NO321290B1 - Aksialsensor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse har å gjøre med aksialsensorer. Den er spesielt egnet, men på ingen måte begrenset, til kontinuerlig måling av aksialkraften som genereres i akslingen til en mekanisk drevet aktuator. Når akslingens rotasjonsbevegelse konverteres til en lineær bevegelse ved hjelp av en spiralformet skruegjenge og mutter eller andre rotasjon-til-lineær bevegelseskonverterere, har oppfinnelsen å gjøre med den kontinuerlige direkte målingen av aksialkraften som understøttes av akslingens aksiallager.

Oppfinnelsen gjelder også aktuatorer som drives av væsketrykk der akslingen koples direkte eller indirekte til et væskedrevet stempel, eller drives via elektrohydraulikk eller elektro-fluid.

Oppfinnelsen er spesielt egnet for aktuator-girkasser som brukes til å drive ventiler og avsperringsluker i forbindelse med fluidoverføringssystemer.

Sett i sammenheng med de foregående erklæringene, er det underforstått at betegnelsen "fluid" omfatter flytende væsker, gasser og damp.

Når det gjelder aktuatorer, er det generelt sett ønskelig å kunne kontinuerlig overvåke og kontrollere kraften, eller momentet, som genereres ved ventilspindelen, på en nøyaktig måte. Når ventilen lukkes, produserer disse kreftene, eller dette momentet, lukkekraften mellom ventilsetet og delen som er i bevegelse. Man må også kunne overvåke kraften eller momentet som kreves for å åpne en lukket ventil, som kan være betydelig større enn lukkekraften eller momentet på grunn av friksjon, og for oppbyggingen av hydrostatisk trykkforskjell på tvers av et lukket ventilsete.

Enkelte ventiler har et "baksete" når ventilen er helt åpen. Dette skaper et ytterligere behov for overvåkings- og kontrollfasiliteter når aktuatoren beveger seg i én retning for å åpne ventilen.

Selv om ventilaktuatorens hovedoppgave er å kunne overvåke og kontrollere lukkekraften på ventilbevegelseselementet, er der også et behov for å overvåke kreftene som oppstår når ventilen beveger seg. Et eksempel på dette behovet er når det oppstår høye, ubalanserte krefter over ventilsetet på grunn av hydrostatiske og hydrodynamiske trykkgradienter og når det er nødvendig, i bestemte kritiske installasjoner, å kontinuerlig overvåke aktuatorgirkassens effektivitet.

I mekanisk styrte ventilaktuatorer, er den siste kraftoverføringen til utgangsakslingen vanligvis en snekke og et snekkehjul. I denne typen tannhjulsdrev kan momentet som genereres i utgangsakslingen hvor snekkehjulet sitter, bestemmes ved å måle aksialkraften på snekkeakslingen og multiplisere resultatet med delesirkelradiusen til snekkehjulet. Slik ser man at et kraftmålingselement beregnet på overvåking av aksialkraften i en snekkeaksling, kan brukes til å bestemme momentet som genereres i snekkehjulakslingen i girkassen.

Aktuatorkraft- og momentmålingssystemer er kjente fra for eksempel Patent nr. GB 2 196 494 B (Rotork Controls Ltd.) hvor avviket i en fjærsentrert snekkeaksling måles ved hjelp av et potensiometer, og fra Patent nr. DE 4239947 CI (Werner Riester) og Patentsøknad nr. EP 0730114 AI (Nippon Gear Co.) hvor aksialkraften får lov til å reagere på et membranelement utstyrt med deformasjonsmåler(e), anbrakt mellom akslingslageret og aktuatorkassen. US 4 898 362 (Liberty Technology Centre Inc) beskriver en aktuator med inkorporert aksialsensor, plassert mellom en spindelmutter og en spindelmuttersikring. Selv om denne sensoren gjør at motoren kan slås av etter at et forutbestemt kraftstøt er nådd, tillater den ikke kontinuerlige trykkmålinger. Trykkratfsensorer er kjent fra andre ingeniørvirksomhetsområder. EP 0668491 (The Timken Co.) beskriver for eksempel en navanordning som roterer rundt en spindel på et lager. For å optimalisere forspenningen på lageret, overføres kraften som representerer forspenningen i lageret, gjennom en kraftsensor som produserer et signal som reflekterer omfanget av kraften. Ved å overvåke kraftsensoren, kan man justere lageret til ønsket forspenning.

US 5036714 (WABCO Fahrzeughremsen GmbH) beskriver et apparat for måling av aksialkraften som overføres av en koplingsanordning som kan generere signaler som gir en indikasjon på aksialkratfstyrken. I dette tilfellet er relativt store elastomeriske elementer montert mellom motstilte overføringsskuldere. En trykksensor står i indirekte kontakt med et elastomerisk element, som har en liten, myk elastomerisk pute anbrakt mellom de to.

EP 0363785 (Polysens SpA) beskriver bruken av en piezoelektrisk pakning som transduser, for å påvise dynamiske krefter mellom to motstilte flater.

I slike tidlige utgaver avhenger målingen av aksialkraften av nøyaktig kalibrering av kraftmåleelementene som kan påvirke integriteten og nøyaktigheten til signalet. Potensiometre og fjærpakker utsettes for slit og materialtretthet, og deformasjonsmålere montert på metallmembraner, er dyre å montere og kalibrere.

Et annet fundamentalt problem i forbindelse med slik eksisterende teknologi, er at det brede utgangskraftspekteret som dekkes i et normalt spekter av ventilaktuatorer, krever at man skaffer tilveie og har på lager kraftmåleelementer i flere størrelser. Dette innebærer for eksempel at man har liggende et lager av fjærpakker eller membraner av varierende størrelse og stivhet. Dette kravet er nødvendig for å dekke et normalt utgangsmoment eller kraftspekterforhold på 30/1, spredt over aktuatorrammer av flere størrelser. Disse mange komponentene er nødvendige for produksjon og vedlikehold ute i feltet, og representerer en betydelig utgift.

Forbedringen av aktuatorteknologi, som er målet med denne oppfinnelsen, er å få kraften som er generert i akslingen, til å virke mot en rigid bakplate med et fjærende polymerelement festet til den. Polymerelementet er i kontakt med en monteringsplate, og det hele fungerer på den måten at aksialkraften genererer trykkspenning eller trykk i polymerelementet som er hovedsakelig lik kraften delt på kontaktflaten.

En elektronisk trykktransduser føres inn på monteringsplaten, med den sensitive siden fluktende med overflaten på platen og i kontakt med det fjærende polymerelementet. Det hele fungerer på den måten at trykktransduseren nå registrerer et trykk som er hovedsakelig likt det jevne trykket som eksisterer i polymerelementet. Ved å forandre kontaktområdet til polymerelementet, kan man dermed oppnå ethvert hovedsakelig lineært forhold mellom kraften som opprettholdes av akslingen, og transdusereffekten. Ett av målene for denne oppfinnelsen er mer bestemt å gjøre det mulig å sette inn en forhåndskalibrert trykktransduser i én størrelse, i en aktuator av en hvilken som helst størrelse, og så utforme det fjærende puteområdet i hver aktuatorrammestørrelse, slik at spekteret av krefter generert i hver aktuator faller innenfor driftsspekteret til denne enkeltstørrelse trykktransduseren.

Et annet problem som teknikkens stand ikke tar hensyn til, og heller ikke har forutsett, er den ikke-lineære responsen fra en trykktransduser montert på en elastomerisk pute, hvis kant(er) ikke er festet. Kompresjon av en pute som ikke er festet, resulterer i en utbuling av omkretssiden(e). Det vil si, selv om en tverrprofil av den elastomeriske puten i utgangspunktet er hovedsakelig rektangulær ved null-momentsforhold, fordreier en momentpåføring puten slik at tverrprofilen blir seende ut som en smultring. Dette fører til kalibreringsvanskeligheter og ikke-linearitetsvanskeligheter, og gjør til skamme innvendingene mot å dekke et spekter av ventilaktuatorstørrelser ved simpelthen å forandre kontaktflaten på den elastomeriske puten eller tilpassede puter.

Man må være klar over at selv om det bare er nødvendig med én transduser, kan det være installert ventiler på kritiske steder hvor det brukes mer enn én trykktransduser for å ha en i reserve som sikkerhet.

En aksialsensor-montasje som passer til bruk sammen med en aktuator der drivkraften påføres på en aktuatoraksling, og der aksialsensor-montasjen består av et første trykkplate-middel og et andre trykkplate-middel, der minst ett av de nevnte trykkplate-midlene befinner seg på eller er tilpasset til å gripe direkte eller indirekte inn i nevnte akslingen og bevege seg aksialt med akslingen og det andre trykkplate-middelet stilles rett overfor det første trykkplate-middelet med minst én fjærende, kompressibel, substansielt elastomerisk pute mellom dem, en trykktransduser montert på ett av trykkplate-midlene, slik at når det første trykkplate-middelet beveges mot det andre, sammenpresses de elastomeriske støtputene mellom de to trykkplate-midlene uten at hele puten(e) trykker mot trykktransduseren og induserer dermed et signal fra trykktransduseren som svarer til trykket fra aktuatorakslingen. Aksialsensormontasjen er tilpasset slik at den totale kontaktflaten på de(n) kompressible puten(e) som vender mot det av trykkplate-midlene som bærer trykktransduseren, kan varieres etter ønske for å endre proporsjonen av kraftstøt som overføres til transduseren, ved å bytte ut puten(e) eller bruke et større eller mindre antall hovedsakelig identiske puter, noe som kan tilpasses et bredere spekter aktuatorkraftstøt, samtidig som trykket som påføres trykktransduseren opprettholdes innenfor driftsspekteret til nevnte trykktransduser.

Dette arrangementet gir en kompakt, plassbesparende sensor som ikke har behov for fjær. Arrangementet tillater også trykktransduseren å merke kraftstøtene når kraftstøtene er godt under transduserens normale driftsrekkevidde, ved å la de høye kraftstøtene operere over et område som er større enn det sensitive området til transduseren. Dette gjør det unødvendig å bytte ut selve transduseren.

I den foretrukne versjonen utledes kraftstøtet ved å multiplisere signalet fra trykktransduseren med en transduserkonstant (se side 11), og igjen med det totale puteområdet.

For å unngå tvil, kan det første trykkplate-middelet for eksempel være en uavhengig plate eller ring rundt akslingen, eller en flens eller skulder på akslingen, og det andre trykkplate-middelet kan for eksempel omfatte en uavhengig plate eller ring eller en endevegg eller en aksling på aksialsensormontasjehuset. Disse variantene detaljforklares i beskrivelsen av de foretrukne utførelsesformene nedenfor, og i beskrivelsen av den første foretrukne utførelsesformen nedenfor brukes termen "bakplate" for å beskrive det første trykkplate-middelet, og termen "monteringsplate" for å beskrive det andre trykkplate-middelet.

Det totale kombinerte kontaktområdet av overflaten(e) til de(n) kompressible puten(e) som vender mot det trykkplate-middelet som bærer trykktransduseren, er i de fleste tilfeller større enn det trykksensitive overflateområdet til trykktransduseren alene, slik at trykket på puten(e) som presses sammen, i bruk, distribueres over et kjent kontaktområde som omfatter både trykktransduserens sensitive overflate og en kjent overflatestørrelse på trykkplate-middelet som bærer trykktransduseren.

I dette første aspektet av oppfinnelsen, kan det totale kontaktområdet på de(n) kompressible puten(e) endres etter ønske ved å bytte ut puten(e) med én eller flere større eller mindre puter eller bruke et større eller mindre antall hovedsakelig identiske puter, hvorved det gis plass for et bredt spekter av aktuatorkraftstøt ved å justere trykket som tilføres trykktransduseren, slik at det er innenfor driftsspekteret til trykktransduseren.

Puten(e) bør fortrinnsvis monteres fast på det første eller andre trykkplate-middelet. Dette forhindrer utilsiktet bevegelse av puten(e) under drift.

Puten(e) kan med fordel monteres på et rigid mellomelement. Kraftstøt overføres fra det første trykkplate-middelet til puten(e) via mellomelementet. Dette arrangementet gjør at putene lett kan byttes ut, i tillegg til at antallet, størrelsen og konfigurasjonen til putene også kan endres etter ønske.

Det bør fortrinnsvis være én eller flere fordypninger i ett av trykkplate-midlene eller, når et rigid mellomelement er plassert mellom trykkplate-midlene, alternativt i mellomelementet eller hver fordypning/ fordypningen, for å gi rom for en respektiv nevnte elastomerisk pute og fullstendig innesperre ytteromkretsen av puten, hvorved hele puten(e) er fullstendig innesperret langs den ytre omkretsen når de(n) er i bruk. Denne innesperringen av puten(e)s ytteromkrets forminsker eller overvinner det svært betydelige problemet med feil som oppstår p.g.a. utbuling og kryping av puten(e).

Trykkplate-middelet eller mellomelementet som vender mot og presses mot det trykkplate-middelet eller mellomelement som er utstyrt med fordypning(er), bør fortrinnsvis konfigureres slik at det stikker inn i nevnte fordypning(er) for å presse mot puten(e).

Et inkompressibelt mellomlegg kan eventuelt plasseres i fordypningen(e), slik at det ligger over puten(e) og jevnt overfører trykkraften til puten(e) som er i bruk. Mellomlegget er formet slik at det passer inn i fordypningen og kan, for eksempel, være en metallskive eller en ring. Begge disse arrangementene sørger for at kraftstøtet overføres fullt og helt til puten(e), uten at puten(e) må stikke ut av fordypningen(e) for å komme i kontakt med det motstilte trykkplate-middelet eller mellomelementet. Det er viktig å opprettholde hovedsakelig full innesperring så lenge platebevegelsen blir avfølt.

Spesielt i installasjoner hvor ytteromkretsen til hver av de kompressible putene ikke er innesperret, er puten(e) med fordel laget i laminert utførelse og omfatter et par fjærende kompressible lag, én på hver side av et lag av et materiale av høyere elastisitetsmodul. Paret er passende laget av gummi eller et annet elastomerisk materiale, og det mellomliggende laget er laget av nylon eller et materiale av en liknende elastisitetsmodul. Dette arrangementet hjelper til med å minimalisere eller til og med eliminere enhver spredning av putene mot trykkflatene når kraftstøtet tilføres, og på den måten sørge for opprettholdelsen av et hovedsakelig enkelt forhold mellom det tilførte kraftstøtet og signalet fra trykktransduseren. I installasjoner hvor ytteromkretsen til de(n) fjærende puten(e) innesperres når de settes inn, for eksempel i en fordypning i bakplaten, kan et ensartet fjærende materiale brukes, for eksempel silikongummi.

I én foretrukket utførelse, er montasjen tilpasset endemontering på nevnte aksling. Ved å bruke en enkelt pute og en transduser endemontert på akslingen og innrettet med akslingaksen, kan kraftstøt i én retning måles enkelt og effektivt.

Det andre trykkplate-middelet kan fortrinnsvis koples til akslingen slik at det følger akslingen når akslingen beveger seg i revers og det første trykkplate-middelet kan koples fra akslingen slik at det ikke følger med når akslingen beveger seg i revers, hvorved kraftstøt i revers kan registreres.

Trykktransduseren er passende inkorporert i ett av de nevnte trykkplate-midlene med den trykksensitive overflaten av transduseren plant med overflaten på trykkplate-middelet hvor den er montert.

Trykkplate-middelet/ene er passende sirkelformet og/eller ringformet.

De(n) fjærende puten(e) er fortrinnsvis sirkelformet(e) og/eller ringformet(e).

Hensiktsmessig er to fjærende puter anordnet og plassert diametralt motstilt hverandre.

Oppfinnelsen omfatter også en ventilaktuator som inkorporerer en aksialsensormontasje som beskrevet her.

Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen skal nå beskrives, ved hjelp av et utførelseseksempel, under henvisning til de medfølgende tegninger, der: Figur 1 viser en del av en elektrisk aktuator i snitt langs et plan sammenfallende med den elektriske motorens akslingssenterlinje og viser snekkeakslingen, som er integrert med motorakslingen og snekkehjulet som omslutter aktuatorens utgangsaksling; Figur 2 er et detalj snitt gjennom snekkeakslingens aksiallagersammenstilling og benevnt med planet A-A i figur 1; Figur 3 er et snitt langs samme plan A-A som i figur 2, men viser et alternativt arrangement av de elastiske polymerelementene; Figur 4 viser et alternativt snitt gjennom en del av en aksiallagersammenstilling der de elastiske polymerelementene er festet til en separat tynn plate; Figur 5 viser et snitt gjennom aktuatorens utgangsaksling og viser den alternative utførelsesformen av oppfinnelsen, som er målingen av den aksielle kraften generert av utgangsakslingen; Figur 6 viser et alternativt snitt B-B i figur 5 der de individuelle elastiske polymerelementene er erstattet av et enkelt elastisk polymerelement; Figur 7 viser måten en polymerblokk forvrenges under virkningen av en kraft. Denne figuren behøves for å hjelpe til under forklaringen av den spesielle formelen som behøves for å bestemme en polymerblokks kompresjonsmodul. Figurene 8 og 9 viser sensormontasjer hvor aksialsensoren er plassert på enden av en aksling for måling av kraftstøt i kun én retning.

Figur 10 illustrerer en forenklet versjon av aksialsensoren i figur 1.

Figur 11 illustrerer en videre versjon og modifikasjon av aktuatoren vist i figur 1, og hvor en ringformet pute er montert på en slik måte at alle ytteromkretsene er innesperret. Figur 12 er en grafisk illustrasjon av resultatene fra en komparativ test, som sammenlikner bruken av en montasje hvor putens ytteromkrets ikke er innesperret med bruken av en montasje hvor puten er innesperret.

Utførelsesformer av den omtalte oppfinnelse vil nå bli beskrevet kun som eksempler.

En første versjon vil nå bli beskrevet under henvisning til en aktuator hvor det er nødvendig å måle kraftstøtet i to retninger i 180° vinkel til hverandre, dvs. i begge retninger langs en aksling.

Forenklede utførelsesformer og utførelsesformer tilpasset til å måle kraftstøt kun i én retning, vil bli beskrevet senere.

Under henvisning til figur 1 og 2, roterer den elektriske motoren 1 en snekkeaksling 2 der det er maskinbearbeidet et snekkeinngrep 3 med hjulet 4 som omgir utgangsakslingen 5 på aktuatoren. Snekkehjulet 4 kan koples til utgangsakslingen 5 ved hjelp av en glideklokopling, ikke illustrert i figur 1.

Når aktuatoren er i drift, genererer den eksterne belastningen et mot-torsjonsmoment på snekkehjulet 4 som, i sin tur, blir til en aksialkraft på snekkeakslingen 2; kraften overføres via tennene 6 på snekken/snekkehjulet Snekkeakslingens aksialkraftvektor kan være tilstede i begge retninger, avhengig av hvilken retning snekkehjulet 4 roterer i. Et par dypsporete kulelagre 7 og 8 finnes på snekkeakslingen 2; disse fungerer som kombinert bære- og aksiallager.

Lager 7 er montert i en fordypning i aktuatorkassen 9 og den ytre sporringen 10 er en fri pasning i fordypningen. Lageret ligger aksielt i fordypningen ved en støtte, mellom den ytre sporringen 10 og monteringsplaten 11.

Lager 8 ligger i en fordypning i bakplaten 12. Den indre sporringen 13 i lageret 8 utgjør en støtte med en hul aksling 14 festet til snekkeakslingen med en stift 15.

Plassert mellom monteringsplaten 11 og bakplaten 12 ligger to fjærende polymerskiver 16 og 17. Disse sitter på samme delesirkeldiameter, og er montert 180 grader fra hverandre. Skivene er festet til bakplaten 12, og én skive 17 er beregnet til å plasseres over den sensitive flaten til en elektronisk trykktransduser 18 som sitter i en fordypning i monteringsplaten 11. De løse ledningene er arrangert slik at de stikker ut på baksiden av monteringsplaten via hullet 20. Transduseren vil fortrinnsvis være av den typen som benytter en deformasjonsmåler eller et piezo-resistivt føleelement arrangert i et normalt Whetstone Bridge-nettverk med en kompenserende termoresistor, og den tilknyttede kretsen arrangert slik at spenningseffekten fra transduseren vil ha et lineært, eller tilnærmet lineært forhold til trykket som tilføres transduserens sensitive flate. En hvilken som helst passende føleanordning som kan registrere trykkendringer på flaten, kan imidlertid benyttes.

Hvis akslingen 2 utstyres med en høyrespiralsnekke 3 og snekkehjulet roteres med klokken, som vist i figur 1, er retningen på aksialkraften som angitt av pilen 21. Aksialkraften overføres av lageret 8 til bakplaten 12, og derfra til de fjærende polymerelementene 16 og 17. Trykket som genereres i disse skiveformede elementene er aksialkraften delt på samlet sum av flatene til de to skivene som er i kontakt med bakplaten. I dette arrangementet vil skive 17 overføre dette trykket til den sensitive flaten på transduseren 18, og på denne måten gi et signal som er hovedsakelig proporsjonalt til aksialkraften i akslingen 2.

Hvis motorretningen nå reverseres slik at snekkehjulet roterer mot klokkeretningen som vist i figur 1, vil lageret 7 nå overføre aksialkraften i akslingen 2 via støtten 22. Den statiske ytre sporringen i lageret 7 overfører kraften via støtten 23 til monteringsplaten 11. Kraften overføres nå til bakplaten 12 via de fjærende polymerelementene 16 og 17.1 denne modusen forhindres bakplaten fra aksiell og roterende bevegelse av tre trykkskulderbolter 24, (tegningen viser bare én). Man ser dermed at aksiallagermontasjen er utformet på den måten at aksialtrykket i begge retninger på akslingen 2, vil føre til at det genereres et kompressivt trykk i de fjærende polymerelementene 16 og 17, slik at det utvikles et kraftrelatert signal i den enslige transduseren 18.

Den numeriske faktoren til det lineære forholdet som det elektriske signalet, for eksempel et spenningssignal, multipliseres med for å oppnå trykkavlesingen, kalles transduserkonstanten. Det er mulig å bruke dette forenklede forholdet, fordi transduserkarakteristikkurven mellom tilført trykk og spenningsavlesningen er, hovedsakelig, en rett linje som går gjennom, eller nært inntil origo. Det er imidlertid innenfor denne oppfinnelsens ramme å omfatte andre ikke-lineære forhold, og i slike forhold benyttes gjerne en tabell eller et diagram for å avlede den tilførte trykkverdien fra spenningsavlesningen, eller nevnte tabell eller diagram kan eventuelt inkorporeres i et dataprogram.

Under henvisning til figur 3, er de fjærende elementene 16 og 17 forøket med to ekstra grupper fjærende polymerskiver 25 og 26, for å øke området som aksialkreftene i akslingen 2 virker på. Montasjen har fremdeles en enkelt trykktransduser som står i kontakt med det fjærende polymerelementet 17.

La oss se på noen vanlige størrelser og verdier; hvis transduserens mellomtrykksignal er 10 bar (= 1 N/mm<2>) og de to fjærende polymerelementene 16 og 17 begge er 12 mm i diameter, vil en 10 bar trykkavlesning indikere en aksialkraft på: 7i/4xl2<2>x2xl=226N.

I figur 3 er det totale kontaktområdet øket ved at ti fjærende polymerskiver i to grupper 25 og 26 er blitt lagt til. Disse skivene har samme dimensjon som skivene 16 og 17, slik at 10 bar (1 N/mm) trykktransduseravlesningen nå angir en aksialkraft på: 7i/4xl22xl2xl = 1357N.

Under henvisning til figur 4; for å muliggjøre en rask og enkel endring av området med de fjærende polymerelementene, passer det bedre at de fjærende polymerelementene er festet til en separat tynn plate 31 som settes inn mellom bakplaten 12 og monteringsplaten 11. Aktuatoren kan da utstyres med et sett alternative fjærende polymerelementer som allerede er festet til plater 31, slik at en rask feltendring kan utføres.

Evnen til å måle kraftstøtet som produseres av aktuatorer av forskjellige størrelser og med forskjellig inngangseffekt med en og samme trykktransduser, er en viktig egenskap i denne oppfinnelsen. Ved å spre den overførte kraften over et større område av fjærende, kompressibelt materiale, kan et enkelt trykktransduser/aksialsensormontasje-oppsett tilpasses et stort spekter aktuatorer.

Hvis sirkelformede puter av samme størrelse i et fjærende materiale benyttes, vil en økning i antall puter gi en trinnvis økning i kraften det er mulig å måle. For at denne oppfinnelsen skal fungere ordentlig, må det ikke være noe betydelig gap mellom puten 17 og transduseren 18. Oppfinnelsen er heller ikke prinsipielt avhengig av bøyeligheten til en membran eller tilsvarende komponent som er en del av aktuatorstrukturen, som er tilfellet i tidligere utgaver, men er i stedet avhengig av kompresjon av et fast legeme mellom to flate overflater.

I den alternative versjonen, hvor en pute/puter er montert på et mellomelement, forenkles posisjonering og utskiftingen av putene kraftig.

Putene kan lages av et hvilket som helst passende materiale, som velges av materialspesialisten, for eksempel silikongummi som har en hardhet på mellom 25 og 60 på IRHD-skalaen. Putene kan naturligvis lages av et hvilket som helst naturlig eller syntetisk fjærende polymer material, forutsatt at det kompressive trykket som benyttes, ikke fører til at putene kryper, og at de fysiske egenskapene holdes hovedsakelig konstante innenfor omgivelsestemperaturgrensene.

Som tidligere nevnt, i tilfeller hvor ytteromkretsene ikke er innesperret, bør puten helst være en laminert, fjærende polymerpute med et par ytre fjærende polymerlag, fortrinnsvis av gummi eller et annet elastomerisk materiale, med et mellomliggende lag av plastfolie, for eksempel nylon, som har høyere elastisitetsmodulegenskaper enn det fjærende materialet. Puten kan for eksempel omfatte fjærende lag skåret ut av 0,75 mm tykk silikongummi, og det mellomliggende laget kan være 0,25 mm tykk nylon. Denne laminerte konstruksjonen reduserer spredningen av putene mot trykkflatene som benyttes.

I tilfeller hvor ytteromkretsene til den fjærende puten er innesperret, som illustrert i figur 11, kan puten være laget av et ensartet polymermateriale.

Figur 5 viser trykktransduseren 18 innført i aksiallagermontasjen som omgir aktuatorutgangsakslingen 5, og som er utformet slik at den måler aksialkraften i begge retninger i utgangsakslingen. I denne versjonen krever de tyngre kreftene som opprettholdes av utgangsakslingen, at kuletrykklagrene 28 og 29 brukes i stedet for de kombinerte bære- og aksiallagrene 7 og 8, vist i figur 1.

Driftsprinsippet er det samme som for montasjen som er illustrert i figur 1.1 denne versjonen fanges den oppadgående aksialkraften av rotorstøtteringen 30, som illustrert. Figur 6 viser et enkelt, ringformet fjærende polymerelement 27 montert i stedet for de individuelle skiveformede elementene 16,17,25, og 26, illustrert i figur 1,2 og 3. Dette er for å oppnå størst mulig fjærende overflateområde, og kan for eksempel være nødvendig på en aktuatorutgangsaksling hvor aksialkreftene er betraktelig høyere enn de som finnes i snekkeakslingen. Hvis man antar at det ringformede polymerelementets maksimale størrelse er en ytterdiameter på 80 mm, og en indre diameter på 45 mm, vil dette gi et område på 3436 mm . Ved en 10 bar transduseravlesning vil dette angi en aksialkrat fpå 3436 N.

Slik ser man, at i dette utvalgte illustrasjonseksempelet kan mellomsignalet til transduseren utvides til å angi et kraftspekter fra 226 N til 3436 N, et forhold på cirka 15:1.

I dette spesielle eksempelet som ble beskrevet og illustrert, kan man se at de fjærende polymerskivene, når det brukes flere enn to skiver, har samme diameter og tykkelse som skiven 17 som er plassert over transduseren 18. Det er for å sikre at alle skivene utsettes for samme trykk, slik at trykkavlesningen med den enkle transduseren multiplisert med den totale summen av skiveområder, representerer aksialkraften på akslingen. Det er imidlertid mulig å bruke individuelle fjærende polymerelementer av forskjellig form og med ikke-innesperrede ytteromkretser i en montasje, forutsatt at det brukes bestemte fester som tar hensyn til det faktum at i polymerteknologi er kompresjonsmodulen en funksjon både i materialets natur og i forholdet mellom de frie flateområdene, og de innesperrede flatene eller kontaktflatene i polymerblokken som belastes. Dette forholdet beskrives for eksempel i læreboken "Engineering with Polymers" av Peter C. Powell, utgitt av Chapman and Hall.

For at en gruppe fjærende puter skal kunne opprettholde samme indre spenning eller trykk under en enkelt kraft, er det nødvendig å forsikre seg om at den tilsynelatende kompresjonsmodulen "E", er den samme for alle putene. Dette er på grunn av forholdet:

E = Spenning eller Trykk -s- Belastning.

I dette forholdet er Belastning definert som awiksforholdet for hver pute, delt på den ubelastede tykkelsen, dvs. forholdet At/t, som illustrert i figur 7.

For konstant tykkelse "t" for gruppen av puter, produserer derfor et avvik At samme deformasjon i hver pute, og derfor samme trykk, forutsatt at den tilsynelatende kompresjonsmodulen "E" forholder seg konstant.

For et bestemt polymermateriale, er den absolutte spennings- eller kompresjonsmodulen en funksjon av hardheten og angis vanligvis som "Eo". For enkle sirkelformede og rektangulære blokker under trykk, kan forholdet mellom den tilsynelatende modulen "E" og "Eo" slås fast av ligningen:

E = E0(l+2kS<2>)

I ligningen ovenfor er "k" en empirisk konstant med en verdi mellom 0,5 og 1,0, og står i forhold til materialhardheten.

Termen "S" kalles Formfaktoren og er en dimensjonsløs størrelse, definert som forholdstallet for én belastet flate i blokken, delt på de totale ubelastede områdene i blokken, dvs. de flatene som kan bule ut under belastning. Termen "S" er opphøyet i annen potens i den foregående ligningen, så det er viktig å forsikre seg om at dette forholdet forholder seg konstant for alle de individuelle blokkene i en montasje, slik at den tilsynelatende modultermen "E" forholder seg konstant.

For dette bestemte eksempelet gjelder det at, hvis man bruker skiver som er 12 mm i diameter og 2 mm tykke, vil verdien til Formfaktoren bli: S = (ti/4 x 12<2>): (ti x 12 x 2) =1,5

I dette eksempelet ville det ha vært mulig å legge til puter med en annen form i stedet for skivene 25,26 i figur 3, forutsatt at Formfaktoren fortsatt har en verdi som svarer til 1,5. Hvis man ønsker å bruke flere rettsidede rektangulære blokker, vil blant annet disse to formene tilfredsstille kravene: Kvadratisk 12 x 12 x 2 mm tykk S = 122: (12 x 4 x 2) = 1,5

Rektangel 18 x 9 x 2 mm tykk S = (18 x 9): (18 + 9) x 2 x 2 = 1,5

En aktuator av den typen det er snakk om her, vil vanligvis leveres med en kraftmålingstransduser montert på snekkeakslingen, som vist i figur 1, som måler omdreiningsmomentet i utgangsakslingen, eller montert på utgangsakslingen for å måle aksialkraften i utgangsakslingen, som vist i figur 5.1 enkelte kritiske områder kan det imidlertid være nødvendig å stille til rådighet både momenttransduser- og utgangskrafttransduser-montasjene, slik at en kontinuerlig måling av girkassens effektivitet kan registreres og slik at man tidlig kan foreta forebyggende handlinger hvis effektiviteten begynner å falle, noe som indikerer en forestående tannhjul- eller lagersvikt.

I en liknende situasjon kan det være ønskelig å ha til rådighet to eller flere trykktransdusere med uavhengige, tilknyttede elektroniske kretser, slik at det minste avvik som oppstår mellom transdusersignalene kan overvåkes, da et slikt avvik gir en tidlig advarsel om at trykktransduseren, eller de tilknyttede elektroniske kretsene er i ferd med å svikte.

Selv om den foregående beskrivelsen dekker bruk av elektroniske trykktransdusere, kan andre typer trykktransdusere også godt brukes, slik som for eksempel små avbøyningsmembraner som forbindes med fiberoptiske signaler.

Beskrivelsen ovenfor gjelder for en type aksialsensormontasje som man for eksempel finner i ventilaktuatorer hvor det er nødvendig å måle kraftstøtet i begge aksialretningene på akslingen. Når det bare er behov for å måle kraftstøt i én retning, kan montasjen forenkles kraftig. Det er også mulig å feste aksialsensoren på enden av akslingen, heller enn et passende sted langs akslingen. Eksempler på to slike montasjer vises i figurene 8 og 9.

Med hensyn til figur 8, som viser endestykket til en typisk aktuator-motoraksling, illustrerer figuren én enkel fjærende polymerskive inkorporert mellom en monteringsplate 34 og kassen 35. For små aktuatormotorer, hvor aksiallageret består av en enkel kule 32 mellom motorakslingen 33 og platen 34, kan den fjærende polymerskiven 17 festes til platen 34, før trykktransduseren 18 monteres i en fordypning i enden av motorkassen 35.

Figur 9 illustrerer en kraftigere applikasjon, hvor kraftstøtet fanges opp av et kombinert bære- og aksiallager i en dyp kulelagerfordypning 36. Den ytre sporringen i dette lageret har fått en fri glidepasning inn til fordypningen i motorkassen 37 og ligger opp mot en plate 38, som også er en fri glidepasning i samme fordypning. Den fjærende polymerskiven 17 er festet til platen 38, og trykktransduseren 18 er som tidligere montert i den mindre fordypningen i enden av motorkassen 37.

Den essensielle driftsegenskapen til toveis aksialtrykkmålingsmontasjene, som beskrevet og illustrert i figurene 1 og 5, vises i forenklet utgave i figur 10, hvor akslingens 38 alternative kraftstøtsretninger angis av pilene 39 og 40.

Når kraftstøtet i akslingen 38 går i retning 39, overføres reaksjonskraften mellom akslingen og aksiallagerskiven 42 via støtten 41, og derfra via flaten på aksiallagerskiven 43 til platen 44, som kan bevege seg aksielt i fordypningen i huset 45. Kraften overføres av de to fjærende polymerskivene 16 og 17, som er festet til platen 44, og derfra til monteringsplaten 46 som rommer den enkle trykktransduseren 18, som arbeider sammen med den fjærende polymerskiven 17. Monteringsplaten 46 er også en fri glidepasning i kassen 45, og kraften overføres til slutt til huset via støtten 47.

Når kraftstøtet opptrer i revers 40, overføres motkraften først til aksiallagerskiven 48 via støtten 49, mellom skiven og kragen 50. Denne kragen er festet til akslingen med stiften 51. Kraften overføres nå via flaten på aksiallagerskiven 52 til monteringsplaten 46, deretter via de fjærende polymerskivene 16 og 17 til platen 44, og til slutt til kassen 45 via støtten 53 mellom platen 44 og kassen 45.

Slik kan man se at trykktransduseren 18 vil gi en avlesning som er proporsjonal med kraftstøtet, når kraftstøtet går enten forover eller i revers, som indikert av pilene 39 og 40.

I praksis er det kanskje nødvendig å feste platene 44 og 46 i radiell posisjon ved hjelp av kiler og kilespor eller tilsvarende, for å sikre at trykktransduseren og de fjærende polymerskivene forblir i en gitt radiell posisjon.

Figur 11 viser en versjon hvor kun ett ringformet fjærende polymerelement 54, er plassert mellom platene 55 og 56. Disse platene svarer i posisjon og drift til monteringsplaten 11 og bakplaten 12 i figur 1, men plate 56 er utstyrt med en ringformet flate 57 med fordypninger, hvor det ringformede fjærende polymerelementet, eller den elastomeriske puten, 54 er montert. De indre og ytre ringformede veggene i fordypningen passer tett sammen med de indre og ytre sirkelformede veggene til polymerelementet. De indre og ytre ringformede veggene i fordypningen er forlenget for å gi glidepasning til samvirkende diametre på plate 55. På samme måte er polymerelementet utstyrt med hull med liten klaring som spenningsskulderbolten 24 passer i. På denne måten har ikke det fjærende polymerelementet noen løse kantområder når det sitter i driftsposisjon.

Denne bestemte utførelsesformen gjør det mulig å bruke en ensartet silikongummipute, uten at det er noen fare for at det oppstår varige endringer på puten, for eksempel at den kryper, slik som ved polymerputer hvor kantene ikke er festet.

I en situasjon hvor aksialtrykkspekteret som skal måles, overgår det normale driftssignalspekteret til trykktransduseren, kan det effektive området til det ringformede, fjærende polymerelementet 54 endres ved å forandre de indre og ytre diameterne, og foreta tilsvarende endringer i de tilsvarende diameterne på platene 55 og 56, slik at trykkspekteret som overføres av polymerelementet kan holdes innenfor transduserens driftstrykkområde.

Dette kan man oppnå ved å bruke en plate med flere, jevnt fordelte fordypninger, slik at fordypningen(e) man bruker, kan tilpasses puteantall, -størrelse og -form. Eventuelt kan et utvalg av den mest passende kompresjonsplaten som har fordypning(er) med korrekt(e) dimensjon(er), velges fra et utvalg preformede, ellers lett ombyttelige slike plater. Alternativt kan fordypningene justeres med hensyn til størrelse, i og med at de har justerbare sidevegger som kan slås sammen eller deles.

Figur 12 er et diagram som illustrerer de overraskende betydelige fordelene ved å begrense ytteromkretsene til putene. Fra linje C i diagrammet kan vi se at når 3 sirkelformede silikonputer med en tykkelse på 2 mm og en diameter på 19 mm ble utsatt for økt trykk i en første aksialsensormontasje hvor ytteromkretsene til putene ikke var begrenset, avvek avlesningen fra den piezoresistive trykksensoren (Y-akse 0-60 mV) med økning i en anvendt kompressiv spenning (X-akse 0-1600 N) som vist i linje C, påfallende fra forventet resultat (linje A). I motsetning kan vi se at da montasjen ble tilpasset og putenes ytteromkretser innesperret, var det en nær sammenheng mellom sensoreffekten, linje B, og det forventede resultatet (linje A).

Man må være klar over at det er mulig å bruke et annet antall fjærende puter, eller fjærende puter med andre former, for å holde seg innenfor transduserens driftstrykkområde, forutsatt at alle kantene til (et) fjærende(e) element(er), når det brukes silikongummimateriale med lav hardhet, er begrenset av stive, omgivende vegger i én av platene 55 eller 56, uten at det avviker fra oppfinnelsens rekkevidde.

Oppfinnelsens mål kan derfor oppsummeres som følger:

1) Tilveiebringe et middel og en fremgangsmåte for måling av aksialtrykk generert i akslingen i en aktuator, ved å for det første sørge for at kraften virker imot et fjærende elastomerisk element eller elementer som sitter mellom rigide elementer av kjente kontaktområder, og for det andre å kontinuerlig måle trykket som genereres i det fjærende elastomeriske elementet eller elementene, med minst én elektronisk trykktransduser. 2) Å fremskaffe midler, hvorved kontaktområdet mellom det rigide og det fjærende elementet som motstår reaksjonskreftene som er generert av nevnte aksling, kan varieres slik at den øverste del av spekteret kan måles ved hjelp av relativt store kontaktflater, og krefter i nederste del av spekteret kan måles ved hjelp av relativt små kontaktflater, med det som mål å holde det resulterende genererte trykkområdet innenfor driftsspekteret til nevnte minst ene elektronisk trykktransduser. 3) Å kontinuerlig fastslå omdreiningsmomentet som overføres av snekkehjulet i en aktuator som bruker et reduksjonstannhjulsdrev med snekke og snekkehjul, ved å måle den reagerende aksialkraften som oppstår i snekkeakslingen ved bruk av midlene som er beskrevet i mål (1) og (2), og multiplisere denne kraftverdien med delesirkelradiusen til snekkehjulet. 4) I ovennevnte mål, å skaffe midler, slik at krefter som virker i en retning som er parallell eller sammenfallende med akslingaksen, men som kan står i inntil 180 graders vinkel i forhold til hverandre, alltid vil overføre en kompresserende reaksjonskraft på nevnte fjærende element som vender mot minst én trykktransduser. 5) I aktuatorer, som tidligere beskrevet, å skaffe én eller flere elektroniske trykktransdusere hvor bevegelsen til transduserens sensitive flate, relativt til den omgivende monteringsplaten, er relativt liten, slik at det ikke er noe betydelig trykkawik i nevnte fjærende element i området nært transduserens sensitive flate. I denne sammenhengen vil avviket til transduserens sensitive flate være for eksempel én tusendel av transduserens effektive flatediameter. 6) I ovennevnte mål, å skaffe minst én elektronisk trykktransduser hvor transduserens sensitive flate står i rett vinkel til akslingaksen, men er forskjøvet fra akslingaksen. 7) Å dempe eller betydelig forhindre feil som oppstår som følge av bruk av fjærende, kompressible elastomeriske puter i aksialsensormontasjen, ved å begrense putenes ytteromkretser for å substansielt forhindre dem fra å bule under bruk.

Claims (16)

1. Aksialsensor-montasje egnet for bruk sammen med en aktuator der drivkraften påføres på en aktuatoraksling, og der aksialsensor-montasjen består av et første trykkplate-middel og et andre trykkplate-middel, der minst ett av de nevnte trykkplate-midlene befinner seg på eller er tilpasset til å gripe direkte eller indirekte inn i nevnte aksling og bevege seg aksielt med akslingen og det andre trykkplate-middelet stilles rett overfor det første trykkplate-middelet med minst én fjærende, kompressibel, hovedsakelig elastomerisk pute derimellom, en trykktransduser montert på ett av trykkplate-midlene, karakterisert ved at puten(e) har en kontaktflate med et kontaktområde som vender mot ett av nevnte trykkplate-midler på hvilket nevnte trykktransduser er montert, slik at sensormontasjen er arrangert slik at i bruk, når det første trykkplate-middelet beveges mot det andre, presses de(n) elastomeriske støtputen(e) sammen mellom de to trykkplate-midlene uten at hele kontaktfeltet til puten(e) trykker mot trykktransduseren, og induserer dermed et signal fra trykktransduseren som svarer til trykket fra aktuatorakslingen, at aksialsensormontasjen er tilpasset slik at den totale kontaktflaten på de(n) kompressible puten(e) som vender mot det av trykkplate-midlene som bærer trykktransduseren, kan varieres etter ønske for å endre proporsjonen av kraftstøt som overføres til transduseren, ved å bytte ut puten(e) eller bruke et større eller mindre antall hovedsakelig identiske puter, hvorved en tilpasning til et bredere spekter aktuatorkraftstøt oppnås, samtidig som trykket som påføres trykktransduseren opprettholdes innenfor driftsspekteret av nevnte trykktransduser.

2. Aksialsensormontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at de(n) fjærende kompressible puten(e) er av en laminert konstruksjon, som innbefatter et par fjærende kompressible lag, ett på hver side av et lag materiale med høyere elastisitetsmodul.

3. Aksialsensormontasje Ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at én eller flere puter er montert fast på det første eller andre trykkplate-middelet.

4. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at én eller flere puter er montert på et rigid mellomelement, slik at kraftstøt overføres fra det første trykkplate-middelet til puten(e) via mellomelementet under bruk.

5. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at ett av trykkplate-midlene eller alternativt mellomelementet, hvis dette finnes, er forsynt med én eller flere fordypninger, og hvor fordypningen(e) dekker de respektive nevnte fjærende putene, og fullstendig innesperrer putenes ytteromkretser.

6. Aksialsensormontasje ifølge krav 5, karakterisert ved at trykkplate-middelet eller mellomelementet som i bruk er motstilt eller trykker mot det trykkplate-middelet eller mellomelementet som er forsynt med fordypning(er), er konfigurert til å stikke inn i nevnte fordypning(er) og under bruk trykke mot puten(e).

7. Aksialsensormontasje ifølge krav 5, karakterisert ved at et inkompressibelt mellomlegg plasseres i fordypningen(e), slik at det ligger over puten(e) og jevnt overfører trykkraften til puten(e) under bruk.

8. Aksialsensormontasje ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det andre trykkplate-middelet er koplet til. eller kan koples til akslingen, for i bruk å bevege seg med akslingen når akslingen beveger seg i revers, og det første trykkplate-middelet er koplet fra eller kan koples fra akslingen, slik at det ikke beveger seg med akslingen når akslingen beveger seg i revers, hvorved kraftstøtet i revers kan registreres.

9. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykktransduseren er inkorporert inn i ett av nevnte trykkplate-midler, med den trykksensitive flaten på transduseren fluktende med flaten på trykkplate-middelet den er montert på.

10. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at én eller begge trykkplate-midlene er sirkelformede og/eller ringformede.

11. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at én eller alle de fjærende putene er sirkelformede og/eller ringformede.

12. Aksialsensormontasje, ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det finnes to fjærende puter, og disse er posisjonert diametralt motstilt hverandre rundt aktuatorakslingen.

13. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte montasje er montert på snekkeakslingen til en aktuatorgirkasse av snekke og snekkehjulstypen, og arrangert slik at aksialkraften på snekkeakslingen derved måles, og nevnte kraft under bruk multipliseres med delesirkekadiusen til snekkehjulet slik at man får verdien av omdreiningsmomentet som overføres av snekkehjulet til utgangsakslingen til nevnte aktuatorgirkasse.

14. Aksialsensormontasje, egnet til bruk sammen med en aktuator av den typen hvor drivkraften tilføres en aktuatoraksling, og hvor aksialsensormontasjen består av et første trykkplate-middel og et andre trykkplate-middel, hvor minst ett trykkplate-middel er på eller tilpasset til å gripe direkte eller indirekte inn i nevnte aksling og bevege seg aksielt med akslingen, og det andre trykkplate-middelet er arrangert slik at det er motstilt det første trykkplate-middelet, med minst én fjærende, kompressibel, hovedsakelig elastomerisk pute i mellom, en trykktransduser montert på ett av trykkplate-midlene, hvorved bevegelse av det første trykkplate-middelet mot det andre trykkplate-middelet trykker sammen de(n) elastomeriske puten(e) mellom de to trykkplate-midlene og mot trykktransdusere, og fremkaller et signal fra trykktransduseren som samsvarer med kraftstøtet i aktuatorakslingen, hvor ett av trykkplate-midlene eller alternativt mellomelementet, hvis det finnes et rigid mellomelement mellom trykkplate-midlene, er forsynt med én eller flere fordypninger, og fordypningen(e) dekker de respektive fjærende putene, og fullstendig innesperrer putenes ytteromkretser.

15. Aktuator som inkorporerer en aksialsensormontasje i følge et hvilket som helst av de foregående krav.

16. Aksialsensormontasje ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 13, karakterisert ved at det er to eller flere puter og hvor kontaktområdet omfatter det kombinerte området av kontaktflaten til begge eller alle putene.