 구조물(14)의 단부에서 신호 전송을 위한 인터페이스(15)가 사용되는 일 실시예를 보여준다.
도 11은 나사 단부에서 밀봉 볼(12)이 추가로 사용되는 실시예를 도시한다. 이로써, 연결 부재는 일 측에서 또는 도 9 및 도 10에 따른 실시예에 따르면 양측에서도 밀봉될 수 있다. 나머지 구조는 전술된 실시예들에 상응한다. 또한, 센서 유닛(10)을 2개의 보호 캡(16) 및 하나의 캐리어 링(17)으로 분리해서 구성하는 것도 제안된다.
열에 의해서 유도되는 센서 유닛(10)의 측정 신호를 보상할 수 있기 위해, 도 12에 도시된 실시예에 따라 온도 센서(13)가 사용되었다. 이 온도 센서는 센서 유닛(10)의 높이에서 온도를 측정한다. 이러한 구조는 작동 중에 연결 부재를 균일하게 가열하기에 적합하다. 제안된 구조는 또한 전술된 실시예들에서도 사용될 수 있다.
도 13에 따른 실시예는 도 12에 따른 실시예와 유사하게, 열에 의해서 유도되는 센서 유닛(10)의 측정 신호를 보상할 수 있기 위해 온도 센서(13)의 사용을 제시한다. 작동 중에 세로 축에 걸쳐서 연결 부재가 불균일하게 가열되는 경우에는, 나사산 영역(1) 높이에서의 온도 및 헤드부(7) 높이에서의 온도가 검출된다. 제안된 구조는 또한 전술된 실시예들에서도 사용될 수 있다.
도 14에 따른 실시예에서는, 지지 구조물(14) 내부에 센서 유닛(10)을 수용하기 위한 언더컷 및 접촉 영역(18)이 형성되도록 하기 위해, 도 14에서 제안된 바와 같이 이하에서 반경 방향으로 상기 지지 구조물(14)에 영향을 미치기 위해, 지지 구조물의 출발 기하학적 구조 및 공구 세그먼트(20)의 어레인지먼트가 제공되었다. 이와 같은 공정 순서는 유사한 방식으로 예를 들어 로터리 스웨이징(rotary swaging)에 의해 공지되어 있다. 중요한 사실은, 상기 공정 후에는 가소화 동안에 종방향 힘(25)이 중첩되거나 중첩되지 않은 상태에서의 가소화로 인한 고유 응력에 의해서 그리고/또는 열에 의한 지지 구조물(14)의 수축에 의해서 형성된 마킹(marking) 영역에 축방향 인장 응력(19)이 존재하는 상황이 상기 지지 구조물(14)에서 생성된 언더컷에 의하여 그리고 이로 인해 센서 유닛의 초기 응력에 도달하기 위해 상기 장소에 센서 유닛(10)이 존재함으로써 차단된다는 것이다. 또 다른 중요한 것은 힘을 전달하기 위한 센서 유닛(10)과 지지 구조물(14) 사이에 있는 접촉 영역(18)에서의 상응하는 기하학적 구조이다. 상기 접촉 영역은 특히 출발 기하학적 구조에 의해서 결정된다. 특히 센서 유닛(10) 및 지지 구조물(14)에 대한 접촉 기하학적 구조(26)의 각은 고유 응력으로부터 야기되는 상응하는 축방향 인장 응력(19)에 그리고 제조 공정 동안 센서 유닛의 하중에 영향을 미친다.
1 나사산 영역
2 탄성 팽창 영역
3 노치가 형성되지 않은 탄성 팽창 영역
4 노치가 형성된 탄성 팽창 영역
5 전환 영역
6 가소성 팽창 영역
7 헤드부
8 신호 전송용 케이블
9 보어(나사 내 공동)
10 센서 유닛
11 밀봉 링
12 밀봉 볼
13 온도 센서
14 지지 구조물
15 신호 전송용 인터페이스(단면도로 도시되어 있지 않음)
16 보호 캡
17 캐리어 링
18 접촉 영역
19 축방향의 인장 고유 응력을 받는 영역
20 공구 세그먼트
21 안테나
22 무선 데이터 전송용 회로
23 광 도파관
24 데이터 전송을 위해 광학 신호로 변환하기 위한 회로
25 종방향 힘
26 접촉 기하 구조의 각도

Claims (12)

  1. 세로로 배향된 지지 구조물(14) 및 센서 유닛(10)으로 이루어진 연결 부재에 있어서,
    상기 센서 유닛은, 상기 연결 부재 내에서 작용하는 축방향 초기장력을 측정할 수 있고, 적어도 국부적으로 중공형인 지지 구조물 내부에 배치되고, 신호 전송 장치와 연결되며, 상기 지지 구조물과 강제 결합 방식으로 연결되며, 이때 강제 결합에 필요한 힘은 지지 구조물(14)과 센서 유닛(10)의 결합 동안 상기 지지 구조물의 가소성 변형 이후에 상기 지지 구조물의 고유 응력에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  2. 제1항에 있어서, 센서 유닛(10)은 연결 부재의 보조력 흐름 내에 놓이고, 연결 축에 대하여 횡방향과 종방향 중 적어도 하나의 방향으로 힘을 수용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연결 부재는 나사 또는 나사형 로드로서 형성되며, 측정값은 나사 연결부의 조임 과정 중에도 그리고 작동 중에도 센서 유닛(10)으로부터 신호 전송 장치를 거쳐서 평가 또는 출력 유닛으로 전송될 수 있으며, 이때 구조적 변형을 수행할 필요가 없는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지 구조물(14)은 헤드부(7), 전환 영역(5)과 연결된 탄성 팽창 영역(2) 및 가소성 팽창 영역(6) 그리고 나사산 영역(1)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지 구조물(14)에는 신호 전송용 케이블 접속부(8)를 위한 인장 하중 경감 장치(11)가 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지 구조물(14)에 신호 전송용 인터페이스(15)가 구비되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 센서 유닛(10)에서 하나 이상의 온도 센서(13), 그 이외의 센서, 또는 하나 이상의 온도 센서(13)와 그 이외의 센서가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 센서 유닛(10)은 기계적 측정 변수와 열적 측정 변수 중 적어도 하나를 검출하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
  9. 지지 구조물(14) 및 센서 유닛(10)으로 구성된 연결 부재를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    센서 유닛(10)은, 상기 연결 부재 내에서 작용하는 축방향 초기장력을 측정할 수 있고, 적어도 국부적으로 중공형인 지지 구조물(14) 내에서 포지셔닝되고, 반경 방향으로 움직일 수 있는 공구 세그먼트(20)에 의해 지지 구조물에 반경 방향으로 힘이 가해지며, 지지 구조물(14)과 센서 유닛(10)이 결합하는 동안 상기 지지 구조물의 가소성 변형에 의해서, 센서 유닛(10)이 포지셔닝된 영역에서는 지지 구조물(14)의 원주가 감소하는 것을 특징으로 하는, 연결 부재 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 지지 구조물에 대하여 반경 방향으로 가해지는 힘에 의해서, 센서 유닛(10)이 포지셔닝된 영역만큼 상기 지지 구조물(14)의 원주가 적어도 부분적으로 감소하는, 연결 부재를 제조하기 위한 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 결합 과정 중에 지지 구조물(14)에 종방향 힘(25)이 중첩되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재 제조 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 지지 구조물의 가열과 센서 유닛의 냉각 중 적어도 하나는 결합 동작 이전에 실시되는 것을 특징으로 하는, 연결 부재 제조 방법.
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