WO2016078922A1 - Erfassung von kräften und drehmomenten an einer antriebsvorrichtung - Google Patents

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WO2016078922A1
WO2016078922A1 PCT/EP2015/075786 EP2015075786W WO2016078922A1 WO 2016078922 A1 WO2016078922 A1 WO 2016078922A1 EP 2015075786 W EP2015075786 W EP 2015075786W WO 2016078922 A1 WO2016078922 A1 WO 2016078922A1
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measuring device
measuring
detecting
drive device
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Marcus Gutzmer
Uwe Krause
Dirk Scheibner
Jürgen SCHIMMER
Jürgen ZETTNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
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    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for detecting forces and torques on a drive device.
  • forces and torques on a drive device are understood to mean forces and torques which act on the drive device or are exerted by the drive device.
  • Forces and torques on an engine can generally be measured as bearing reactions on the stator of the motor or on a suspension of the motor.
  • the principle of the pendulum machine is known.
  • the stator of the motor is rotatably mounted and a torque generated by it is measured by means of a load cell.
  • the invention has for its object to provide an improved measuring device for detecting forces and torques on a drive device, in particular on a drive device of a belt drive.
  • the reference object is, for example, a wall or holder for the drive device.
  • the damping element serves to damp the movements of the drive device relative to the reference object for decoupling these movements from a building structure surrounding the drive device.
  • damping elements are regularly used, for example, to drive devices for sliding doors to avoid disturbing noises.
  • the invention advantageously uses such a damping element in order to detect torques and forces acting on a drive apparatus and generated by the drive apparatus. In this case, the invention utilizes that such torques and forces cause deformations of the damping element, the nature and extent of which depend on the torques and forces and whose detection and evaluation therefore makes it possible to determine the torques and forces.
  • the invention extends the usual function of Nes damping element therefore an additional function for determining torques and forces on a drive device.
  • the inventive measuring device requires in particular no or only a very small additional space and thus allows a particularly space-saving determination of torques and forces on such drive devices.
  • An embodiment of the invention provides that the damping element is at least partially made of a polyurethane and / or a rubber, in particular a hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber.
  • This embodiment of the invention allows a harnesselasti ⁇ cal and aging resistant damping element.
  • the high elasticity of the damping element is advantageous because it allows large and thus easily and precisely detectable Verformun ⁇ gene of the damping element.
  • the aging resistance of the damping element advantageously reduces the Repara ⁇ ture and maintenance requirements for the measuring device.
  • a further embodiment of the invention provides that the damping element has at least one detection region, which is made of a damping material having a dependent on a mechanical stress physical property, and that the sensor has a sensor for Er ⁇ Constitution of this physical property.
  • This embodiment of the invention gives the material of the
  • a further embodiment of the aforementioned embodiment of the invention provides that at least one detection area is made of a piezoresistive damping material and the sensor system has a sensor for detecting an electrical resistance of the detection area.
  • This refinement advantageously uses the piezoresistive effect for detecting mechanical stresses in the damping element.
  • a piezoresistive damping mate rial ⁇ from a mixture of an elastically deformable base material and an electrically conductive filler material.
  • the electrically conductive additional material contains, for example, metal particles and / or carbon and / or nanotubes.
  • Characterized piezoresistive detection areas can be produced by a localized admixture of suitable additives Mate ⁇ rials to a base material of the damping element targeted.
  • At least one detection region is made of a damping material that has an optical property that depends on a mechanical stress, and that the sensor system has a sensor for detecting this optical property.
  • This further designing takes advantage of mechanical stresses in the damping element-dependent optical properties ⁇ properties of a suitable damping material.
  • At least one detection region is produced from a damping material which has a birefringence which is dependent on a mechanical voltage
  • the sensor system has a lighting unit for illuminating the detection region with polarized light and a sensor for detecting polarization emerging from the detection region.
  • at least one detection area is made of a damping material which contains a plastic birefringent as a function of a mechanical stress.
  • This further designing utilizes advantageous that the Dop ⁇ pelbrechung of light depends in a suitable material of a mechanical stress in the material.
  • at least one detection region is made of a damping material which has a magnetic property dependent on a mechanical stress or a speed of sound dependent on a mechanical stress, and in that the sensor system comprises a sensor to detect this magnetic property or the speed of sound.
  • these embodiments of the invention make use of the fact that magnetic properties or the speed of sound in a suitable material depend on a mechanical stress in the material.
  • a further alternative or additional embodiment of the invention provides that either the damping element is connected to an integral with the reference object kausele ⁇ element and the sensor is designed to detect relative movement of the connecting element relative to the drive ⁇ device, or that the damping element with a firmly connected to the drive device connecting element is connected and the sensor is designed to detect relative movements of the connecting element relative to the reference object.
  • This embodiment of the invention utilizes that deformations of the damping element lead to relative movements of a connecting element connected to the damping element relative to the drive device or the reference object, if the connecting element is fixedly connected to the reference object or the drive device.
  • the connecting element moves as far relative to the drive device or the reference object until the torques and / or forces are compensated on the drive device of the elastic deformation of the damping element.
  • the connecting element preferably has at least one measuring zone and the sensor system has a measuring zone sensor associated with each measuring zone for each measuring zone, wherein the measuring zone and the measuring zone sensor are designed such that a change in position of the measuring zone with respect to either
  • the non-contact detection of the changes in position of a measuring zone in relation to a measuring zone sensor advantageously enables a largely friction and wear-free detection of the changes in position.
  • At least one measuring zone sensor is preferably an inductive sensor which is assigned to an electrically conductive measuring zone, or a capacitive sensor which is assigned to a measuring zone influencing a capacitance of the capacitive sensor, or an optical displacement sensor which is assigned to a measuring zone optically detected by it.
  • the invention further provides, in particular, a measuring device according to the invention for detecting torques and Forces on a drive device of a belt drive, in particular a belt drive a sliding door to ver ⁇ turn.
  • FIG. 1 shows a side view of a drive device and a measuring device for detecting forces and torques on the drive device, schematically a first embodiment of a measuring device for detecting forces and torques on a drive device in a front view, a side view of a damping element of a shown in FIG Measuring device, and a second embodiment of a measuring device for detecting forces and torques on a drive device in a front view.
  • 1 shows a side view of a drive device 1 for a belt drive and a measuring device 3 for Erfas ⁇ sung of forces and torques on the drive device.
  • the driving device 1 includes a motor 5 having a motor shaft 7, an arranged on the motor shaft 7 belt ticket ⁇ be 9, and a motor flange 11, to which the measuring device 3 is attached.
  • the rotation axis 12 of the motor shaft 7 defines an axial direction.
  • the pulley 9 and the Messvor ⁇ direction 3 are arranged on axially opposite sides of the motor 5.
  • 1 also shows a reference object 13 to which the drive device 1 and the measuring device 3 are attached.
  • the reference object 13 is for example a wall or a spatially fixed holder for the drive device 1.
  • the measuring device 3 comprises an elastically deformable
  • Damping element 15, which is arranged between the drive device 1 and a reference object 13 and coupled to the drive ⁇ device 1 and the reference object 13, and a connecting element 17 which is disposed between the damping element 15 and the reference object 13. Furthermore, the measuring device 3 comprises a not shown in FIG 1
  • Sensor system 39 for detecting deformations of the damping element 15 and an evaluation unit 19, not shown in FIG. 1, for determining forces and torques on the drive device 1 on the basis of sensor-detected deformations of the damping element 15, see FIG.
  • Both the damping element 15 and the Vietnamesesele ⁇ element 17 are formed substantially plate-shaped and have axial expansions, which are each less than their dimensions in each direction perpendicular to the axial direction.
  • the damping element 15 is supply elements by means of a plurality of first fastening 21, which are formed for example as screw elements of ⁇ fixed to the motor flange. 11 Furthermore, the damping element 15 and the connecting member 17 are fixed by means of a plurality of second fastening elements 23, which are also play designed as screw elements at ⁇ , conference object to the re-. 13 2 schematically shows a first embodiment of the measuring device 3 in a view from the front, ie from the perspective of the drive device 1.
  • the damping element 15 is formed substantially parallelepiped ⁇ . It has a first axial communication hole 25 for receiving a first Befest Trentsele ⁇ ments 21 and a second axial connecting hole 27 for acceptance on ⁇ a second fastening element 23 in each corner region.
  • the damping element 15 has a plurality of detection regions 29, which are each made of a damping material which has a physical property dependent on a mechanical stress.
  • the sensor 39 of the measuring device 3 has for each detection area 29 a sensor 31, shown only schematically, for detecting this physical property, which is connected to the evaluation unit 19. Outside the detection regions 29, the damping element 15 is made of a highly elastic base material, for example of a polyurethane and / or a rubber, in particular a hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber.
  • the detection regions 29 are preferably regions of the damping element 15 in which caused by torques and forces on the drive device 1 deformations of the damping element 15 cause particularly large mechanical stresses.
  • these are regions in the vicinity of the first connection holes 25, since these regions are connected to radial edge regions of the drive device 1, which undergo particularly large changes in position due to axial torques.
  • two detection areas 29 are arranged at sides of a first connection hole 25 which are offset by 90 degrees relative to one another, so that me ⁇ chanic stresses acting advantageously in different directions can be detected.
  • a first embodiment of an embodiment shown in FIG 2 ⁇ measuring device 3 provides that the detection areas 29 are each made of a piezoresistive ⁇ wells damping material and the sensors 31 one detection region 29 are formed in each case for detecting a see electrical resistance.
  • the piezoresistive damping material consists at ⁇ play, of a mixture of the base material from which the remaining portions of the damping element 15 are made, and an electrically conductive filler material, the examples game as metal particles and / or carbon and / or norschreiben Na for realizing piezoresistive properties the detection areas 29 contains.
  • a second embodiment of a measuring device 3 shown in FIG 2 provides that the detection regions 29 are each made of a damping material having an optical property dependent on a mechanical stress, and the sensors 31 are designed to detect this op ⁇ tical property.
  • this damping material has a birefringence dependent on a mechanical stress and the sensor system 39 comprises a lighting unit for illuminating the detection area 29 with polarized light and a sensor 31 for detecting light emerging from the detection area 29.
  • the damping material contains, for example, a birefringent depending on a mechanical stress plastic.
  • a third exemplary embodiment of a measuring device 3 shown in FIG. 2 provides that the detection regions 29 are each made of a damping material which has a magnetic property which is dependent on a mechanical stress, and the sensors 31 are designed to detect this magnetic property.
  • a fourth embodiment of a shown in FIG. 2 provides that the detection regions 29 are each made of a damping material which has a magnetic property which is dependent on a mechanical stress, and the sensors 31 are designed to detect this magnetic property.
  • Measuring device 3 provides that the detection regions 29 are each made of a damping material which has a speed of sound dependent on a mechanical stress. speed, and the sensors 31 are designed to detect the speed of sound ⁇ .
  • FIG. 3 shows a side view of a damping element 15 of a measuring device shown in Figure 2 3.
  • the side view shows the positions of the detection areas 29 and Verbin ⁇ dung holes 25, 27 and an optional recess 34 in the damping element 15 for the motor flange 11.
  • Figure 4 schematically shows a second embodiment of the measuring device 3 in a view from the front, ie from the perspective of the drive device. 1
  • the measuring device 3 comprises a fixed manner to the Referenzob- ject 13 associated first connecting element 17, a fixedly arranged with the driving device 1 and a plurality of elastic connecting webs 33 to the first connecting element 17 ver ⁇ bundenes second connecting member 35 and between the two connecting elements 17, 35 elastically deformable damping element 15, which is connected to both connection ⁇ elements 17, 35th
  • the first connecting element 17 is designed essentially as a cuboidal plate and has in each corner region a second axial connecting hole 27 for receiving a second fastening element 23 for attachment to the reference object 13.
  • the second connecting element 35 and the damping element 15 are each substantially hufei ⁇ senförmig formed and arranged opposite the first connecting element 17 such that they form an axial Korri ⁇ dor 37 between a central region of the first connecting element 17 and the drive device 1.
  • the sensor 39 is designed to detect relative movements of the first link member 17 relative to the drive ⁇ device.
  • the first connection element 17 ⁇ a measurement zone 41 and the sensor 39 has ei ⁇ NEN the measurement zone 41 associated measurement zone sensor 43.
  • the Measuring zone sensor 43 is spatially fixed to the drive device 1, for example arranged on the motor flange 11, so that it lies axially opposite the measuring zone 41.
  • 4 shows the position of the measurement zone by a sensor 43 shown in dashed lines on the drawing plane of FIG 4 projected Kon ⁇ structure of the measuring zone sensor 43rd
  • the measurement zone of the measurement zone 41 and sensor 43 are so out ⁇ is that a change in position of the measurement zone 41 relative to the drive device 1 is berüh ⁇ rungslos detected by means of the sensor measuring zone 43rd
  • the measurement data acquired by the measuring zone sensor 43 are supplied to the evaluation unit 19 and evaluated by the latter for determining torques and forces on the drive device 1.
  • the measuring zone sensor 43 is designed, for example, as an inductive sensor.
  • the measurement zone is designed elekt ⁇ driven conductive 41, so that their movement relative to the inductive sensor, the vibration amplitudes of a
  • Oscillating circuit of the inductive sensor influenced and can be detected by the measurement and evaluation of these vibration amplitudes.
  • the measurement zone sensor 43 is implemented as a capacitive sensor.
  • the measurement zone 41 is formed as egg ⁇ ne electrode which forms a measuring electrode of the ka ⁇ pazitiven sensor a capacitor, so that the position of the measuring zone 41 affected relative to the capacitive sensor, the capacitance of the capacitor and the measurement and evaluation this capacity can be recorded.
  • the measuring zone sensor 43 is designed as an optical displacement sensor, which acquires images of the measuring zone 41, from which the position of the measuring zone 41 relative to the measuring zone sensor 43 is determined.
  • the optical displacement sensor illuminates the measurement zone 41, detected lau ⁇ fend images of the illuminated measurement zone 41 and determines by evaluating an optical flow on the principle egg ner optical mouse, the changes in position of the measuring zone 41 relative to its own position.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (3) zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung (1). Die Messvorrichtung (3) umfasst ein elastisch verformbares Dämpfungselement (15), das zwischen der Antriebsvorrichtung (1) und einem Referenzobjekt (13) angeordnet und an die Antriebsvorrichtung (1) und das Referenzobjekt (13) gekoppelt ist, eine Sensorik (39) zur Erfassung von Verformungen des Dämpfungselements (15) und eine Auswerteeinheit (19) zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung (1) anhand von sensorisch erfassten Verformungen des Dämpfungselements (15).

Description

Beschreibung
Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung. Unter Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung werden hier Kräfte und Drehmomente verstanden, die auf die An- triebsvorrichtung wirken oder von der Antriebsvorrichtung ausgeübt werden.
Derartige Kräfte und Drehmomente stellen wichtige Messgrößen an Antriebsvorrichtungen dar. Dies gilt insbesondere für An- triebsvorrichtungen von Riemengetrieben, beispielsweise von
Schiebetüren. In diesem Fall kann über die Lagerreaktionen an einer Antriebshalterung auf statische und dynamische Riemenkräfte rückgeschlossen werden. Diese wiederum können für die Installation eines Riemens, die Zustandsüberwachung und die Erkennung sicherheitskritischer Zustände genutzt werden.
Kräfte und Drehmomente an einem Motor können allgemein als Lagerreaktionen am Stator des Motors bzw. an einer Aufhängung des Motors gemessen werden. Zur Momentenmessung ist dazu das Prinzip der Pendelmaschine bekannt. Dabei wird der Stator des Motors drehbar gelagert und ein von ihm erzeugtes Drehmoment wird mittels einer Kraftmessdose gemessen.
Daneben sind feststehende Messflansche zur Drehmomentmessung bekannt, die zwischen einem Motor und einer Motorhalterung montiert werden. Diese Messflansche beruhen auf der Auswer¬ tung von Dehnungsmesstreifen auf einem definierten Verform- körper. Ein derartiger Messflansch muss mehrere Zentimeter lang sein, damit eine ausreichend große Verformung eintritt. Solche Messvorrichtungen lassen sich aufgrund ihrer Abmessungen und Kosten nur bedingt in Antriebsvorrichtungen wie Antriebsvorrichtungen von Riemengetrieben integrieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung, insbesondere an einer Antriebsvorrichtung eines Riemengetriebes, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung umfasst ein elastisch verformbares Dämpfungselement, das zwischen der An¬ triebsvorrichtung und einem Referenzobjekt angeordnet und an die Antriebsvorrichtung und das Referenzobjekt gekoppelt ist. Ferner umfasst die Messvorrichtung eine Sensorik zur Erfassung von Verformungen des Dämpfungselements und eine Auswer¬ teeinheit zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung anhand von sensorisch erfassten Verformungen des Dämpfungselements.
Das Referenzobjekt ist dabei beispielsweise eine Wand oder Halterung für die Antriebsvorrichtung. Das Dämpfungselement dient der Dämpfung der Bewegungen der Antriebsvorrichtung relativ zu dem Referenzobjekt zur Entkopplung dieser Bewegungen von einer die Antriebsvorrichtung umgebenden Baustruktur. Derartige Dämpfungselemente werden regelmäßig beispielsweise an Antriebsvorrichtungen für Schiebetüren eingesetzt, um störende Geräusche zu vermeiden. Die Erfindung nutzt ein derartiges Dämpfungselement vorteilhaft, um auf eine Antriebsvor¬ richtung wirkende und von der Antriebsvorrichtung erzeugte Drehmomente und Kräfte zu erfassen. Dabei nutzt die Erfindung aus, dass derartige Drehmomente und Kräfte Verformungen des Dämpfungselementes verursachen, deren Art und Ausmaß von den Drehmomenten und Kräften abhängen und deren Erfassung und Auswertung daher die Bestimmung der Drehmomente und Kräfte ermöglicht. Die Erfindung erweitert die übliche Funktion ei- nes Dämpfungselements daher um eine zusätzliche Funktion zur Ermittlung von Drehmomenten und Kräften an einer Antriebsvorrichtung. An Antriebsvorrichtungen, an denen ohnehin ein Dämpfungselement vorgesehen ist, erfordert die erfindungsge- mäße Messvorrichtung insbesondere keinen oder einen nur sehr geringen zusätzlichen Bauraum und ermöglicht somit eine besonders platzsparende Ermittlung von Drehmomenten und Kräften an derartigen Antriebsvorrichtungen. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Dämpfungselement zumindest teilweise aus einem Polyurethan und/oder einem Kautschuk, insbesondere einem hydrierten Ac- rylnitrilbutadien-Kautschuk, gefertigt ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht ein hochelasti¬ sches und alterungsbeständiges Dämpfungselement. Die hohe Elastizität des Dämpfungselements ist vorteilhaft, da sie große und damit einfach und präzise detektierbare Verformun¬ gen des Dämpfungselements ermöglicht. Die Alterungsbeständig- keit des Dämpfungselements reduziert vorteilhaft den Repara¬ tur- und Wartungsbedarf für die Messvorrichtung.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Dämpfungselement wenigstens einen Detektionsbereich aufweist, der aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt ist, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige physikalische Eigenschaft aufweist, und dass die Sensorik einen Sensor zur Er¬ fassung dieser physikalischen Eigenschaft aufweist. Diese Ausgestaltung der Erfindung verleiht dem Material des
Dämpfungselements sensorische Eigenschaften und reduziert da¬ mit vorteilhaft den Aufwand für die Sensorik der Messvorrichtung. Dabei wird ausgenutzt, dass Verformungen des Dämpfungs¬ elements mechanische Spannungen in dem Dämpfungselement ver- Ursachen, die eine physikalische Eigenschaft eines geeigneten Dämpfungsmaterials beeinflussen und daher durch eine Messung dieser Eigenschaft erfasst werden können. Eine Weitergestaltung der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Detektionsbereich aus einem piezoresistiven Dämpfungsmaterial gefertigt ist und die Sensorik einen Sensor zur Erfassung eines elektrischen Wider- Stands des Detektionsbereichs aufweist.
Diese Weitergestaltung nutzt vorteilhaft den piezoresistiven Effekt zur Erfassung mechanischer Spannungen in dem Dämpfungselement .
Vorzugsweise besteht dabei das piezoresistive Dämpfungsmate¬ rial aus einer Mischung eines elastisch verformbaren Basismaterials und eines elektrisch leitfähigen Zusatzmaterials. Das elektrisch leitfähige Zusatzmaterial enthält beispielsweise Metallpartikel und/oder Kohlenstoff und/oder Nanoröhren.
Dadurch können gezielt piezoresistive Detektionsbereiche durch eine lokal begrenzte Beimischung geeigneten Zusatzmate¬ rials zu einem Basismaterial des Dämpfungselements erzeugt werden.
Eine alternative oder zusätzliche Weitergestaltung der oben genannten Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Detektionsbereich aus einem Dämpfungsmaterial gefer- tigt ist, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige optische Eigenschaft aufweist, und dass die Sensorik einen Sensor zur Erfassung dieser optischen Eigenschaft aufweist.
Diese Weitergestaltung nutzt vorteilhaft von mechanischen Spannungen in dem Dämpfungselement abhängige optische Eigen¬ schaften eines geeigneten Dämpfungsmaterials.
Vorzugsweise ist dabei wenigstens ein Detektionsbereich aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt, das eine von einer mecha- nischen Spannung abhängige Doppelbrechung aufweist, und die Sensorik weist eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Detektionsbereichs mit polarisiertem Licht und einen Sensor zur Erfassung aus dem Detektionsbereich austretenden polari- sierten Lichts auf. Beispielsweise ist wenigstens ein Detek- tionsbereich aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt, das einen in Abhängigkeit von einer mechanischen Spannung doppelbrechenden Kunststoff enthält.
Diese Weitergestaltung nutzt vorteilhaft aus, dass die Dop¬ pelbrechung von Licht in einem geeigneten Material von einer mechanischen Spannung in dem Material abhängt. Weitere alternative oder zusätzliche Weitergestaltungen der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung sehen vor, dass wenigstens ein Detektionsbereich aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt ist, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige magnetische Eigenschaft oder eine von einer mechani- sehen Spannung abhängige Schallgeschwindigkeit aufweist, und dass die Sensorik einen Sensor zur Erfassung dieser magnetischen Eigenschaft bzw. der Schallgeschwindigkeit aufweist.
Diese Weitergestaltungen der Erfindung nutzen vorteilhaft aus, dass magnetische Eigenschaften oder die Schallgeschwindigkeit in einem geeigneten Material von einer mechanischen Spannung in dem Material abhängen.
Eine weitere alternative oder zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass entweder das Dämpfungselement mit einem fest mit dem Referenzobjekt verbundenen Verbindungsele¬ ment verbunden ist und die Sensorik zur Erfassung von Relativbewegungen des Verbindungselements gegenüber der Antriebs¬ vorrichtung ausgebildet ist, oder dass das Dämpfungselement mit einem fest mit der Antriebsvorrichtung verbundenen Verbindungselement verbunden ist und die Sensorik zur Erfassung von Relativbewegungen des Verbindungselements gegenüber dem Referenzobjekt ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung nutzt aus, dass Verformungen des Dämpfungselements zu Relativbewegungen eines mit dem Dämpfungselement verbundenen Verbindungselements gegenüber der Antriebsvorrichtung bzw. dem Referenzobjekt führen, wenn das Verbindungselement fest mit dem Referenzobjekt bzw. der Antriebsvorrichtung verbunden ist. Dabei bewegt sich das Verbindungselement soweit relativ zu der Antriebsvorrichtung bzw. dem Referenzobjekt bis die Drehmomente und/oder Kräfte an der Antriebsvorrichtung von der elastischen Verformung des Dämpfungselements kompensiert werden. Diese Relativbewegungen sind daher ein Maß für die Drehmomente und Kräfte an der An¬ triebsvorrichtung und ihre Erfassung und Auswertung ermöglicht damit die Ermittlung dieser Drehmomente und Kräfte.
Dabei weist das Verbindungselement vorzugsweise wenigstens eine Messzone auf und die Sensorik weist für jede Messzone einen dieser Messzone zugeordneten Messzonensensor auf, wobei die Messzone und der Messzonensensor derart ausgebildet sind, dass eine Lageänderung der Messzone gegenüber entweder der
Antriebsvorrichtung oder dem Referenzobjekt mittels des Mess¬ zonensensors berührungslos erfassbar ist.
Die berührungslose Erfassung der Lageänderungen einer Messzo- ne gegenüber einem Messzonensensor ermöglicht dabei vorteilhaft eine weitgehend reibungs- und verschleißfreie Erfassung der Lageänderungen.
Vorzugsweise ist ferner wenigstens ein Messzonensensor ein induktiver Sensor, der einer elektrisch leitfähigen Messzone zugeordnet ist, oder ein kapazitiver Sensor, der einer eine Kapazität des kapazitiven Sensors beeinflussenden Messzone zugeordnet ist, oder ein optischer Verlagerungssensor, der einer von ihm optisch erfassten Messzone zugeordnet ist.
Diese Weitergestaltungen der Erfindung ermöglichen vorteilhaft die Verwendung kommerziell verfügbarer berührungsloser induktiver, kapazitiver und/oder optischer Sensoren als Messzonensensoren und damit eine kostengünstige Realisierung der Sensorik.
Die Erfindung sieht ferner insbesondere vor, eine erfindungs¬ gemäße Messvorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten und Kräften an einer Antriebsvorrichtung eines Riemengetriebes, insbesondere eines Riemengetriebes einer Schiebetür, zu ver¬ wenden . Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu- tert werden. Dabei zeigen: eine Seitenansicht einer Antriebsvorrichtung und einer Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung, schematisch eine erste Ausführungsform einer Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung in einer Ansicht von vorne , eine Seitenansicht eines Dämpfungselements einer in FIG 2 gezeigten Messvorrichtung, und eine zweite Ausführungsform einer Messvorrichtung zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung in einer Ansicht von vorne.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Seitenansicht einer Antriebsvorrichtung 1 für ein Riemengetriebe und eine Messvorrichtung 3 zur Erfas¬ sung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung 1.
Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst einen Motor 5 mit einer Motorwelle 7, eine an der Motorwelle 7 angeordnete Riemenschei¬ be 9 und einen Motorflansch 11, an dem die Messvorrichtung 3 befestigt ist. Die Drehachse 12 der Motorwelle 7 definiert eine axiale Richtung. Die Riemenscheibe 9 und die Messvor¬ richtung 3 sind an sich axial gegenüber liegenden Seiten des Motors 5 angeordnet. FIG 1 zeigt außerdem ein Referenzobjekt 13, an dem die Antriebsvorrichtung 1 und die Messvorrichtung 3 befestigt sind. Das Referenzobjekt 13 ist beispielsweise eine Wand oder eine räumlich fixierte Halterung für die Antriebsvorrichtung 1. Die Messvorrichtung 3 umfasst ein elastisch verformbares
Dämpfungselement 15, das zwischen der Antriebsvorrichtung 1 und einem Referenzobjekt 13 angeordnet und an die Antriebs¬ vorrichtung 1 und das Referenzobjekt 13 gekoppelt ist, und ein Verbindungselement 17, das zwischen dem Dämpfungselement 15 und dem Referenzobjekt 13 angeordnet ist. Ferner umfasst die Messvorrichtung 3 eine in FIG 1 nicht dargestellte
Sensorik 39 zur Erfassung von Verformungen des Dämpfungselements 15 und eine in FIG 1 nicht dargestellte Auswerteeinheit 19 zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der An- triebsvorrichtung 1 anhand von sensorisch erfassten Verformungen des Dämpfungselements 15, siehe dazu FIG 2.
Sowohl das Dämpfungselement 15 als auch das Verbindungsele¬ ment 17 sind im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weisen axiale Ausdehnungen auf, die jeweils geringer als ihre Ausdehnungen in jeder zu der axialen Richtung senkrechten Richtung sind.
Das Dämpfungselement 15 ist mittels mehrerer erster Befesti- gungselemente 21, die beispielsweise als Schraubelemente aus¬ gebildet sind, an dem Motorflansch 11 befestigt. Ferner sind das Dämpfungselement 15 und das Verbindungselement 17 mittels mehrerer zweiter Befestigungselemente 23, die ebenfalls bei¬ spielsweise als Schraubelemente ausgebildet sind, an dem Re- ferenzobjekt 13 befestigt. FIG 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Messvorrichtung 3 in einer Ansicht von vorne, d. h. aus Sicht der Antriebsvorrichtung 1. Das Dämpfungselement 15 ist im Wesentlichen quaderförmig aus¬ gebildet. Es weist in jedem Eckbereich ein erstes axiales Verbindungsloch 25 zur Aufnahme eines ersten Befestigungsele¬ ments 21 und ein zweites axiales Verbindungsloch 27 zur Auf¬ nahme eines zweiten Befestigungselements 23 auf.
Ferner weist das Dämpfungselement 15 mehrere Detektionsberei- che 29 auf, die jeweils aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt sind, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige physikalische Eigenschaft aufweist. Die Sensorik 39 der Messvor- richtung 3 weist für jeden Detektionsbereich 29 einen nur schematisch dargestellten Sensor 31 zur Erfassung dieser physikalischen Eigenschaft auf, der mit der Auswertungseinheit 19 verbunden ist. Außerhalb der Detektionsbereiche 29 ist das Dämpfungselement 15 aus einem hochelastischen Basismaterial, beispielsweise aus einem Polyurethan und/oder einem Kautschuk, insbesondere einem hydrierten Acrylnitrilbutadien- Kautschuk, gefertigt.
Die Detektionsbereiche 29 sind vorzugsweise Bereiche des Dämpfungselements 15, in denen durch Drehmomente und Kräfte an der Antriebsvorrichtung 1 verursachte Verformungen des Dämpfungselements 15 besonders große mechanische Spannungen hervorrufen. Im in FIG 2 gezeigten Beispiel sind dies Bereiche in der Nähe der ersten Verbindungslöcher 25, da diese Be- reiche mit radialen Randbereichen der Antriebsvorrichtung 1 verbunden sind, die durch axiale Drehmomente besonders große Lageänderungen erfahren. In diesen Bereichen sind jeweils zwei Detektionsbereiche 29 an um 90 Grad gegeneinander ver¬ setzten Seiten eines ersten Verbindungslochs 25 angeordnet, so dass vorteilhaft in verschiedene Richtungen wirkende me¬ chanische Spannungen erfasst werden können. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer in FIG 2 gezeigten Mess¬ vorrichtung 3 sieht vor, dass die Detektionsbereiche 29 je¬ weils aus einem piezoresistiven Dämpfungsmaterial gefertigt sind und die Sensoren 31 jeweils zur Erfassung eines elektri- sehen Widerstands eins Detektionsbereichs 29 ausgebildet sind. Das piezoresistive Dämpfungsmaterial besteht dabei bei¬ spielsweise aus einer Mischung des Basismaterials, aus dem die übrigen Bereiche des Dämpfungselements 15 gefertigt sind, und eines elektrisch leitfähigen Zusatzmaterials, das bei- spielsweise Metallpartikel und/oder Kohlenstoff und/oder Na- noröhren zur Realisierung piezoresistiver Eigenschaften der Detektionsbereiche 29 enthält.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer in FIG 2 gezeigten Messvorrichtung 3 sieht vor, dass die Detektionsbereiche 29 jeweils aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt sind, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige optische Eigenschaft aufweist, und die Sensoren 31 zur Erfassung dieser op¬ tischen Eigenschaft ausgebildet sind. Beispielsweise weist dieses Dämpfungsmaterial eine von einer mechanischen Spannung abhängige Doppelbrechung auf und die Sensorik 39 umfasst eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Detektionsbereichs 29 mit polarisiertem Licht und einen Sensor 31 zur Erfassung aus dem Detektionsbereich 29 austretenden Lichts. Dabei enthält das Dämpfungsmaterial beispielsweise einen in Abhängigkeit von einer mechanischen Spannung doppelbrechenden Kunststoff.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer in FIG 2 gezeigten Messvorrichtung 3 sieht vor, dass die Detektionsbereiche 29 jeweils aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt sind, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige magnetische Eigenschaft aufweist, und die Sensoren 31 zur Erfassung dieser magnetischen Eigenschaft ausgebildet sind. Ein viertes Ausführungsbeispiel einer in FIG 2 gezeigten
Messvorrichtung 3 sieht vor, dass die Detektionsbereiche 29 jeweils aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt sind, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige Schallgeschwindig- keit aufweist, und die Sensoren 31 zur Erfassung der Schall¬ geschwindigkeit ausgebildet sind.
FIG 3 zeigt eine Seitenansicht eines Dämpfungselements 15 ei- ner in FIG 2 gezeigten Messvorrichtung 3. Die Seitenansicht stellt die Positionen der Detektionsbereiche 29 und Verbin¬ dungslöcher 25, 27 sowie einer optionalen Ausnehmung 34 in dem Dämpfungselement 15 für den Motorflansch 11 dar. FIG 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Messvorrichtung 3 in einer Ansicht von vorne, d. h. aus Sicht der Antriebsvorrichtung 1.
Die Messvorrichtung 3 umfasst ein fest mit dem Referenzob- jekt 13 verbundenes erstes Verbindungselement 17, ein fest mit der Antriebsvorrichtung 1 und über mehrere elastische Verbindungsstege 33 mit dem ersten Verbindungselement 17 ver¬ bundenes zweites Verbindungselement 35 und ein zwischen den beiden Verbindungselementen 17, 35 angeordnetes elastisch verformbares Dämpfungselement 15, das mit beiden Verbindungs¬ elementen 17, 35 verbunden ist.
Das erste Verbindungselement 17 ist im Wesentlichen als eine quaderförmige Platte ausgebildet und weist in jedem Eckbe- reich ein zweites axiales Verbindungsloch 27 zur Aufnahme eines zweiten Befestigungselements 23 zur Befestigung an dem Referenzobjekt 13 auf. Das zweite Verbindungselement 35 und das Dämpfungselement 15 sind im Wesentlichen jeweils hufei¬ senförmig ausgebildet und gegenüber dem ersten Verbindungs- element 17 derart angeordnet, dass sie einen axialen Korri¬ dor 37 zwischen einem Mittelbereich des ersten Verbindungselements 17 und der Antriebsvorrichtung 1 ausbilden.
Ferner ist die Sensorik 39 zur Erfassung von Relativbewegun- gen des ersten Verbindungselements 17 gegenüber der Antriebs¬ vorrichtung 1 ausgebildet. Dazu weist das erste Verbindungs¬ element 17 eine Messzone 41 auf und die Sensorik 39 weist ei¬ nen der Messzone 41 zugeordneten Messzonensensor 43 auf. Der Messzonensensor 43 ist räumlich zu der Antriebsvorrichtung 1 fixiert, beispielsweise an dem Motorflansch 11 angeordnet, so dass er der Messzone 41 axial gegenüber liegt. FIG 4 zeigt die Position des Messzonensensors 43 durch eine gestrichelt dargestellte auf die Zeichenebene der FIG 4 projizierte Kon¬ tur des Messzonensensors 43.
Die Messzone 41 und der Messzonensensor 43 sind derart ausge¬ bildet, dass eine Lageänderung der Messzone 41 gegenüber der Antriebsvorrichtung 1 mittels des Messzonensensors 43 berüh¬ rungslos erfassbar ist. Die von dem Messzonensensor 43 er- fassten Messdaten werden der Auswerteeinheit 19 zugeführt und von dieser zur Ermittlung von Drehmomenten und Kräften an der Antriebsvorrichtung 1 ausgewertet.
Der Messzonensensor 43 ist beispielsweise als ein induktiver Sensor ausgeführt. In diesem Fall ist die Messzone 41 elekt¬ risch leitfähig gestaltet, so dass ihre Bewegung relativ zu dem induktiven Sensor die Schwingungsamplituden eines
Schwingkreises des induktiven Sensors beeinflusst und durch die Messung und Auswertung dieser Schwingungsamplituden er- fasst werden kann.
Alternativ ist der Messzonensensor 43 als ein kapazitiver Sensor ausgeführt. In diesem Fall ist die Messzone 41 als ei¬ ne Elektrode ausgebildet, die mit einer Messelektrode des ka¬ pazitiven Sensors einen Kondensator bildet, so dass die Lage der Messzone 41 relativ zu dem kapazitiven Sensor die Kapazität des Kondensators beeinflusst und durch die Messung und Auswertung dieser Kapazität erfasst werden kann.
Alternativ ist der Messzonensensor 43 als ein optischer Verlagerungssensor ausgeführt, der Bilder der Messzone 41 erfasst, aus denen die Lage der Messzone 41 relativ zu dem Messzonensensor 43 ermittelt wird. Beispielsweise beleuchtet der optische Verlagerungssensor die Messzone 41, erfasst lau¬ fend Bilder der beleuchteten Messzone 41 und ermittelt daraus durch Auswertung eines optischen Flusses nach dem Prinzip ei- ner optischen Maus die Lageänderungen der Messzone 41 relativ zu seiner eigenen Position.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs- beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (3) zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung (1), die Messvorrichtung (3) umfassend
ein elastisch verformbares Dämpfungselement (15), das zwischen der Antriebsvorrichtung (1) und einem Referenzobjekt (13) angeordnet und an die Antriebsvorrichtung (1) und das Referenzobjekt (13) gekoppelt ist,
- eine Sensorik (39) zur Erfassung von Verformungen des
Dämpfungselements (15),
und eine Auswerteeinheit (19) zur Ermittlung von Kräften und Drehmomenten an der Antriebsvorrichtung (1) anhand von sensorisch erfassten Verformungen des Dämpfungsele- ments (15) .
2. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (15) zumin¬ dest teilweise aus einem Polyurethan und/oder einem Kaut- schuk, insbesondere einem hydrierten Acrylnitrilbutadien- Kautschuk, gefertigt ist.
3. Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (15) we¬ nigstens einen Detektionsbereich (29) aufweist, der aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt ist, das eine von einer mechani¬ schen Spannung abhängige physikalische Eigenschaft aufweist, und dass die Sensorik (39) einen Sensor (31) zur Erfassung dieser physikalischen Eigenschaft aufweist.
4. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbereich (29) aus einem piezoresistiven Dämpfungsmaterial gefertigt ist und die Sensorik (39) einen Sensor (31) zur Erfassung eines elektrischen Widerstands des Detektionsbereichs (29) auf¬ weist.
5. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das piezoresistive Dämpfungsma¬ terial aus einer Mischung eines elastisch verformbaren Basismaterials und eines elektrisch leitfähigen Zusatzmaterials besteht.
6. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Zu¬ satzmaterial Metallpartikel und/oder Kohlenstoff und/oder Na- noröhren enthält.
7. Messvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbereich (29) aus einem Dämpfungsmaterial, das eine von einer mechani- sehen Spannung abhängige optische Eigenschaft aufweist, ge¬ fertigt ist und die Sensorik (39) einen Sensor (31) zur Erfassung dieser optischen Eigenschaft aufweist.
8. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbereich (29) aus einem Dämpfungsmaterial, das eine von einer mechani¬ schen Spannung abhängige Doppelbrechung aufweist, gefertigt ist und die Sensorik (39) eine Beleuchtungseinheit zur Be¬ leuchtung des Detektionsbereichs (29) mit polarisiertem Licht und einen Sensor (31) zur Erfassung aus dem Detektionsbereich (29) austretenden polarisierten Lichts aufweist.
9. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbereich (29) aus einem Dämpfungsmaterial gefertigt ist, dass einen in Abhängigkeit von einer mechanischen Spannung doppelbrechenden Kunststoff enthält.
10. Messvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbe¬ reich (29) aus einem Dämpfungsmaterial, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige magnetische Eigenschaft auf- weist, gefertigt ist und die Sensorik (39) einen Sensor (31) zur Erfassung dieser magnetischen Eigenschaft aufweist.
11. Messvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Detektionsbe- reich (29) aus einem Dämpfungsmaterial, das eine von einer mechanischen Spannung abhängige Schallgeschwindigkeit auf¬ weist, gefertigt ist und die Sensorik (39) einen Sensor (31) zur Erfassung der Schallgeschwindigkeit aufweist.
12. Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass entweder das Dämpfungselement (15) mit einem fest mit dem Referenzobjekt (13) verbundenen Verbindungselement (17) verbunden ist und die Sensorik (39) zur Erfassung von Relativbewegungen des Verbindungselements (17) gegenüber der Antriebsvorrichtung (1) ausgebildet ist, oder dass das Dämpfungselement (15) mit einem fest mit der Antriebsvorrichtung (1) verbundenen Verbindungselement (35) verbunden ist und die Sensorik (39) zur Erfassung von Relativbewegungen des Verbindungselements (35) gegenüber dem Re¬ ferenzobjekt (13) ausgebildet ist.
13. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (17, 35) wenigstens eine Messzone (41) aufweist und die Sensorik (39) für jede Messzone (41) einen dieser Messzone (41) zugeordne¬ ten Messzonensensor (43) aufweist, wobei die Messzone (41) und der Messzonensensor (43) derart ausgebildet sind, dass eine Lageänderung der Messzone (41) gegenüber entweder der
Antriebsvorrichtung (1) oder dem Referenzobjekt (13) mittels des Messzonensensors (43) berührungslos erfassbar ist.
14. Messvorrichtung (3) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messzonensensor (43)
ein induktiver Sensor ist und einer elektrisch leitfähigen Messzone (41) zugeordnet ist, oder ein kapazitiver Sensor ist und einer eine Kapazität des kapazitiven Sensors beeinflussenden Messzone (41) zu geordnet ist,
oder ein optischer Verlagerungssensor ist und einer von ihm optisch erfassten Messzone (41) zugeordnet ist.
15. Verwendung einer Messvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten an einer Antriebsvorrichtung (1) eines Riemengetriebes, insbesondere eines Riemengetriebes einer Schiebetür.
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