KR102629855B1 - 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치 및 방법 - Google Patents

토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베어링 장치(2), 특히 기계에 의해 지지되는 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치(1)에 관한 것이고, 베어링 장치(2)의 출력 및/또는 입력 샤프트는 토크 전달 샤프트(3)에 의해 형성되는 것이다. 상기 측정 장치는 적어도 2개, 바람직하게는 3개 또는 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 고정부(5)를 갖되, 고정부(5)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 지지하고 상기 압전 소자에 의해 베어링 장치(2) 및 베어링 장치(2)를 지지하기 위한 지지 장치(10) 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있도록 구성되어 있다.

Description

토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치 및 방법
본 발명은 베어링 장치, 특히 기계에 의해 지지되는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것이고, 베어링 장치의 출력 및/또는 입력 샤프트는 토크 전달 샤프트에 의해 형성되는 것이다.
엔진, 특히 내연기관 또는 전기 기계를 제어할 때, 모터의 샤프트에 인가되는 토크를 최대한 정확하게 아는 것이 중요하다.
이를 위해 스트레인 게이지 또는 압전 센서를 구비한 측정 장치를 사용하는 것이 종래 기술에 공지되어 있다.
스트레인 게이지 및 유사한 측정 소자는 일반적으로 정적 힘을 측정하는데 사용된다. 그러나 일반적으로 이러한 유형의 측정 소자를 구비한 측정 시스템은 너무 긴 반응 시간을 갖고 있어 동적 힘 변화를 측정할 수 없다. 이에 반해, 압전 측정 소자 또는 압전 소자는 동적 인장력, 압축력 및 전단력을 측정하기에 적합하다. 이들은 넓은 동적 범위를 갖고 있고, 강직하며, 높은 동적 힘을 동시에 높은 식별력으로 측정할 수 있다.
문헌 EP 0 266 452 A1은 힘 및 토크 측정용 압전 센서 소자로서, 적어도 2개의 압전 소자와 그 사이에 배치되고 절연 재료로 제조된 적어도 하나의 지지판으로 구성되어 있되, 상기 압전 소자는 지지판의 좌표계에 대해 결정학적으로 미리 배향되고 지지판에 견고하게 결합되어 있는 압전 센서 소자에 관한 것이다.
문헌 DE 195 25 22 A1은 다수 개의 힘 측정 셀과 증폭 장치로 구성된 힘 및 토크 측정 장치로서, 상기 다수 개의 힘 측정 셀은 조립판 사이의 측정부에 견고하게 나사 결합되어 있고 토크 형성이 가능하도록 좌표축에 대해 배치되어 있으며, 평가를 위해 힘 측정 셀의 신호를 일군의 증폭기로 안내하고 상기 신호의 출력을 또한 일군의 연산 증폭기로 안내하여 개개의 힘 성분과 힘 모멘트를 모두 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 장치에 관한 것이다.
문헌 DE 10 2009 014284 B4는 축 방향으로 평행하게 대향 위치해 있고 반경 방향으로 내부에 위치해 있는 토크 전달 소자에 의해 서로 견고하게 결합되어 있는 제1 및 제2 디스크형 체결 플랜지로 구성되되, 상기 제2 체결 플랜지는 측정 플랜지로서 반경 방향 외측 체결 영역과 동축으로 내부에 위치해 있는 토크 전달 소자 사이의 동축으로 둘러싸고 있는 영역에 반경 방향의 보강 웹에 의해 서로 분리된 다수 개의 리세스 및 전단력 센서를 포함하도록 구성되어 있고, 상기 리세스는 일측에 축 방향 바깥쪽으로 개방된 적어도 3개의 측정 포켓에 의해 형성되고 상기 측정 포켓의 바닥면은 균일하게 얇고 스프링 탄성이 있는 변형체를 구성하는 균일한 폐쇄면으로서 형성되어 있고, 상기 전단력 센서가 바닥면 또는 상기 측정 포켓의 축방향으로 대향 위치해 있는 외면에 적용되는 토크 센서에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크 또는 힘의 결정을 향상시킬 수 있게 하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 측정 장치, 측정 장비 및 상기 측정 장치가 테스트할 시스템의 측정에 영향을 최대한 적게, 바람직하게는 전혀 미치지 않게 하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립 청구항에 따른 토크 전달 샤프트의 베어링 장치에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치, 이러한 측정 장치를 구비한 측정 장비 및 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크를 결정하기 위한 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시형태들은 종속항에 청구되어 있다.
본 발명의 제1 양태는 베어링 장치, 특히 기계에 의해 지지되는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치로서, 베어링 장치의 출력 및/또는 입력 샤프트가 토크 전달 샤프트에 의해 형성되고, 상기 측정 장치는 적어도 2개, 바람직하게는 3개 또는 4개의 압전 소자와 고정부를 갖되, 상기 고정부는 압전 소자를 지지하고 상기 압전 소자에 의해 베어링 장치 및 베어링 장치를 지지하기 위한 지지 장치 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있도록 구성되어 있는 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명의 제2 양태는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장비로서, 특히 선행 청구항 중 어느 한 항에 따른 압전 효과에 기반한 측정 장치, 샤프트, 베어링 장치 및 상기 베어링 장치의 지지 장치를 포함하되, 상기 베어링 장치는 샤프트를 지지하고, 상기 측정 장치는 상기 샤프트 또는 샤프트 어셈블리의 회전 질량을 변경시키지 않는 측정 장비에 관한 것이다. 특히 상기 샤프트의 회전 질량은 상기 측정 장치와 무관하다.
본 발명의 제3 양태는 샤프트에 인가되는 토크 및/또는 샤프트에 인가되는 힘을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 토크 및/또는 힘은 적어도 2개의 압전 소자에 의해 샤프트의 베어링 장치의 베어링의 상기 베어링 장치에 대한 반력을 측정함으로써 결정되는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제4 및 제5 양태는 제1 양태에 따른 측정 장치 또는 제2 양태에 따른 측정 장비를 구비한 테스트벤치 및 차량에 관한 것이다.
본 발명의 제6 및 제7 양태는 컴퓨터에 의해 실행시 이러한 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 및 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장되는 컴퓨터 판독 가능한 매체에 관한 것이다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 매체는 컴퓨터에 의해 실행시 본 발명에 따른 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령어를 포함한다.
본 발명의 제1 양태에서 추가 기재된 특징 및 장점들은 본 발명의 다른 양태에도 적용되며 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명에서 고정부는 바람직하게는 특히 상기 압전 소자를 지지, 특히 체결하기 위해 사용된다. 더욱 바람직하게는 상기 고정부는 개개의 압전 소자를 연결하여 이들을 서로 상대적인 위치에 고정 유지시킨다. 상기 고정부는 어댑터 플레이트, 링 요소, 측정 플랜지 또는 체결 브래킷인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게 상기 고정부는 기존 장치, 예를 들어 하우징, 변속기 또는 기계의 일부일 수 있다. 상기 측정 장치의 고정부에는 압전 소자가 제공된다.
본 발명에서 압전 소자는 바람직하게는 압전 소자에 인접한 2개의 면에 작용하는 힘을 측정하도록 구성된 측정 소자를 의미한다. 바람직하게는 압전 소자는 압전 결정 및 전하 도체 또는 전기 회로로 구성된다.
본 발명에서 측정 장치는 바람직하게는 압전 센서를 의미한다. 이 경우, 상기 측정 장치는 압전 소자의 하우징 역할을 한다. 이와 달리, 상기 측정 장치는 압전 소자가 별도의 하우징에 배치되어 있는 개개의 압전 센서를 포함할 수도 있다.
본 발명의 의미에서 기계는 에너지, 바람직하게는 운동 에너지, 특히 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키거나 그 반대로 화학 에너지로부터 운동 에너지로 변환하도록 구성된다. 본 발명의 의미에서 기계는 바람직하게는 하우징을 포함한다.
본 발명에서 베어링 장치는 바람직하게는 샤프트, 특히 구름 베어링, 볼 베어링 또는 평 베어링을 회전 가능하게 지지하기 위한 장치를 의미한다. 상기 베어링 장치 또한 하우징을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 베어링 장치 자체는 바람직하게는 자체 지지된다. 본 발명에 따른 베어링 장치는 기계 또는 기계의 일부인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에서 지지 장치는 바람직하게는 소자에 작용하는 힘 및/또는 토크에 대해 상기 소자를 지지하기 위한 장치를 의미한다. 지지 장치는 바람직하게는 소위 반력 또는 베어링 반력을 제공하도록 구성된다. 본 발명의 의미에서 지지 장치는 바람직하게는 상기 베어링 장치를 지지하기 위해 사용된다. 상기 지지 장치는 바람직하게는 벨 하우징, 구동 트레인의 하우징 또는 베이스 플레이트이다.
본 발명에서 용어 "장착 가능한"은 "장착될 수 있는" 또는 "장착되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "연결 가능한"은 "연결될 수 있는" 또는 "연결되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "도입 가능한"은 "도입될 수 있는" 또는 "도입되는"을 의미한다. 바람직하게는 하나의 물체에서 또 다른 물체로 힘이 전달되는 것을 의미한다.
본 발명에서 용어 "지지 가능한"은 "지지될 수 있는" 또는 "지지되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "통과 가능한"은 "통과될 수 있는" 또는 "통과되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "내응력성"은 "내응력성일 수 있는" 또는 "내응력성이 있는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "배치 가능한"은 "배치될 수 있는" 또는 "배치되는"을 의미한다
본 발명은 특히 토크 전달 샤프트에 대해 직접 측정하는 것이 아니라 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하는 방식을 기반으로 한다.
종래 기술에서는 예를 들어 위에서 인용한 DE 10 2009 014284 B4에 기재되어 있는 바와 같이 이러한 힘 및/또는 토크를 측정하기 위해 토크 전달 샤프트에 나사 결합되거나 그 밖에 다른 방식으로 체결되는 측정 장치가 지금까지 사용되었다.
이와 달리, 본 발명에 따르면 베어링에 의해 지지되는 샤프트의 베어링 장치에 대한 베어링의 반력으로서 가해지는 각각의 힘을 측정하고 상기 힘들로부터 상기 샤프트에 가해지는 힘 또는 상기 샤프트에 가해지는 토크를 판단한다. 다시 말해, 본 발명에 따르면 상기 힘들은 힘 전달 과정에서 토크 전달 샤프트가 아닌 다른 위치에서 측정되고, 이들 힘으로부터 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크가 결정, 특히 계산된다.
한편, 측정 소자로서 사용되는 압전 소자의 강도와 강성으로 인해 상기 베어링 장치는 바람직하게는 압전 소자에 의해 완전히 지지될 수 있다. 이에 따라 전체 응력이 바람직하게는 압전 소자에 인가되거나 힘 분로가 적어도 무시될 수 있다.
다른 한편으로, 측정시 압전 소자를 사용하면 높은 동적 힘의 변화 또는 토크의 변화를 기록할 수 있다.
게다가 상기 측정 장치는 회전 샤프트의 구성부가 아니기 때문에 상기 측정 장치는 측정 결과를 악화시키지 않는다. 특히, 본 발명에 의하면 측정할 토크 전달 시스템, 특히 테스트벤치에서 테스트할 시스템의 이동 질량 또는 회전 질량은 변경되지 않는다. 또한 상기 측정 장치에 의해 진동 댐퍼로 작용하거나 토크 전달 시스템의 고유 주파수에 영향을 줄 수 있는, 특히 변조할 수 있는 탄성을 토크 전달 시스템에 부가하지 않는다. 이는 특히 구성에 따라 압전 소자에 비해 상대적으로 부드럽고 이에 따라 테스트할 시스템에 영향을 주는 측정 소자로서 스트레인 게이지를 구비한 시스템 대비 압전 소자의 장점이다.
또한 본 발명에 따른 측정 장치, 측정 장비 및 방법에 의하면, 상기 토크 전달 샤프트에 측정 플랜지로서 배치되는 측정 장치가 높은 회전수에서 샤프트로부터 분리될 위험이 없다.
나아가 본 발명에 따른 방안에 의하면, 상기 토크 전달 샤프트의 운동을 분석하고 샤프트 운동의 불연속성과 진동을 인식할 수도 있다. 특히 상기 샤프트의 요동이 인식되고 측정될 수 있다. 그러나 상기 샤프트에 배치된 측정 플랜지와 같은 측정 장치에 의해서는 불가능하거나 어려울 수 있다. 특히 실제로 요동하는 샤프트의 지점에 위치하는 이러한 측정 플랜지로는 가능하지 않다. 상기 토크 전달 샤프트가 베어링 장치 또는 기계, 특히 모터에 가해지는 힘은 또한 본 발명에 의해 결정될 수 있다. 이러한 힘은 측정 플랜지로 측정할 수 없고 그로부터 임의로 측정할 수 없거나 적어도 정확하게 측정할 수 없다.
본 발명에 따른 방안에 의하면, 상기 샤프트에 인가되는 동적 토크 및 상기 샤프트의 수직 및 수평 방향의 진동을 결정할 수 있다.
본 발명은 또한 예를 들어 종종 자동차 경주와 같이 벨 하우징에 의해서만 지지되는 모터에서 본 발명에 따른 측정 장치가 벨 하우징과 모터 사이에 배치되기 때문에 토크 전달 구동 샤프트에 인가되는 힘과 토크를 결정할 수 있다는 특별한 장점을 갖는다. 이 경우, 모터 또는 샤프트에 또 다른 측정점을 필요로 하지 않는다. 상기 측정 장치는 이러한 구동 트레인의 작동에 영향을 미치지 않아 연속 작동 중에, 예를 들어 자동차 경주 중에 구동 트레인을 진단하기 위해 사용할 수 있다.
또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 또한 힘이 마찰식 연결부에 의해 압전 소자 및/또는 쌍의 단부면에 평행하게 도입될 수 있도록 구성된다. 본 실시형태는 압전 전단 소자를 압전 소자로서 사용할 가능성을 제공한다. 특히 이로 인해 단일 압전 소자에 의해 2개의 반대 방향으로 상기 압전 소자의 단부면과 각각의 힘 인가 소자 사이의 마찰식 연결부를 형성할 필요 없이 힘을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 고정부 및/또는 베어링 장치 및/또는 지지 장치와 접합에 의해 연결될 수 있다. 이에 의해 상기 고정부와 베어링 장치 사이 또는 고정부와 지지 장치 사이 또는 베어링 장치와 지지 장치 사이의 힘을 압전 전단 소자에 의해 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자 및/또는 압전 전단 소자는 베어링 장치와 지지 장치 사이의 전단력을 측정하도록 구성 및 배치된다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 또한 샤프트의 회전 방향에 적어도 실질적으로 접선 방향으로 측정할 수 있도록 구성된다. 이는 측정된 힘의 복잡한 벡터 분해를 수행할 필요 없이 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 샤프트에 인가되는 토크의 계산을 단순화한다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 고정부 및/또는 압전 소자는 압전 소자가 고정부와 베어링 장치 사이 또는 고정부와 지지 장치 사이 또는 지지 장치와 베어링 장치 사이에 배치될 수 있고 사전부하에 내성이 있도록 구성된다. 특히 이를 위해 상기 고정부 및/또는 압전 소자는 특별히 제공된 공동을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 베어링 장치가 압전 소자에 의해서만 지지 장치에 대해 적어도 샤프트의 회전 방향으로 지지되도록 구성된다. 이를 통해 측정할 전체 힘이 상기 압전 소자에 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 바람직하게는 적어도 실질적으로 샤프트의 축 방향으로 전단력과 압축력 모두를 측정 할 수 있는 다성분(multicomponent) 압전 소자이다. 그 결과, 상기 2개의 힘 모두를 샤프트의 회전 방향과 샤프트의 축 방향으로 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자 중 적어도 2개는 전단 소자이고 상기 압전 소자 중 적어도 또 다른 하나는 압축 소자이다. 그 결과, 상기 샤프트에 수직인 힘, 특히 상기 샤프트의 회전 방향에 접선 방향인 힘과 상기 샤프트의 축 방향의 힘을 모두 측정할 수도 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 샤프트가 통과할 수 있는 개구부를 갖는다. 이에 의해 상기 샤프트가 베어링 장치를 빠져나오는 측면으로부터 베어링 장치를 지지할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 2개의 압전 소자를 구비한 측정 장치에서는 제1 및 제2 압전 소자가 상기 개구부에 대해 적어도 실질적으로 서로 대향하여 배치되거나 또는 압전 소자가 2개가 넘으면 상기 압전 소자는 개구부에 대해, 바람직하게는 개구부를 통해 안내될 수 있는 샤프트의 회전축에 대해 대략 동일한 각도 관계로 배치되는데, 이때 바람직하게는 상기 압전 소자는 개구부의 중심점으로부터 모두 동일한 거리에 있다. 상기 대안적인 실시형태는 샤프트에 인가되는 힘 또는 샤프트에 인가되는 토크의 특히 간단한 계산을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 고정부에 있는 리세스, 특히 블라인드 홀 내 및/또는 베어링 장치 및/또는 지지 장치의 하우징부 내에 50% 넘게, 보다 바람직하게는 70% 넘게, 더욱 더 바람직하게는 90% 넘게 수용되는 것이 더욱 바람직하다. 그 결과, 상기 고정부는 압전 소자의 하우징으로서 기능할 수 있다. 특히 이를 통해 각각의 압전 소자 주위에 개개의 하우징을 제공할 필요가 없을 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자 각각은 베어링 장치를 지지 장치와 연결하도록 구성된 조임 나사가 안내될 수 있는 공동, 특히 원통형 공동을 갖는다. 이렇게 함으로써 특히 사전부하 또는 압축하중이 압전 소자에 가해질 수 있어 마찰식 연결부가 그의 단부면과 또 다른 소자 사이에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 또한 압전 소자의 공동과 정렬되고 조임 나사가 지지될 수 있는 공동을 갖는다. 그 결과, 상기 고정부를 통해 조임 나사가 안내될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 특히 구동 장치의 다양한 구성요소의 하우징에 베어링 장치를 체결하기 위한 어댑터 플레이트 또는 링 요소이다. 이를 통해, 본 발명에 따른 측정 장치는 다수의 모터 및/또는 구동 트레인에서 특히 범용적으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 링 요소는 2개의 구성요소 사이의 밀봉부로서 형성되고/또는 밀봉부와 함께 사용될 수 있도록 구성된다. 본 유리한 실시형태에 있어서, 상기 측정 장치는 힘을 측정하기 위한 주변의 구성요소를 구조적으로 약간만 적절히 조정하는 방식으로 기존의 밀봉 홈 또는 안내부에서 사용할 수 있다. 특히 테스트할 시스템의 회전 질량은 영향을 받지 않는다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 지지 장치에 지지되는 적어도 2개의 지지체를 포함하고, 상기 지지체는, 특히 쌍을 이루어, 압전 소자 중 하나가 지지체와 하우징 사이에 위치할 수 있도록 베어링 장치의 하우징의 대향하는 제1 측면에 배치될 수 있다. 본 유리한 실시형태는 특히 상기 지지 장치가 베이스 플레이트에 의해 형성되고 상기 베어링 장치가 베이스 플레이트에 장착된 모터, 특히 전기 기계인 경우에 유용하다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 베어링 장치의 하우징의 대향 측면에 적어도 2개의 추가 지지체가 배치되어 압전 소자들 중 하나가 상기 지지체와 하우징 사이에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 베어링 장치가 지지 가능하게 한정되도록 하우징의 2개의 대향 측면에 적어도 3개의 지지체가 배치된다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 지지체와 지지 장치 사이에는 추가 센서 소자가 배치되고, 상기 추가 센서 소자는 지지체와 지지 장치 사이의 인장력과 압축력을 측정하도록 구성되며 바람직하게는 압전 소자 또는 스트레인 게이지로서 구성된다. 이로 인해 상기 측정 장치에 의한 동적 힘의 측정 뿐 아니라 추가로 정적 힘도 측정할 수 있게 하는 추가 측정 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 유리한 실시형태에 있어서, 상기 베어링 장치는 기계, 특히 로딩- 및/또는 구동 기계, 바람직하게는 전기- 또는 내연기관이다. 상기 기계는 샤프트를 지지하며 상기 샤프트에 대해 부하 토크(load torque) 또는 역토크(counter torque)를 나타낸다.
상기 측정 장치의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 지지 장치는 벨 하우징이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 측정 장치는 바람직하게는 밀봉면 또는 벨 하우징과 기계 사이의 계면에 적합한 링 요소로서 구성된다. 특히 바람직한 본 실시형태에 있어서, 상기 베어링 장치는 벨 하우징에 의해 지지되며 추가 커버를 필요로 하지 않는다. 이러한 구성은 특히 경주용 모터에 제공된다. 본 발명에 따르면, 상기 측정 장치는 통상적으로 벨 하우징과 기계 사이에 제공되는 밀봉 홈 영역의 원하는 시스템에 수용될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 마찰 계수를 증가시키기 위한 페이스트가 상기 압전 소자와 고정부 및/또는 베어링 장치 및/또는 지지 장치 사이에 도포된다. 이로 인해 상술한 개별 요소들 사이의 마찰식 연결이 훨씬 더 잘 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 지지 장치와 베어링 장치 사이의 압전 소자에는 약 40 kN 내지 80 kN, 바람직하게는 약 60 kN의 사전부하가 가해진다. 이들 값에 의해 사전부하가 가해진 요소에 의해 크게 응력이 가해지는 것 없이 측정하고자 하는 힘 또는 토크에 대한 마찰식 연결이 특히 잘 이루어질 수 있다. 특히, 사전부하의 약 10분의 1까지 전단력을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 베어링 장치의 하우징부는 또한 압전 소자의 공동과 정렬되고 조임 나사가 장착되는 공동을 갖는다.
본 발명에 따른 측정 장치의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자의 단부면은 베어링 장치의 표면 및 지지 장치의 표면에 적어도 실질적으로 평행하게 배향된다. 본 실시형태에 의하면, 요소들 사이의 마찰식 연결이 특히 잘 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 테스트벤치의 유리한 실시형태에 있어서, 제1 측정 장치가 구동 기계에 배치되고, 제2 측정 장치가 베어링 장치로서 로딩 기계에 배치된다. 이러한 유리한 실시형태에 의하면, 예를 들어 모터 샤프트 회전시 전기 모터의 출력 토크가 진동하는 소위 토크 리플(Torque ripple)이 관찰될 수 있다. 여기서 토크 리플은 본 응용 분야에서 종종 원동기라고 알려진 구동 기계의 일종의 자연 진동에 해당한다. 나아가 테스트벤치, 특히 테스트 대상에 전달될 수 있는 동력계의 추가 기생(parasitic) 영향을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 실시형태에 있어서, 상기 반력은 압전 소자에 가해지는 전단력으로서 측정된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 반력의 측정은 바람직하게는 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장비에 의해 수행되고 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 제1 압전 소자의 적어도 하나의 신호와 제2 압전 소자의 신호를 검출하는 단계; 및
- 상기 제1 및 제2 압전 소자에 인가된 토크 및/또는 상기 신호로부터 샤프트의 요동 및/또는 비틀림 진동 발생을 유도하는 단계.
본 발명에 따르면, 힘은 상기 베어링 장치의 지지부의 2개의 압전 소자에 의해 적어도 2개의 다양한 지점에서 측정되기 때문에 상기 지점에서 작용하는 토크 외에 다른 파라미터들도 도출될 수 있다. 예를 들어 상기 힘을 토대로 샤프트가 회전 가능하게 지지될 때 베어링 장치 중 하나에 작용하는 샤프트의 굴곡에 의해 샤프트의 요동이 유도되는지 여부를 결정할 수 있다. 일어날 수 있는 진동을 토대로 상기 샤프트의 비틀림 진동 또한 신호로부터 도출될 수 있다. 상기 테스트벤치의 유리한 실시형태와 관련하여 이미 설명된 바와 같이, 실제 측정 작업에 대한 테스트벤치의 일련의 기생 영향을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 샤프트의 회전 방향과 관련하여 알려진 바람직한 방향, 특히 동일한 바람직한 방향으로 배향되며, 상기 방법은 또한 다음 단계들을 포함한다:
- 상기 압전 소자의 바람직한 방향의 성분에 해당하는 신호를 합산하는 단계; 및
- 상기 신호로부터 샤프트의 비틀림 진동의 발생을 유도하는 단계.
상기 샤프트의 비틀림 진동을 확인하기 위한 압전 소자의 신호를 평가할 수 있기 위해서는 샤프트의 회전 방향에 대한 개별 압전 소자의 바람직한 방향을 알아야 한다. 비틀림 진동의 발생은 회전 방향에 대한 표준화된 성분의 중첩으로부터 유도될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 바람직한 방향을 알 수 있도록, 특히 바람직한 방향이 서로 평행하도록 배향되고, 상기 방법은 다음 단계들을 더 포함한다:
- 상기 압전 소자의 바람직한 방향의 평행 성분에 해당하는 신호를 합산하는 단계; 및
- 상기 신호로부터 베어링의 반력을 유도하는 단계.
상기 베어링 장치에 작용하는 동적 전체 하중은 개별 압전 소자의 표준화된 평행 성분의 합산으로부터 유추할 수 있다. 이는 일어날 수 있는 마모를 조기에 감지하고 경우에 따라서 대책을 마련하기 위해 특히 유리할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 적어도 도출된 변수의 값의 경시 변화가 기록된다. 상기 경시 변화로부터 테스트벤치의 구성요소의 추가 특성 또는 테스트벤치 또는 다른 측정 장비의 기생 영향을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시형태는 다음 단계들 중 적어도 하나를 포함한다:
- 토크 변화에서 불연속성에 대해 도출된 변수를 테스트하는 단계;
- 테스트할 시스템의 특성 변화에 대해 도출된 변수를 테스트하는 단계;
- 도출된 변수의 변화를 예측하는 단계;
- 베어링 장치의 일어날 수 있는 과부하에 대해 예측된 변화를 테스트하는 단계;
- 예측된 과부하 및/또는 불연속성 및/또는 테스트할 시스템의 특성 변화가 감지되면 동력을 낮추는 단계.
본 유리한 실시형태는 테스트할 시스템, 특히 구동 기계 또는 원동기의 분석에 관한 것이다. 다음, 테스트할 시스템에서 원하지 않는 특성이 측정되면, 바람직하게는 제어에 의한 조정을 통해 동력을 조절할 수 있다. 따라서 본 유리한 실시형태는 바람직하게는 폐쇄 제어 회로에 관한 것이다.
예를 들어 구동 트레인의 경우에 변속기에서 기어 휠의 제조 오차로 인해 토크 변화에서 불연속성이 발생하여 치형 기어 휠의 피치 오차가 주기적인 토크 증가로 이어질 수 있다. 경시 변화를 관찰하여 샤프트 또는 전체 구동 트레인의 탄성 변화를 확인할 수도 있다. 마지막으로, 압전 소자의 빠른 측정 반응으로 토크 증가를 인식하고 향후 추가 가능한 변화를 예측할 수 있으므로 시스템의 증가 및 관성으로 인해 토크가 임계 범위에 도달할 수 있는지 여부를 확인할 수 있다. 여기서, 기계를 보호하고 심각한 손상을 방지하기 위해 동력을 조정할 수 있다.
다른 장점과 특징들은 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 후술하는 설명으로부터 알 수 있다. 도면은 적어도 부분적으로 개략적으로:
도 1은 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치의 제1 실시예를 구비한 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장비의 제1 실시예를 도시하고 있고;
도 2는 예를 들어 도 1에 따른 측정 장치의 제1 실시예에서 이용 가능한 측정 장치 내 압전 소자의 배치를 도시하고 있고;
도 3은 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치의 제2 실시예를 구비한 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장비의 제2 실시예의 부분 평면도 및 측단면도이고;
도 4는 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치를 구비한 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장비의 제2 실시예의 부분 분해 사시도이고;
도 5는 도 3 및 4로부터 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치의 제2 실시예의 평면도 또는 측단면도이고;
도 6은 도 5의 측단면도의 A로 표시된 영역의 확대도이고;
도 7은 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치의 제3 실시예를 구비한 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장비의 제3 실시예의 사시도이고;
도 8은 도 7에 따른 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장치의 제3 실시예의 일부 및 테스트할 시스템을 구비한 테스트벤치의 저면도이고;
도 9는 도 8에 따른 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장치의 제3 실시예를 샤프트(3)의 방향으로부터 본 부분 측면도이고;
도 10은 도 9에 도시되어 있는 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장치의 제3 실시예의 일부의 또 다른 실시예를 도시하고 있고;
도 11은 도 9 및 10에 도시되어 있는 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장치의 제3 실시예의 일부의 또 다른 실시예를 도시하고 있고;
도 12a는 도 2에 따른 측정 소자의 배치의 측정 신호의 경시 변화를 도시하고 있고;
도 12b는 도 12a에 따른 측정 신호의 평가의 경시 변화를 도시하고 있고;
도 13a는 도 2에 따른 측정 소자의 배치의 측정 신호의 추가 경시 변화를 도시하고 있고;
도 13b는 도 13a에 따른 측정 신호의 평가의 경시 변화를 도시하고 있고;
도 14는 도 12b에 따른 측정 신호의 평가의 또 다른 경시 변화를 도시하고 있고;
도 15는 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 장치에서 측정 소자의 또 다른 예시적인 배치를 도시하고 있고;
도 16은 본 발명의 제3 양태에 따른 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 블록도이다.
도 1은 본 발명의 제2 양태에 따른 측정 장비(9)의 일부를 도시하고 있다.
어댑터 플레이트(5)로서 구성된 측정 장비(9)의 측정 장치(1)는 각각의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)가 부분적으로 끼워진 4개의 리세스(7a, 7b, 7c, 7d)를 갖고 있다. 또한 어댑터 플레이트(5)는 보어로 형성된 공동(12) 및 개구부(6)를 갖고 있다.
나아가 도 1은 전기 기계로서 구성된 베어링 장치(2)를 도시하고 있다. 그러나 상기 베어링 장치는 내연기관 또는 회전 운동을 발생시키거나 흡수하는 다른 유형의 기계일 수도 있다. 상기 베어링 장치는 단부 하우징부(8a, 8c) 및 중간 하우징부(8b)를 갖는 하우징을 포함하고 있다.
전기 기계(2)의 샤프트는 단부 하우징부(8a)로부터 축 방향으로 빠져나와 도 1에 따른 사시도에서는 보이지 않는다.
측정 장비(9)의 조립 상태에서 어댑터 플레이트(1)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 및 고정부(5)에서 보어(21a)를 통해 안내되는 조임 나사(미도시)에 의해 전기 기계(2)의 단부 하우징부(8a)의 대응하는 암나사가 형성된 보어에 나사 결합되어 있다.
나아가 어댑터 플레이트(5)는 공동(12)에 의해 지지 장치(10, 미도시)의 대응하는 암나사가 형성된 보어에 나사 결합되어 있다. 도시된 실시예에 있어서, 지지 장치(10)는 바람직하게는 결합 커버 또는 결합 하우징이라고도 하는 벨 하우징이고, 일반적으로 모터, 여기서는 전기 기계(2)와 차량의 구동 트레인 내 차량 변속기 사이에 배치되어 있다.
특히 어댑터 플레이트(5)는 벨 하우징의 변형된 하우징부 또는 변형된 커버일 수 있다.
조립 상태에서 샤프트(3, 미도시)는 상기 어댑터 플레이트의 개구부(6)를 통해 안내되고, 이를 통해 변속기(미도시)로 안내된다.
측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 조임 나사(미도시)에 의해 발생된 사전부하에 의해 전기 기계(2)의 단부 하우징부(8a)를 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)을 통해 마찰식으로 가압하여 전기 모터(2)에 대한 마찰식 연결부를 형성한다.
다른 한편으로, 이미 설명한 바와 같이 어댑터 플레이트(5)는 공동(12)을 통한 나사 결합에 의해 지지 장치(10), 예를 들어 벨 하우징에 연결되고, 이러한 방식으로 벨 하우징(10)에 지지된다.
전기 기계(2)는 바람직하게는 추가 지지부를 포함하지 않는다.
이 경우, 샤프트(3, 미도시)에 인가되는 토크에 대한 전기 기계(2)의 저항에 반응하는 전기 기계(2)의 베어링의 총 반력은 전기 기계(2)의 전방 하우징부(8a)와 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 사이의 마찰식 연결부에 인가된다.
상기 저항에 의해 샤프트(3, 미도시)에 인가되는 토크는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)에서 마찰식 연결부에 작용하는 힘으로 표현된다. 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 바람직하게는 적어도 하나의 압전 전단 효과를 가짐으로써 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 압전 결정에서 인가 전단력의 함수로서 전압이 발생된다.
바람직하게는 압력을 측정할 수 있도록 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 구성할 수도 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 샤프트(3, 미도시)의 축방향 동적 하중 또한 결정될 수 있다. 이들은 예를 들어 회전 중 굴곡형 샤프트에 의해 발생될 수 있는데, 이는 샤프트의 굴곡부의 볼록한 부분에서 힘이 생성되어 전기 기계를 회전수에 의해 축방향으로 회전하면서 밀려나기 때문이다.
상기 인가 전압은 전하 리드(22a, 22b, 22c, 22d)를 통해 평가부(미도시)로 안내된다.
도 2는 도 1의 고정부(5)와 관련하여 도시된 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치도이다.
또한 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 사용된 압전 결정의 X축과 Y축 및 각각의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)을 갖는 데카르트 좌표계가 화살표로 표시되어 있다.
이때 각각의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)은 특히 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)에 대한 전단력에 의해 가장 강한 전압이 압전 결정에서 발생되는 압전 소자의 하중 방향을 나타낸다.
또한 상기 배치의 기하학적 중심점(M)으로부터 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 중심점의 거리(d)가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 측정 장치(1)의 제1 실시예에서, 기하학적 중심점(M)은 또한 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치와 관련하여 전기 기계(2)의 샤프트(3, 미도시)의 위치를 나타낸다. 여기서 거리(d)는 기하학적 중심점, 면적 중심점 또는 질량 중심점(M)으로부터 개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 기하학적 중심점, 면적 중심점 또는 질량 중심점까지의 거리이다.
이 경우, 기하학적 중심(M)과 이에 따라 도 1에서 샤프트(3, 미도시)에 동심원으로 배치된 일점쇄선으로 표시된 원(D)은 샤프트(3, 미도시)의 회전 방향에 해당한다. 따라서 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 또는 그의 결정의 바람직한 방향은 모두 도 2의 도면의 지면에 수직인 기하학적 중심점(M)을 통과하는 샤프트(3)의 회전 방향(D)에 대해 접선 방향이다.
도 1에 도시된 측정 장치(1)의 제1 실시예에서와 같이, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 각각 조임 나사 또는 다른 고정 요소가 안내될 수 있는 개구부 또는 보어(21a, 21b, 21d, 21c)를 갖고 있다.
도 3은 측정 장치(1) 및 지지 장치(10)를 구비한 측정 장비(9)의 제2 실시예를 평면도와 측단면도로 도시하고 있으며, 이 경우에서 상기 측정 장비는 벨 하우징으로 구성되어 있다.
벨 하우징(10)은 모터(미도시)의 설치측을 향해 넓어지는 원뿔 형상을 갖고 있다. 공동(12)에 의해 벨 하우징(10)은 나사에 의해 모터(미도시)와 체결되어 있다. 평면도에서 벨 하우징(10)은 조립 상태에서 모터(미도시)에 인접해 있는 플랜지의 영역에서 대략 폐쇄형 말굽 형태를 갖고 있다.
본 실시예에서 상기 측정 장치는 벨 하우징(10)과 모터(미도시) 사이의 배치를 위한 와셔 또는 중간 요소의 형태로 구성되고, 벨 하우징의 플랜지와 동일한 형상을 가지며, 체결 나사(미도시)가 안내될 수 있는 동일한 공동(12)을 갖고 있다. 이들 체결 나사는 바람직하게는 압전 소자(4)의 영역에서 마찰식 연결을 구현할 수 있는 측정 장치(1)에 대한 조임 나사이다.
측정 장치(1)의 제2 실시예에서 측정 장치(1)의 고정 장치(5a, 5b)는 바람직하게는 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 2개의 부분으로 구성되어 있다. 압전 소자(4)는 바람직하게는 고정부(5)의 2개의 부분(5a, 5b)에 있는 공동 또는 보어(12) 각각의 영역에 배치되어 있고 고정부(5a, 5b)에 의해 지지되어 있다. 이에 따라 도시된 실시예에서는 바람직하게는 8개의 압전 소자가 존재한다. 그러나 특히 중간 요소의 공동(12)의 위치 사이에는 더 많거나 더 적은 수의 압전 소자가 제공될 수 있다.
측정 장비(9)의 제2 실시예에서 측정 장치(1)는 바람직하게는 벨 하우징(10)이 모터(미도시)에 부착될 때에 벨 하우징(10)의 플랜지에 배치되고 연결 나사(미도시)에 의해 벨 하우징과 함께 모터의 하우징(미도시)과 나사 결합되어 있다.
개별 압전 소자(4)는 고정부(5)에서 전선과 접속되고 이러한 전선(22)을 통해 바람직하게는 측정 장치(1) 외부에 배치되어 있는 측정 전자 기기에 접속되어 있다. 이와 다르게, 이러한 측정 전자 기기는 또한 적어도 부분적으로 측정 장치(1)의 일 구성부일 수도 있다.
도 4는 다시 도 3에 따른 측정 장비(9)의 부분 분해 사시도이다.
여기에서는 고정부(5a, 5b)에 의해 형성되고 모터(미도시)로서 구성된 베어링 장치(2)의 샤프트(3, 미도시)가 변속기와의 연결을 위해 통과될 수 있는 개구부(6)를 명확하게 볼 수 있다.
도 5는 도 3과 도 4의 측정 장비(9)의 제2 실시예와 관련하여 도시된 측정 장치(1)의 제2 실시예의 평면도와 단면도이다.
상기 제2 실시예의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자 또는 이들의 압전 결정(20a, 20b)은 샤프트(3, 미도시)의 회전 방향(D), 즉 샤프트(3)의 회전축을 중심으로 하는 동심원에 접선 방향으로 배향되어 있는 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8)을 갖고 있다. 회전 방향(D)은 도 5에서 이중 화살표로 표시되어 있다. 여기서, 샤프트(3, 미도시)는 시계방향과 반시계방향의 회전 방향(D)으로 회전할 수 있다.
이와 달리, 개별 압전 소자(4)의 바람직한 방향(Vx)은 임의로 또는 다른 소정의 방식으로 배향될 수도 있다. 몇몇 대안이 후술하는 실시예를 참조하여 아래에 예시되어 있다.
도 6은 도 5의 단면도에서 영역 A의 확대도이다. 공동(12) 주위에 배치되어 있는 환형 압전 소자(4)는 바람직하게는 전극(19)을 통해 서로 접촉해 있는 2개의 압전 결정(20a, 20b)을 갖고 있다. 여기서 전극(19)은 2개의 결정 사이의 전하 방전 또는 전압 측정에 사용된다. 또한 상기 압전 결정의 단부면(17a, 17b)에는 추가 전극이 배치되는 것이 바람직하다. 이들 전극은 각각 고정부(5a, 5b)의 일부에 의해 형성되는 것이 더 바람직하다.
좌측의 압전 결정(20a)은 고정부의 좌측부(5a)의 리세스(7a)에 배치되어 있고, 우측의 압전 결정(20b)은 우측의 압전 결정(20b)의 리세스(7b)에 배치되어 있다. 여기서 2개의 압전 결정(20a, 20b)은 각각의 리세스(7a, 7b)로부터 고정부(5a, 5b)의 각 부분의 표면 위로 약간 돌출되어 조립 상태에서 고정부(5a, 5b)의 2개의 부분 사이에는 밀봉 갭(16)이 생성되거나 남게 된다. 하나의 리세스(7a)만이 존재할 수도 있다.
측정 장치(1)가 예를 들어 도 3과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 측정 장비(9)에 설치되면, 바람직하게는 중공(12)을 통해 안내되는 조임 수단(미도시), 특히 조임 나사는 고정부(5a, 5b)의 2개의 부분을 가압하게 된다. 인가된 사전부하는 좌측의 압전 결정(20a)과 고정부(5a)의 좌측부와 우측 압전 결정(20b)과 고정부(5b)의 우측부 사이에 마찰식 연결부를 생성한다.
상기 고정부의 좌측부(5a)와 우측부(5b)의 나머지 중간면은 여전히 밀봉 갭(16)에 의해 분리되므로 고정부의 2개의 부분(5a, 5b)은 압전 결정(20a, 20b)의 단부면(17a, 17b)을 통해 지지되어 있다. 이들 2개의 단부면을 통해 전단력 및/또는 추가 동적 압축력이 압전 소자(4)의 압전 결정(20a, 20b)에 가해진다.
그러나 다른 실시예에 적용될 수 있는 제2 실시예의 또 다른 실시형태에 있어서, 압전 소자(4)는 단 하나의 압전 결정(20)을 가질 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 측정 장비(9)의 제3 실시예를 도시하고 있다.
본 실시예에 있어서, 베어링 장치(2)는 구동 트레인 또는 모터 테스트벤치의 로딩 기계 및/또는 구동 기계, 소위 원동기이다.
기본적으로 도 7에 도시된 측정 장치(5a, 5b, 5c, 5d, 미도시)의 제3 실시예는 또한 테스트벤치로서 다른 유형의 측정 장비로서 적용될 수 있다.
출력 및/또는 입력 샤프트(3)를 포함하는 전기 기계(2)는 측정 장치(1)에 의해 본 실시예에서는 지지 장치인 베이스 플레이트(10)에 지지되어 있다.
이를 위해 측정 장치(1)는 4개의 부분으로 구성되어 있다. 이들 부분은 각각 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d), 지지체로 구성된 고정부(5a, 5b, 5c, 5d) 및 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)를 포함하고 있다.
지지체 요소(5a, 5b, 5c, 5d) 중 2개는 각각 바람직하게는 전기 기계(2)의 하우징(8)에서 서로 대향 배치되어 있고, 이 경우 제1 지지체(5a)는 제3 지지체(5c)에 대향해 있고 제2 지지체(5b)는 제4 지지체(5d, 보이지 않음)에 대향하여 쌍을 이루고 있다.
상기 2쌍의 지지체는 공통 베이스를 형성하는 베이스 플레이트(10)에서 적절한 장치에 의해 전기 기계(2)의 하우징(8)에 대해 사전부하 또는 압축하중을 가할 수 있어 상기 하우징과 각각의 지지체(11a, 11b, 11c, 11d) 사이에 배치되어 있는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 하우징(8) 사이 또는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 각각의 지지체(11a, 11b, 11c, 11d) 사이에서 마찰식 연결부를 조정하여 전기 기계(2)가 베이스 플레이트(10)로부터 이격된 위치에서 고정 유지될 수 있다. 이를 위해, 압전 결정의 단부면에 페이스트가 도포되는 것이 바람직하며, 이는 마찰 계수를 증가시켜 마찰식 연결을 향상시킨다.
예를 들어, 이러한 페이스트는 제1 압전 소자(4a)와 제2 압전 소자(4b)와 전기 기계(2)의 하우징(8)의 표면(18a) 사이에 도포될 수 있다. 상기 페이스트는 또한 바람직하게는 제1 압전 소자(4a)와 제2 압전 소자(4b) 사이에도 각각의 각도(11a, 11b)로 도포될 수 있다.
지지체(11a, 11b, 11c, 11d, 보이지 않음)는 또한 베이스 플레이트(10)에 지지되어 있다. 이를 위해서 지지체(11a, 11b, 11c, 11d)와 베이스 플레이트(10) 사이에 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)가 배치되는 것이 바람직하다. 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)는 스트레인 게이지 또는 추가 압전 소자 기반인 것이 더 바람직하다.
이들은 바람직하게는 베이스 플레이트(10)의 표면(18b)에 지지되어 있다.
측정 장치(1)의 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)는 선택적으로 또는 추가로 전기 기계(2)의 하우징(8)의 2개의 단부면에 배치될 수 있고, 샤프트(3)가 돌출해 있는 이들 표면, 예를 들어 각각의 표면과 도시된 압전 소자 또는 추가 압전 소자는 마찰식 연결이 가능할 수 있다.
도 8은 제3 실시예에 따른 도 7에 따른 측정 장비(9)를 구비한 테스트벤치로서, 상기 측정 장비가 샤프트(3)를 통해 변속기와 차동기(13)의 어셈블리 및 2개의 휠 동력계(14a, 14b)를 포함하는 구동 트레인의 나머지 부분에 연결되어 있는 테스트벤치를 도시하고 있다.
도 7의 베이스 플레이트(10)는 명확성을 위해 도 8에는 도시되어 있지 않으며, 전기 기계(2)와 측정 장치(1)의 배치는 도 7에서 저면도에 해당한다.
샤프트(3)에 인가되는 토크는 전기 기계(2)와 측정 장치(1)를 통해 베이스 플레이트(10)에 지지되어 있다. 따라서 베이스 플레이트(10)는 전기 기계(2) 및 샤프트(3)에 인가되는 휠 동력계(14a, 14b)의 저항 사이에서 조정되는 토크에 대한 반력을 제공한다.
도 7을 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 본 발명의 제3 양태에 따른 측정 방법을 수행하기 위한 전기 기계(2)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 표면, 특히 단부면(17a, 17b)과 전기 기계(2)의 표면(18a) 및/또는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 표면, 특히 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)과 지지체(11a, 11b, 11c, 11d)의 각각의 표면 사이에 마찰식 연결부가 형성되도록 고정된다. 압전 전단 효과를 활용하여 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 인가되는 힘을 측정할 수 있으며, 이는 샤프트(3)와 이에 따라 전기 기계(2)에 인가되는 토크를 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 가한다.
나아가 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)와 베이스 플레이트(10, 미도시) 사이에서 추가 전단력 및/또는 압축력, 특히 동적 압축력이 측정될 수 있다.
도 9, 10과 11은 각각 샤프트(3)가 있는 측면에서 본 도 7과 8의 측정 장비(9)의 제3 실시예의 도면이다. 이에 따라 제1 지지체(5a)와 제3 지지체(5c) 및 이에 상응하는 측정 장치(1)의 다른 부속 요소들을 볼 수 있다. 측정 장치(1)의 나머지 요소들은 뒤에 가려져 있다.
도 9, 10과 11은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)로 수행할 수 있는 힘 측정의 다양한 대안들을 구체적으로 설명하기 위해 제공된다.
도 9에서, 압전 전단 효과에 의해 기계(2)의 하우징(8)의 표면(18a)에 평행한 동적 힘(F_dyn)은 압전 소자(4a, 4c)에 의해 측정될 수 있다. 한편, 다른 센서 소자(11a, 11c)는 스트레인 게이지를 구비한 측정 센서로서 구성되어 지지체(5a, 5c)로부터 베이스 플레이트(10, 미도시)에 인가되는 정적 힘(F_stat)을 측정할 수 있다. 센서 소자(11a, 11c)에 의해 지지체(5a, 5c)에 인가되는 정적 힘을 측정함으로써 토크 변화만을 관찰할 수 없다. 토크(3)의 절대값은 또한 샤프트(3)에 인가되는 토크를 토대로 센서 소자(11a, 11c)에 인가되는 힘의 차이에 의해 결정될 수 있다.
도 10은 압전 소자(4a, 4c)가 기계(2)의 하우징(8)의 표면(18a)에 평행한 동적 힘(F_dyn)을 측정할 뿐만 아니라 표면(18a)에 수직인 동적 힘(F_dyn')을 측정한다는 점에서 도 9의 실시예와 상이하다.
그 결과, 예를 들어 방향(F_dyn, F_dyn')으로 샤프트(3)의 요동을 측정할 수 있는바, 이는 샤프트(3)의 회전 위치에 따라 압전 소자(4a, 4c)에 대해 서로 다른 압축력을 야기하기 때문이다.
도 11은 추가 센서 소자(11a, 11c)가 또한 압전 소자로서 구성된다는 점에서도 9의 실시예와 상이하다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 예를 들어 압전 전단 소자로서 구성하면, 지지체(5a, 5c)와 베이스 플레이트(10, 미도시) 사이의 동적 전단력(F_dyn', F_dyn')을 측정할 수 있다. 여기에서도 도 10의 실시형태에 도시되어 있는 바와 같이 샤프트(3)의 요동을 확인 및 분석할 수 있다.
도 12a는 도 2에 도시되어 있는 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치에서 시간(t) 또는 샤프트의 회전 각도(rad)에 따른 4개의 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 인가되는 힘 측정을 나타내는 다이어그램으로서, 샤프트(3)는 도 2를 참조하여 예시한 바와 같이 기하학적 중심점(M)을 관통하여 도면의 지면에 수직으로 연장되어 있다.
상기 측정 센서 각각은 표시된 각각의 시점에서 뉴턴(N) 단위의 힘에 해당하는 신호를 생성한다. 여기서, F4a는 측정 소자(4a)의 측정 신호를, F4b는 제2 측정 소자(4b)의 측정 신호를 나타내고, F4c는 제3 측정 세그먼트(4c)의 측정 신호를, F4d는 제4 측정 소자(4d)의 제4 측정 신호를 나타낸다.
순수한 회전 진동의 경우에 각각의 측정 신호는 실제로 진폭 1을 갖는다. 측정 신호(F4b, F4c 및 F4d)에서 진폭은 도 12a에서 더욱 명확하게 표현하기 위해 인자(factor)를 곱하여 약간 변경하였다.
나아가 측정 신호(F4a, F4b, F4c 및 F4d)는 약간 서로 위상이 다르다.
도 12b는 측정 신호(F4a, F4b, F4c 및 F4d)의 평가를 도시하고 있다. 한편으로, 각각의 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 인가되는 개별 힘(F4a, F4b, F4c, F4d)을 합산하고 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 지지하는 고정부(5)에 대한 합계를 계산하는바, 이때 도 2에서 기하학적 중심점(M)으로부터 거리(d)는 1로 가정하였다.
상기 총 토크는 시간(t) 또는 샤프트(3)의 회전각(rad)에 따른 단위 Nm으로 도 12b에 따른 도면에 곡선(Mz)으로서 도시되어 있다.
측정 기간 동안 샤프트에서 4 Nm 내지 -4 Nm의 강한 토크 변동이 주기적으로 발생했다는 것을 강한 진동으로 알 수 있다.
곡선(Fx)은 도 2에서 X-방향으로 압전 소자(F4a, F4b, F4c, F4d)에 가해지는 힘의 시간 변화를 나타낸다.
각각 바람직한 방향(V2, V4)을 가진 제2 측정 소자(4b)와 제4 측정 소자(4d)는 도 2에 도시되어 있는 배치에서 직교 좌표계의 X-방향으로 배향되어 있기 때문에, 상기 방향의 힘은 특히 이들 2개의 측정 소자(4b, 4d)에 의해 측정된다. 상기 방향으로 힘이 작용되면, 바람직한 방향(V1, V3)이 직교 좌표계의 Y-축에 평행하게 배향된 제1 측정 소자(4a)와 제3 측정 소자(4c)에 의한 기여는 실질적으로 거의 또는 심지어 전혀 없다.
직교 좌표계의 Y-방향과 관련하여 제1 측정 소자(4a) 및 제3 측정 소자(4c)에도 유사하게 적용되므로, Y-방향(FY)으로 측정된 힘은 실질적으로 이들 2개의 측정 소자(4a, 4c)에 의해 측정된다.
제2 및 제4 측정 소자(4b, 4d)의 바람직한 방향(V2, V4)이 서로 반대 방향 또는 평행한지에 따라, 총 힘을 형성하기 위해 측정된 신호(F4b, F4d)를 가감할 필요가 있다. 제1 및 제3 측정 센서(4a, 4c)에 의해 결정된 힘 또는 도 2에 따른 직교 좌표계의 Y-방향의 총 힘(FY)에 대한 이들의 측정 신호(F4a, F4d)에 대해서도 동일하게 적용된다.
도 12b에서 알 수 있는 바와 같이, 직교 좌표계의 X-방향과 Y-방향으로는 각각 영점 주위에서 진동하는 작은 힘만이 발생한다. 이에 따라 샤프트(3)는 매우 약한 요동만을 갖는다. 이는 측정 신호(F4a, F4b, F4c, F4d)의 약간의 위상 변화에 의해 야기된다.
도 12b에 따른 총 힘을 결정하기 위해서 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)이 회전 방향(D)에 접선 방향으로 반드시 배향될 필요는 없다. 그러나 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)의 배향은 개별 방향에서의 총 힘 및 토크를 벡터 성분 계산에 의해 판단할 수 있도록 알고 있어야 한다.
도 13a는 도 2에 도시되어 있는 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치에 의해 측정된 측정 신호(F4a, F4b, F4c, F4d)의 또 다른 다이아그램을 도시하고 있다.
각각의 측정 신호는 서로 다른 진폭을 가지며 위상이 반대이다. 이에 따라 상기 측정 신호는 별도의 곡선으로서 쉽게 인식할 수 있다. 여기에서도 더 좋은 예시를 위해서 도 13a에서와 같이 위상을 약간 변화시켰다. 그 대신에 측정 신호를 도 13a에서와 같이 인자(F4a, F4b, F4c, F4d)와 곱하지 않았다.
도 13b는 도 12b에 대응하는 도면으로, 총 토크(Mz)를 구하기 위해 측정 소자에 인가되는 개별 토크를 합산하였고, X-방향 힘(Fx)을 합산하였으며, Y-방향 힘(Fy)을 합산하였다. 상기 다이어그램으로부터 측정 기간 동안 총 토크(Mz)의 영점 주위에서 약간의 진동이 있음을 알 수 있다. 대신에, 샤프트(3)는 특히 X-방향으로 요동이 있었고, Y-방향으로는 더 적은 요동이 있었다.
도 14는 샤프트(3)의 시간(t) 또는 회전 각도(rad)에 대한 다이어그램으로서도 12b 및 13b에 따라 도 2에 따른 배치의 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 측정 신호를 추가로 합산한 것을 도시하고 있다.
상기 다이아그램으로부터 분명한 것은, 특히 총 토크(Mz)가 대략 1000 ms의 시간에 걸쳐 진동이 증가한 다음 진동이 급감하고, 다시 추가 약 1000 ms의 시간에 걸쳐 증가한다는 점이다.
이러한 변화를 기술적인 용어로 소위 토크 리플이라고 한다. 이 토크 리플은 전기 기계, 예를 들어 원동기의 잘못된 제어로 인해 고유 주파수까지 증가하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 측정 장치(1), 본 발명에 따른 측정 장비(9) 및 방법에 의하면 모터 또는 테스트벤치의 많은 이러한 특성이 결정 또는 분석될 수 있다.
상술한 실시예들은 본 발명에 따른 방법 및 시스템의 보호범위, 용도 및 구성을 어떤 식으로든 한정하려는 의도가 아닌 단지 일례일 뿐이다. 오히려, 당업자라면 상술한 설명을 통해 적어도 하나의 실시예를 구현하기 위한 가이드라인을 제공받으며, 특히 청구범위와 이와 동등한 기능 조합으로부터 알 수 있는 바와 같이 보호범위를 벗어나지 않는 한 설명된 구성요소의 기능 및 배치와 관련하여 다양한 변경이 가능하다.
특히, 도시된 실시예의 개별 특징들은 조합 가능하다. 예를 들어, 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 또한 압전 효과에 의해 압전 전단 효과와 압력을 측정할 수 있는 도 1과 2의 제1 실시예에서 사용될 수 있다.
나아가 압축력 측정을 위해 압전 효과만을 이용하는 다른 구성으로 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 구비한 본 발명에 따른 측정 장비를 구현할 수 있다. 개구부(6)가 없는 측정 소자를 구비할 수도 있다.
개개의 실시예에서 다양한 대안 실시예와 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 및 추가 압전 소자는 또한 다양한 유리한 구성으로 배치될 수 있다.
예를 들어 도 15의 제4 실시예는 도 2에 따른 압전 소자의 배치의 개량예를 보여주는 것으로, 여기에는 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)의 배향과 관련하여 총 토크(Mz)를 측정하기에 특히 적절한 4개의 측정 소자(4a, 4b, 4c, 4d)가 배치되어 있다. 또한 제4 실시예는 바람직한 방향(V5, V6, V7, V8)의 배향이 데카르트 좌표계의 X-방향과 Y-방향의 전단력을 측정하는데 특히 적합한 4개의 추가 측정 소자(4e, 4f, 4g, 4h)를 포함하고 있다.
또한 특히 도 3 내지 도 6에 따른 제3 실시예에 따른 측정 장치는 링 요소로서 구성될 수 있다. 또한 이는 밀봉부와 함께 홈에 삽입될 수 있도록 구성되거나 양쪽을 밀봉하는 요소, 특히 예를 들어 도 3 및 4에 도시되어 있는 벨 하우징(10)에 대한 밀봉 링으로서 구성될 수 있다.
도 8에서, 전기 기계(2)에 사용되는 측정 장치(1)는 휠 동력계(14a, 14b)에서도 사용될 수 있다. 기본적으로, 도 8에 도시된 측정 장치(1)의 제3 실시예와 관계없이 본 발명에 따른 각각의 측정 장치를 로딩 기계와 테스트벤치의 구동 기계 모두에서 상기 로딩 기계와 구동 기계 또는 이들의 샤프트(3)의 거동을 분석하기 위해 사용할 수 있다.
원칙적으로 베어링 장치(2)와 지지 장치(10) 사이의 토크 전달 경로에 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 형상 맞춤심으로 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 압전 측정은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 인가되는 압축력 및/또는 인장력을 통해 이루어진다.
도 12a 내지 14를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 본 발명은 샤프트에 인가되는 토크 또는 샤프트에 인가되는 힘을 결정하여 토크를 전달하기 위해 장착된 샤프트와 관련하여 발생할 수 있는 광범위한 현상을 분석하기 위한 방법에 적합하다.
이러한 방법의 실시예가 도 16에 도시되어 있다.
이러한 방법에서는 바람직하게는 먼저 제1 압전 소자(4a; 4b)의 적어도 하나의 신호, 제2 압전 소자(4c; 4b)의 신호를 감지한다(101). 인가되는 토크(Mz) 및/또는 X-방향의 요동(Fx) 및/또는 Y-방향의 요동(Fy) 및/또는 샤프트의 비틀림 진동을 상기 신호들로부터 도출한다(102).
비틀림 진동 측정을 위해서 바람직하게는 구동 샤프트와 출력 샤프트의 신호를 감지하고 이들 측정을 토대로 각각의 토크 진동을 계산한다.
또한 바람직하게는 압전 소자(4a, 4c; 4b, 4d)의 바람직한 방향 각각의 배향의 성분에 대응하는 신호를 합산한다(103). 이를 위해, 벡터 분해에 의해 개별 측정 신호를 다양한 공간 방향의 성분들로 분할할 필요가 있을 수 있다.
이로부터 샤프트(3)의 비틀림 진동의 발생이 유도될 수 있다(104a). 선택적으로 또는 추가로, 상기 신호로부터 베어링의 반력을 도출할 수 있다(104b).
바람직하게는 상기 신호의 시간 변화 또는 토크 변화의 불연속에 대해 유도된 변수로부터 판단할 수 있다(104c). 테스트할 시스템의 특성의 변화도 결정할 수 있다(104d). 또한 향후 변화를 예측할 수 있고(104e-1), 베어링 장치(2)의 가능한 과부하의 예측된 변화를 모니터링할 수 있다(104e-2). 마지막으로, 예측한 과부하가 검출되면 전기 기계(2) 또는 테스트벤치의 동력계의 동력을 적절히 조정할 수 있다(104e-3).
상기 샤프트의 토크(Mz) 및 횡방향 힘(Fx, Fy)을 계산할 수 있도록 하기 위해서 바람직하게는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d), 측정 신호(S1, S2, S3, S4) 및/또는 측정된 힘의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4) 각각의 벡터 분해, 특히 직교 분리를 수행한다.
여기서 결정할 파라미터(Mz, Fx, Fy)는 각각의 측정 신호에 대해 다음과 같은 방정식이 적용되는 방정식계의 해이다.
상기 식에서 계수 a 각각은 예를 들어 센서 각각의 위치 및 좌표계에서 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)의 배향, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각의 감도 및 체결 수단을 통한 힘 분로에 의해 가능한 신호 손실과 같은 다수의 인자에 따라 달라진다.
토크 성분(Mz), 제1 전단력 성분(Fx) 및 제2 전단력 성분(Fy)에 대한 이러한 방정식계를 풀기 위해서는 바람직한 방향(V1, V2, V3)이 단일 평면 내에 있도록 배향되는 적어도 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 측정 신호가 필요하다. 나아가 바람직한 방향(V1, V2, V3) 중 적어도 2개는 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어야 한다.
N=3인 상술한 일반적인 경우, 즉 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c)가 구비되는 경우에 위에 나타낸 방정식계의 해는 명확해진다. 추가 압전 소자가 측정 시스템(1)에 추가되면, 측정할 3개의 파라미터(Mz, Fx, Fy)를 가진 방정식계가 지나치게 제약되지만, 측정 정확도는 더욱 향상될 수 있다.
N=4인 경우에 4개의 다양한 방정식 F(S1, S2, S3), F(S1, S2, S4), F(S1, S3, S4), F(S2, S3, S4)를 세울 수 있다. 결정할 개개의 파라미터(Mz, Fx, Fy)에 대해 결정된 값은 합산하여 평균화할 수 있는바, 즉 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 경우에 4로 나눈다. 유사한 방식으로, 지나치게 제약된 방정식계 F(S1, S2 ..., SN)를 세울 수 있으며, 이는 최소화된 작업으로 풀 수 있다.
상기 방정식계에 대한 일반해를 찾으면, 결정할 성분(Fx, Fy, Mz)의 계산은 행렬곱으로 줄일 수 있다. 상기 행렬곱은 3개의 행과 임의의 측정 신호(S1, S2, S3, ... SN)의 수만큼 많은 열을 갖는다. 상기 행렬 요소 또는 계수는 결정할 파라미터(Fx, Fy, Mz)에 대한 개별 센서 각각의 기여도를 나타낸다.
측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 측정할 각각의 파라미터(Mz, Fx, Fy)에 기여하는 성분들로 분리하기 위해서는 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 위치 및 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)의 배향을 알 필요가 있다.
상기 기하학적 파라미터는 측정 시스템(1)의 구성도 및 압전 소자(4a, 4b, 4d)의 바람직한 방향에 대한 지식으로부터 결정할 수 있다.
그러나 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)의 배향은 또한 보정 측정에 의해 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)을 측정함으로써 결정할 수 있다. 이를 위해, 측정 시스템(1)을 바람직하게는 2개의 평판 사이에 고정시킨다. 다음 단계에서, 방향이 알려진 외부의 횡방향 힘을 인가한다. 도입된 횡방향 힘의 양과 방향 대비 개별 측정 신호(S1, S2, S3, S4)의 크기로부터 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)에 의해 한정된 평면에서 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)이 결정된다.
유사한 방식으로, 개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(V1, V2, V3, V4)을 알고 있을 때 소정의 토크(Mz)를 가하고 개별 측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 측정함으로써 회전축(D)으로부터의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 각각의 거리를 결정할 수 있다.
상술한 실시예들은 보호범위, 용도 및 구성을 어떤 식으로든 한정하려는 의도가 아닌 단지 일례일 뿐임을 명심해야 한다. 오히려, 당업자라면 상술한 설명을 통해 적어도 하나의 실시예를 구현하기 위한 가이드라인을 제공받으며, 특히 청구범위와 이와 동등한 기능 조합으로부터 알 수 있는 바와 같이 보호범위를 벗어나지 않는 한 설명된 구성요소의 기능 및 배치와 관련하여 다양한 변경이 가능하다. 특히, 개별 실시예들은 서로 조합 가능하다.
측정 장치 1
베어링 장치 2
샤프트 3
압전 소자 4, 4a, 4b, 4c, 4d
고정부 5, 5a, 5b, 5c, 5d
개구부 6
리세스 7a, 7b, 7c, 7d
하우징 8, 8a, 8b, 8c
측정 장비 9
지지 장치 10
센서 소자 11a, 11b, 11c, 11d
고정부의 공동/
지지 장치의 공동 12
변속기 및 차동기 13
휠 동력계 14a, 14b
테스트벤치 15
밀봉 갭 16
단부면 17a, 17b, 17c, 17d
표면 18a, 18b
전극 19
압전 결정 20a, 20b
보어 21a, 21b, 21c, 21d
전하 리드/전선 22, 22a, 22b, 22c, 22d

Claims (40)

  1. 베어링 장치(2)에 의해 지지되는 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 토크를 결정하기 위한 측정 장치(1)로서, 베어링 장치(2)의 출력 및 입력 샤프트 중 하나 또는 양자 모두는 토크 전달 샤프트(3)에 의해 형성되고, 상기 측정 장치는 적어도 2개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 고정부(5)를 갖되, 고정부(5)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 지지하고 상기 압전 소자에 의해 베어링 장치(2) 및 베어링 장치(2)를 지지하기 위한 지지 장치(10) 사이에서 전단력을 측정할 수 있도록 구성되는 측정 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 고정부(5)는 또한 마찰식 연결부에 의해 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 단부면(17a, 17b)에 평행한 힘이 도입될 수 있도록 구성되는 측정 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 마찰식 연결에 의해 고정부(5), 베어링 장치(2), 또는 지지 장치(10) 중 하나 이상에 연결될 수 있는 측정 장치(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 소자는 베어링 장치(2)와 지지 장치(10) 사이에서 전단력을 측정하도록 구성 또는 배열되거나, 압전 소자는 압전 전단 소자인 것을 특징으로 하는 측정 장치(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정부(5)는 또한 샤프트(3)의 회전 방향(D)에 적어도 실질적으로 접선 방향으로 힘을 측정할 수 있도록 구성되는 측정 장치(1).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정부(5) 및 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 중 하나 또는 양자 모두는, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)가 고정부(5)와 베어링 장치(2) 사이 또는 고정부(5)와 지지 장치(10) 사이 또는 지지 장치(10)와 베어링 장치(2) 사이에 배치될 수 있고 사전부하가 가해질 수 있도록 구성되는 측정 장치(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정부(5)는, 베어링 장치(2)가 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해서만 지지 장치(10)에 대해 적어도 샤프트(3)의 회전 방향(D)으로 지지되도록 구성되는 측정 장치(1).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 소자가 다성분 압전 센서이고, 전단력과 압축력 모두 측정할 수 있는 측정 장치(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 소자 중 적어도 2개는 전단 소자이고 적어도 하나는 압축 소자인 측정 장치(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정부(5)는 샤프트(3)가 통과할 수 있는 개구부(6)를 갖는 측정 장치(1).
  11. 제10항에 있어서, 2개의 압전 소자를 구비한 측정 구성의 경우 제1 압전 소자(4a)와 제2 압전 소자(4c)는 개구부(6)에 대하여 적어도 실질적으로 서로 대향하여 배치되거나,
    2개가 넘는 압전 소자의 경우 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 개구부(6)의 중심점(M)에 대해 서로 동일한 각도 관계로 배치되는, 측정 장치(1).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 고정부(5)의 리세스(7a, 7b, 7c, 7d) 내에, 또는 베어링 장치(2) 또는 지지 장치(10)의 하우징부(8a) 내에 50% 넘게 수용되는 측정 장치(1).
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각은 베어링 장치(2)를 지지 장치(5)와 연결하도록 구성된 조임 나사가 각각 안내될 수 있는 공동(9a, 9b, 9c, 9d)을 갖는 측정 장치(1).
  14. 제13항에 있어서, 고정부(5)는 또한 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 공동(9a, 9b, 9c, 9d)과 정렬되고 상기 조임 나사가 지지될 수 있는 공동을 갖는 측정 장치(1).
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정부(5)는 어댑터 플레이트 또는 링 요소인 측정 장치(1).
  16. 제15항에 있어서, 상기 링 요소는 2개의 구성요소 사이의 밀봉부로서 형성되거나 밀봉부와 함께 사용될 수 있도록 구성된 측정 장치(1).
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정부는 지지 장치(10)에 지지되는 적어도 2개의 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)를 포함하고, 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 중 하나가 지지체(5a, 5b)와 하우징(8) 사이에 위치할 수 있도록 베어링 장치(2)의 하우징(8)의 대향하는 제1 측면에 배치되는 측정 장치(1).
  18. 제17항에 있어서, 베어링 장치(2)가 지지 가능하게 한정되도록 하우징(8)의 2개의 대향 측면에 적어도 3개의 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)가 배치되는 측정 장치(1).
  19. 제17항에 있어서, 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)와 지지 장치(10) 사이에는 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)가 배치되고, 추가 센서 소자(11a, 11b, 11c, 11d)는 지지체(5a, 5b, 5c, 5d)와 지지 장치(10) 사이의 정적 및 동적 인장력 중 하나 또는 양자 모두와 압축력을 측정하도록 구성되는 측정 장치(1).
  20. 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 토크를 결정하기 위한 측정 장비(9)로서, 압전 효과에 기반한 측정 장치(1), 샤프트(3), 베어링 장치(2) 및 베어링 장치(2)의 지지 장치(10)를 포함하되, 베어링 장치(2)는 샤프트(3)를 지지하고 측정 장치(1)는 샤프트(3)의 회전 질량 또는 샤프트(3)와 베어링 장치(2)로 이루어진 어셈블리의 회전부의 회전 질량을 변경하지 않는 측정 장비(9).
  21. 제20항에 있어서, 베어링 장치(2)는 기계인 측정 장비(9).
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 지지 장치(10)는 벨 하우징인 측정 장비(9).
  23. 제22항에 있어서, 측정 장치(1)는 벨 하우징(10)과 기계(2) 사이의 밀봉면에 맞는 링 요소로서 구성되는 측정 장비(9).
  24. 제20항 또는 제21항에 있어서, 마찰 계수를 증가시키기 위한 페이스트가 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 고정부(5), 베어링 장치(2), 또는 지지 장치(10) 중 하나 이상 사이에 도포되는 측정 장비(9).
  25. 제20항 또는 제21항에 있어서, 지지 장치(10)와 베어링 장치(2) 사이의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에는 40 kN 내지 80 kN의 사전부하가 가해지는 측정 장비(9).
  26. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    베어링 장치(2)의 하우징부(8a)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 공동과 정렬되고 조임 나사가 장착되는 중공을 갖는 측정 장비(9).
  27. 제20항 또는 제21항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 단부면(10)은 베어링 장치(2)의 표면(18a) 및 지지 장치(10)의 표면(18b)에 적어도 실질적으로 평행하게 배향되는 측정 장비(9).
  28. 제20항 또는 제21항에 따른 측정 장비를 구비한 차량.
  29. 제1항 또는 제2항에 따른 측정 장치를 구비한 테스트벤치.
  30. 제1항 또는 제2항에 따른 2개의 측정 장치를 구비한 테스트벤치로서,
    2개의 측정 장치 중 제1 측정 장치는 베어링 장치로서 구동 기계에 연결되고, 2개의 측정 장치 중 제2 측정 장치는 베어링 장치로서 로딩 기계에 연결되는 테스트벤치.
  31. 샤프트(3)에 인가되는 토크를 결정하기 위한 방법(100)으로서, 상기 토크는 적어도 2개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해 샤프트(3)의 베어링 장치(2)의 베어링의 베어링 장치(2)에 대한 반력을 측정함으로써 결정되고, 상기 반력은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 가해지는 전단력으로서 측정되는 방법(100).
  32. 제31항에 있어서,
    제1 압전 소자(4a)의 적어도 하나의 신호와 제2 압전 소자(4c)의 신호를 검출하는 단계(101); 및
    제1 압전 소자(4a) 및 제2 압전 소자(4c)에 인가된 토크 또는 상기 신호로부터 요동의 발생을 유도하는 단계(102)
    를 포함하는 방법(100).
  33. 제32항에 있어서, 압전 소자(4a, 4c)는 샤프트(3)의 회전 방향(D)과 관련하여 알려진 바람직한 방향(V1, V3)으로 배향되며,
    회전 방향으로 압전 소자(4a, 4c)의 바람직한 방향(V1, V3)의 성분에 해당하는 신호를 합산하는 단계(103); 및
    상기 신호로부터 샤프트(3)의 비틀림 진동의 발생을 유도하는 단계(104a)를 포함하는 방법(100).
  34. 제32항에 있어서, 압전 소자(4a, 4c)는 바람직한 방향(V1, V3)이 알려지도록 배향되고,
    압전 소자(4a, 4c)의 바람직한 방향(V1, V3)의 평행 성분에 해당하는 신호를 합산하는 단계(103); 및
    상기 신호로부터 베어링의 반력을 유도하는 단계(104b)를 더 포함하는 방법(100).
  35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 도출된 변수의 값의 경시 변화가 기록되는 방법(100).
  36. 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    토크 변화에서 불연속성에 대해 도출된 변수를 테스트하는 단계(104c);
    테스트할 시스템의 특성 변화에 대해 도출된 변수를 테스트하는 단계(104d);
    도출된 변수의 변화를 예측하는 단계(104e-1);
    베어링 장치(2)의 일어날 수 있는 과부하에 대해 예측된 변화를 테스트하는 단계(104e-2);
    예측된 과부하, 불연속성, 또는 테스트할 시스템의 특성 변화가 감지되면 동력을 조정하는 단계(104e-3)
    중 적어도 하나를 더 포함하는 방법(100).
  37. 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서,
    컴퓨터에 의해 실행시 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  38. 제37항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장되는 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  39. 컴퓨터에 의해 실행시 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  40. 삭제
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