DE102012214229A1 - Gear machine with force sensor in the form of a piezo film - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zahnradmaschine (10) mit wenigstens zwei Zahnrändern, die im Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die wenigstens zwei Zahnräder von einem Gehäuse (31) mit einem Niederdruck- und einem Hochdruckanschluss (32; 33) umgeben sind, wobei jedes Zahnrad wenigstens einen Lagerzapfen aufweist, der in einem zugeordneten Lagerkörper (50) drehbar gelagert ist, welcher in dem Gehäuse (31) bezüglich der Drehachse (63) des zugeordneten Zahnrades gleitbeweglich aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Lagerkörper (50) und dem Gehäuse (31) wenigstens eine Piezofolie (70) angeordnet.The invention relates to a gear machine (10) with at least two tooth edges which mesh with one another in external engagement, the at least two gear wheels being surrounded by a housing (31) with a low pressure and a high pressure connection (32; 33), each gear wheel having at least one Has bearing journal which is rotatably mounted in an associated bearing body (50) which is slidably received in the housing (31) with respect to the axis of rotation (63) of the associated gear. According to the invention, at least one piezo film (70) is arranged between the bearing body (50) and the housing (31).
Description
Die Erfindung betrifft eine Zahnradmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a gear machine according to the preamble of claim 1.
Aus der
Jedes Zahnrad weist zwei kreiszylindrische Lagerzapfen auf, wobei einer der Lagerzapfen als Antriebszapfen aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Auf beiden Seiten der Zahnräder befindet sich je ein Lagerkörper, in dem die genannten Lagerzapfen drehbar gelagert sind. Die Lagerzapfen sind in Richtung der Drehachse gleitbeweglich in dem Hauptkörper aufgenommen, wobei sie von Druckfluid gegen die Seitenflächen der Zahnräder gedrückt werden, um dort eine Abdichtung zu bewirken. Each gear has two circular cylindrical bearing pin, wherein one of the bearing pins are led out as a drive pin out of the housing. On both sides of the gears is ever a bearing body in which said bearing journals are rotatably mounted. The trunnions are slidably received in the main body in the direction of the rotation axis, being pressed against the side surfaces of the gears by pressurized fluid to effect sealing there.
Der Hauptkörper ist mit einem Piezosensor versehen, welcher den Druck des Druckfluids im Inneren des Gehäuses messen kann. The main body is provided with a piezo sensor which can measure the pressure of the pressurized fluid inside the housing.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zahnradpumpe anzugeben, welche einen Sensor aufweist, welcher unmittelbar die Kraft messen kann, welche auf die Zahnräder einwirkt. Weiter soll dieser Sensor besonders einfach ausgeführt sein. Darüber hinaus soll der Sensor möglichst wenig Bauraum beanspruchen, wobei sich insbesondere die Außenabmessungen der Zahnradmaschine nicht vergrößern sollen. The object of the invention is to provide a gear pump which has a sensor which can directly measure the force which acts on the gears. Next, this sensor should be particularly simple. In addition, the sensor should take up as little space as possible, in particular, the external dimensions of the gear machine should not increase.
Gemäß dem selbständigen Anspruch wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Lagerkörper und dem Gehäuse wenigstens eine Piezofolie angeordnet ist. Piezofolien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektrische Spannung erzeugen, wenn Druckkräfte auf sie ausgeübt werden. An der Berührfläche zwischen den Lagerkörpern und dem Gehäuse werden die Lagerkräfte übertragen, welche in der Drehlagerung der Zahnräder wirken. Die elektrische Spannung an der dort angeordneten Piezofolie ist damit ein Maß für die übertragenen Lagerkräfte und mithin ein Maß für die Kräfte, welche auf die Zahnräder einwirken. Soweit die Geometrie der Zahnradmaschine bekannt ist, kann aus der elektrischen Spannung an der Piezofolie auch der Druck des Druckfluids berechnet werden. According to the independent claim, it is proposed that at least one piezo foil be arranged between the bearing body and the housing. Piezo films are characterized in that they generate an electrical voltage when pressure forces are exerted on them. At the contact surface between the bearing bodies and the housing, the bearing forces are transmitted, which act in the rotary bearing of the gears. The electrical voltage at the piezoelectric film arranged there is thus a measure of the transmitted bearing forces and therefore a measure of the forces acting on the gears. As far as the geometry of the gear machine is known, the pressure of the pressure fluid can be calculated from the electrical voltage across the piezo film.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben. In the dependent claims advantageous refinements and improvements of the invention are given.
Die wenigstens eine Piezofolie kann aus Polyvinylidenfluorid bestehen, welches polarisiert ist. Polarisiertes Polyvinylidenfluorid, abgekürzt PVDF, weist einen besonders großen piezoelektrischen Effekt auf. Dieser ist umso größer, je stärker das Material polarisiert ist. Dementsprechend weist die vorgeschlagene Piezofolie eine besonders große Messempfindlichkeit auf, d.h. das Verhältnis zwischen der Änderung der elektrischen Spannung und der Änderung der Druckkraft, die auf die Piezofolie einwirkt, ist besonders groß. PVDF hat überdies den Vorteil, dass es von dem Druckfluid chemisch nicht angegriffen wird, so dass die Piezofolie dauerhaft verwendbar ist. The at least one piezo film may consist of polyvinylidene fluoride, which is polarized. Polarized polyvinylidene fluoride, abbreviated PVDF, has a particularly large piezoelectric effect. This is the greater, the more the material is polarized. Accordingly, the proposed piezo film has a particularly high sensitivity, i. the ratio between the change in the electric voltage and the change in the pressure force acting on the piezo film is particularly large. PVDF moreover has the advantage that it is not chemically attacked by the pressurized fluid, so that the piezo film can be used permanently.
Die wenigstens eine Piezofolie kann eine Dicke zwischen 8 μm und 120 μm aufweisen. Mit dieser Dicke kann die Piezofolie problemlos zwischen dem zugeordneten Lagerkörper und dem Gehäuse untergebracht werden, ohne dass die Zahnradmaschine hierfür gegenüber der konventionellen Zahnradmaschine vergrößert werden muss. Gleichzeitig weist die Piezofolie eine ausreichende Messempfindlichkeit auf. The at least one piezo film may have a thickness between 8 μm and 120 μm. With this thickness, the piezo film can be easily accommodated between the associated bearing body and the housing without the gear machine for this purpose must be increased compared to the conventional gear machine. At the same time, the piezo film has a sufficient measuring sensitivity.
Die wenigstens eine Piezofolie kann auf beiden Seiten mit einer Metallschicht versehen sein. Die beiden Metallschichten bilden jeweils eine Elektrode, an der die Piezospannung, welche das Messsignal darstellt, abgegriffen werden kann. The at least one piezo film can be provided on both sides with a metal layer. The two metal layers each form an electrode at which the piezo voltage, which represents the measurement signal, can be tapped.
Beide Metallschichten können mit einer zugeordneten Isolierschicht vollständig abgedeckt sein. Die Piezofolie liegt sowohl an dem Lagerkörper als auch an dem Gehäuse an. Beide Teile bestehen aus Metall, insbesondere aus Stahl, Gusseisen oder Aluminium, und sind mithin elektrisch leitfähig. Durch die vorgeschlagene Isolierschicht wird verhindert, dass das Messsignal dadurch verfälscht wird, dass elektrische Ladungen auf das Gehäuse bzw. den Lagerkörper abgeleitet werden. Hierbei ist anzumerken, dass die Piezofolie nur extrem kleine Ströme abgeben kann. Eine Erdung der Metallschicht über das Gehäuse oder den Lagerkörper würde die Piezospannung sofort zusammenbrechen lassen. Both metal layers can be completely covered with an associated insulating layer. The piezo film abuts both the bearing body and the housing. Both parts are made of metal, in particular steel, cast iron or aluminum, and are therefore electrically conductive. The proposed insulating layer prevents the measurement signal from being falsified by the fact that electrical charges are discharged to the housing or the bearing body. It should be noted that the piezo film can deliver only extremely small currents. Grounding the metal layer over the housing or bearing body would cause the piezo voltage to collapse immediately.
Beide Metallschichten können an je eine zugeordnete elektrische Leitung angeschlossen sein, die aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Über die vorgeschlagenen elektrischen Leitungen kann die Piezofolie mit einer Auswerteeinrichtung verbunden werden, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Mit der Auswerteeinheit soll die elektrische Spannung an der Piezofolie in einen aussagekräftigen Messwert, nämlich einen Kraftwert oder einen Druckwert umgewandelt werden. Die Auswerteeinheit ist hierfür vorzugsweise mit einem Analog-Digital-Wandler und mit einem programmierbaren Digitalrechner ausgestattet. Both metal layers may be connected to an associated electrical line, which is led out of the housing. About the proposed electrical lines, the piezoelectric film can be connected to an evaluation device which is arranged outside the housing. The evaluation unit is intended to convert the electrical voltage on the piezo film into a meaningful measured value, namely a force value or a pressure value. For this purpose, the evaluation unit is preferably equipped with an analog-to-digital converter and with a programmable digital computer.
Die wenigstens eine Piezofolie kann auf der Seite des Niederdruckanschlusses angeordnet sein. Der Niederdruckanschluss weist typischerweise gegenüber dem Hochdruckanschluss eine größere Querschnittsfläche auf, damit es dort nicht zu Kavitation kommt. Die Zahnräder werden vom Druck am Hochdruckanschluss in Richtung des Niederdruckanschlusses gedrückt, so dass eine im Bereich des Niederdruckanschlusses angeordnete Piezofolie auf Druck beansprucht wird und mithin ein aussagekräftiges Messsignal abgibt. The at least one piezo film can be arranged on the side of the low-pressure connection. The low-pressure connection typically has a larger cross-sectional area than the high-pressure connection, so that cavitation does not occur there. The gears are pressed by the pressure at the high pressure port in the direction of the low pressure port, so that a arranged in the region of the low pressure port piezoelectric film is subjected to pressure and thus emits a meaningful measurement signal.
Die Piezofolie kann bezüglich einer Y-Achse, welche durch die Verbindungslinie der Drehachsen zweier miteinander kämmender Zahnräder definiert wird, auf der Höhe der Drehachse eines zugeordneten Zahnrades angeordnet sein. Die Piezofolie misst dadurch einzig eine Kraftkomponente, die quer zur Y-Achse ausgerichtet ist. Diese lässt sich sehr genau in den Druck des Druckfluids umrechnen. Die in Richtung der Y-Achse gerichtete Kraftkomponente der Lagerkräfte wird nicht ausschließlich durch die Druckkräfte verursacht, sondern auch von den Kräften, die im Verzahnungseingriff wirken. The piezo film can be arranged at the height of the axis of rotation of an associated gear with respect to a Y-axis, which is defined by the line connecting the axes of rotation of two intermeshing gears. The piezo film thus measures only a force component which is aligned transversely to the Y-axis. This can be very accurately converted into the pressure of the pressure fluid. The directed in the direction of the Y-axis force component of the bearing forces is not only caused by the pressure forces, but also by the forces acting in meshing engagement.
Der Lagerkörper kann einstückig ausgebildet sein, wobei zwei miteinander kämmende Zahnräder drehbar in diesem gelagert sind. Durch den einstückigen Lagerkörper wird von vorneherein verhindert, dass Kräfte, die in Y-Richtung wirken zwischen dem Lagerkörper und dem Gehäuse übertragen werden, so dass die Umrechnung der gemessenen Lagerkraft auf den Druck des Druckfluids einfacher durchgeführt werden kann. The bearing body may be integrally formed, wherein two meshing gears are rotatably mounted in this. The one-piece bearing body prevents from the outset that forces acting in the Y direction are transmitted between the bearing body and the housing, so that the conversion of the measured bearing force to the pressure of the pressure fluid can be performed more easily.
Jedem Zahnrad kann eine Piezofolie zugeordnet sein. Aufgrund der Antriebsdrehmomente, die auf die Zahnräder einwirken, sind für die unterschiedlichen Piezofolien jeweils unterschiedliche Messwerte zu erwarten. Durch die Verwendung mehrerer Piezofolien können einerseits die Antriebsdrehmomente bestimmt werden. Andererseits können die Einflüsse der Antriebsdrehmomente bei der Berechnung des Druckes des Druckfluids herausgerechnet werden. Each gear may be associated with a piezo film. Due to the drive torques acting on the gears, different measured values are to be expected for the different piezo foils. By using a plurality of piezo foils, on the one hand, the driving torques can be determined. On the other hand, the influences of the drive torques in the calculation of the pressure of the pressure fluid can be calculated out.
Das Gehäuse kann einen Innenraum aufweisen, der in Richtung der Drehachsen der Zahnräder eine konstante Querschnittsform aufweist, wobei die Außenumfangsfläche des wenigstens einen Lagerkörpers an die genannte Querschnittsform angepasst ist, wobei die wenigstens eine Piezofolie an der Außenumfangsfläche des Lagerkörpers angeordnet ist. Diese an sich bekannte Gestaltung des Gehäuses und der Lagerkörper ist besonders gut für die Aufnahme der erfindungsgemäßen Piezofolie geeignet, da diese einfach zwischen den Lagerkörper und das Gehäuse eingelegt werden kann, wobei dort allenfalls geringe Anpassungen an die Piezofolie vorgenommen werden müssen. The housing may have an interior which has a constant cross-sectional shape in the direction of the axes of rotation of the gears, wherein the outer peripheral surface of the at least one bearing body is adapted to said cross-sectional shape, wherein the at least one piezoelectric film is arranged on the outer peripheral surface of the bearing body. This per se known design of the housing and the bearing body is particularly well suited for receiving the piezoelectric film according to the invention, since it can be easily inserted between the bearing body and the housing, with there at most slight adjustments to the piezoelectric film must be made.
An dem Gehäuse kann ein Informationsspeicher angebracht sein, der Kalibrierungsdaten für die Piezofolie enthält. Die Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Piezofolie weist eine große Streuung auf. Um genaue Messergebnisse zu erhalten, muss daher für jede einzelne Zahnradmaschine der genaue Zusammenhang zwischen den Lagerkräften der Zahnräder bzw. dem Druck des Druckfluids und der Spannung der Piezofolie durch Versuch ermittelt werden. Die Ergebnisse dieser Kalibrierung sollen in dem vorgeschlagenen Informationsspeicher abgelegt werden, so dass diese für die spätere Auswertung des Messsignals einfach zur Verfügung stehen. Bei dem Informationsspeicher kann es sich beispielsweise um einen optischen Matrix- oder Strichcode handeln. Es können aber auch elektronische Informationsspeicher, beispielsweise in Form eines RFID-Tags, vorgesehen sein. Der Informationsspeicher kann auch in die bereits angesprochene Auswerteeinheit integriert sein, soweit er am Gehäuse angebracht ist. An information memory containing calibration data for the piezo film may be attached to the housing. The measuring sensitivity of the piezo film according to the invention has a large scattering. In order to obtain accurate measurement results, therefore, the exact relationship between the bearing forces of the gears or the pressure of the pressure fluid and the voltage of the piezo film must be determined by trial and error for each individual gear machine. The results of this calibration are to be stored in the proposed information memory so that they are readily available for later evaluation of the measurement signal. The information store may be, for example, an optical matrix or bar code. However, electronic information stores, for example in the form of an RFID tag, may also be provided. The information memory can also be integrated in the already mentioned evaluation unit, as far as it is mounted on the housing.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar: The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
In dem Hauptkörper
Das Zahnrad
Hinzuweisen ist außerdem auf die Axialdichtung
Der Nieder- und der Hochdruckanschluss
Die Y-Achse wird definiert durch die Verbindungslinie der Drehachsen
Die beiden Piezofolien
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Zahnradmaschine gear machine
- 11 11
- Innenraum inner space
- 12 12
- Zahnrad gear
- 13 13
- Zahnrad gear
- 14 14
- Welle wave
- 15 15
- Antriebszapfen drive journal
- 16 16
- Achse axis
- 20 20
- Lagerzapfen pivot
- 21 21
- Seitenflächen eines Zahnrades Side surfaces of a gear
- 22 22
- Längsrichtung longitudinal direction
- 31 31
- Hauptkörper main body
- 32 32
- Niederdruckanschluss Low pressure port
- 33 33
- Hochdruckanschluss High pressure port
- 34 34
- Stirnende front end
- 35 35
- Verschlussstopfen sealing plug
- 40 40
- erster Deckel first lid
- 41 41
- zweiter Deckel second lid
- 42 42
- Deckeldichtung cover gasket
- 43 43
- Radialwellendichtring Radial shaft seal
- 44 44
- Schraubbolzen bolts
- 50 50
- Lagerkörper bearing body
- 51 51
- Lagerbohrung bearing bore
- 53 53
- Axialdichtung axial seal
- 54 54
- Stützelement support element
- 60 60
- Drehrichtung der Zahnräder Direction of rotation of the gears
- 61 61
- Strömungsrichtung des Druckfluids Flow direction of the pressure fluid
- 62 62
- Spalt zwischen Lagerkörper und Gehäuse Gap between bearing body and housing
- 63 63
- Drehachse eines Zahnrades Rotary axis of a gear
- 64 64
- Lagerkraft die ein Lagerzapfen auf den Lagerkörper ausübt Bearing force exerts a bearing pin on the bearing body
- 70 70
- Piezofolie piezofoil
- 71 71
- elektrische Leitung electrical line
- 72 72
- Auswerteeinheit evaluation
- 73 73
- Signallampe Warning light
- 74 74
- Informationsspeicher information store
- 80 80
- PVDF-Schicht PVDF layer
- 81 81
- Dicke der PVDF-Schicht Thickness of the PVDF layer
- 82 82
- Metallschicht metal layer
- 83 83
- Isolierschicht insulating
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007051352 A1 [0002] DE 102007051352 A1 [0002]
Claims (12)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102012214229.0A DE102012214229A1 (en) | 2012-08-10 | 2012-08-10 | Gear machine with force sensor in the form of a piezo film |
EP13178333.4A EP2696075B1 (en) | 2012-08-10 | 2013-07-29 | Gear wheel machine with force sensor in the form of a piezo film |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102012214229.0A DE102012214229A1 (en) | 2012-08-10 | 2012-08-10 | Gear machine with force sensor in the form of a piezo film |
Publications (1)
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DE102012214229A1 true DE102012214229A1 (en) | 2014-02-13 |
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ID=48877109
Family Applications (1)
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DE102012214229.0A Withdrawn DE102012214229A1 (en) | 2012-08-10 | 2012-08-10 | Gear machine with force sensor in the form of a piezo film |
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EP2696075B1 (en) | 2017-05-03 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |