DE102013206556B4 - Measuring bearing bush, device and method for measuring forces and / or moments of an axle or shaft mounted in a measuring bearing bush - Google Patents
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- G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
Abstract
Messlagerbuchse (3) zur Lagerung einer Achse (2) oder Welle, wobei mehrere Sensorelemente (4 bis 7) zur Erfassung einer radialen Auflagekraft der Achse oder Welle an einer Lagerfläche der Messlagerbuchse (3) befestigt sind, wobei die Sensorelemente (4 bis 7) als Druckkraftsensoren ausgebildet und derart angeordnet sind, dass sich die Achse (2) oder Welle zumindest auf einem der Sensorelemente (4 bis 7) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Achse (2) oder Welle weisende Kontaktflächen (K4 bis K6) der Sensorelemente (4 bis 7) als ebene Flächen und/oder als konvex gekrümmte Flächen ausgebildet sind.Measuring bearing bushing (3) for supporting an axle (2) or shaft, wherein a plurality of sensor elements (4 to 7) for detecting a radial contact force of the axle or shaft are fastened to a bearing surface of the measuring bearing bush (3), wherein the sensor elements (4 to 7) designed as pressure force sensors and are arranged such that the axis (2) or shaft at least on one of the sensor elements (4 to 7) is supported, characterized in that in the direction of the axis (2) or shaft facing contact surfaces (K4 to K6) Sensor elements (4 to 7) are designed as flat surfaces and / or as a convex curved surfaces.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messlagerbuchse zur Lagerung einer Achse oder Welle.The invention relates to a measuring bearing bush for supporting an axle or shaft.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Messung von Kräften und/oder Momenten.The invention further relates to a device for measuring forces and / or moments.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Kräften und/oder Momenten.Furthermore, the invention relates to a method for measuring forces and / or moments.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass bei Verbindungen zwischen einem Bolzen und einer Lagerbuchse durch eine eingeleitete Belastung entstehende Radialkräfte an der Bolzenverbindung gemessen werden. Ein Einsatzgebiet für diese stellen mobile Arbeitsmaschinen mit Werkzeugkoppelvorrichtungen dar. Hierzu existieren verschiedene Vorrichtungen, welche Sensorelemente zur Erfassung der Radialkräfte umfassen. Diese Sensorelemente sind entweder am Bolzen oder an der Lagerbuchse angeordnet.From the prior art, it is well known that in connections between a bolt and a bearing bush by a load introduced radial forces are measured at the bolt connection. A field of application for these are mobile machines with tool coupling devices. For this purpose, there are various devices which comprise sensor elements for detecting the radial forces. These sensor elements are arranged either on the bolt or on the bearing bush.
Die
Weiterhin ist aus der
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Ferner ist in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Messlagerbuchse zur Lagerung einer Achse oder Welle und eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Messung von Kräften und/oder Momenten einer in einer Messlagerbuchse gelagerten Achse oder Welle anzugeben.The invention is based on the object, a comparison with the prior art improved measuring bearing bushing for supporting an axle or shaft and an improved device and an improved method for measuring forces and / or moments of an axle or shaft mounted in a bearing bushing.
Hinsichtlich der Messlagerbuchse wird die Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the measuring bearing bush, the invention is achieved by the features specified in claim 1, in terms of the device by the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Messlagerbuchse zur Lagerung einer Achse oder Welle zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Sensorelemente zur Erfassung einer radialen Auflagekraft der Achse oder Welle an einer Lagerfläche der Messlagerbuchse befestigt sind, wobei die Sensorelemente als Druckkraftsensoren ausgebildet und derart angeordnet sind, dass sich die Achse oder Welle zumindest auf einem der Sensorelemente abstützt. Erfindungsgemäß sind in Richtung der Achse oder Welle weisende Kontaktflächen der Sensorelemente als ebene Flächen und/oder als konvex gekrümmte Flächen ausgebildet. Der Vorteil der ebenen Fläche liegt darin, dass die Sensorelemente für nahezu jede mögliche Ausformung der Achse oder Welle verwendbar sind und tangential an der Oberfläche der Achse oder Welle anliegen. Vorteilhaft bei der konvexen Kontaktfläche ist, dass eine punktförmige Kontaktfläche entsteht und somit die von der Achse oder Welle erzeugte Druckkraft direkt in eine neutrale Biegeachse der Sensorelemente eingeleitet wird, wodurch eine besonders genaue Bestimmung der Druckkraft möglich ist, da keine Biegemomente in das Sensorelement eingeleitet werden und somit nicht kompensiert werden müssen. Die Messlagerbuchse zeichnet sich dabei durch einen besonders einfachen Aufbau aus und ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine einfache und exakte Messung der radialen Auflagekraft der Achse oder Welle. Dadurch ist es möglich, mit geringem Material- und Kostenaufwand eine in die Achse oder Welle eingeleitete Kraft zu ermitteln.The measuring bearing bush for supporting an axle or shaft is characterized in that a plurality of sensor elements for detecting a radial bearing force of the axle or shaft are fixed to a bearing surface of the measuring bearing bush, wherein the sensor elements are designed as pressure force sensors and arranged such that the axis or shaft supported on at least one of the sensor elements. According to the invention in the direction of the axis or shaft facing contact surfaces of the sensor elements are formed as flat surfaces and / or as a convex curved surfaces. The advantage of the flat surface lies in the fact that the sensor elements can be used for almost any possible shaping of the axle or shaft and lie tangentially against the surface of the axle or shaft. An advantage of the convex contact surface is that a point-shaped contact surface is formed and thus the pressure force generated by the axis or shaft is introduced directly into a neutral bending axis of the sensor elements, whereby a particularly accurate determination of the pressure force is possible because no bending moments are introduced into the sensor element and thus need not be compensated. The measuring bearing bush is characterized by a particularly simple structure and allows in a particularly advantageous manner, a simple and accurate measurement of the radial contact force of the axle or shaft. This makes it possible to determine a force introduced into the axle or shaft with low material and cost.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Messlagerbuchse liegt in jeder möglichen Position der Achse oder Welle innerhalb der Messlagerbuchse zumindest eines der Sensorelemente an der Achse oder Welle an. Dabei sind die Sensorelemente nicht fest mit der Achse oder Welle verbunden. Somit besteht keine feste mechanische Verbindung zwischen den Sensorelementen und der Achse oder Welle, wodurch eine verbesserte Erfassung eines aus der Lagerung der Achse oder Welle entstehenden Auflagekraftvektors mit hoher Genauigkeit möglich ist.According to a particularly advantageous development of the measuring bearing bush, at least one of the sensor elements abuts on the axle or shaft in every possible position of the axle or shaft within the measuring bearing bushing. The sensor elements are not firmly connected to the axle or shaft. Thus, there is no fixed mechanical connection between the sensor elements and the axis or shaft, whereby an improved detection of a resulting from the storage of the axle or shaft bearing force vector with high accuracy is possible.
Alternativ oder zusätzlich sind die Sensorelemente insbesondere radial um die Rotationsachse der Achse oder Welle angeordnet. Somit wird die Achse oder Welle mittels der radial angeordneten Sensorelemente in der Messlagerbuchse abgestützt. Dadurch ist es möglich, dass die Sensorelemente als einfacher Druckstab zur Messung von Druckkräften ausgebildet werden können. Insbesondere in Verbindung mit der mechanischen Trennung der Sensorelemente und der Achse oder Welle kann aufgrund der radialen Verteilung der Sensorelemente ein zweidimensionaler Kraftvektor gemessen werden, wobei gleichzeitig ein mechanisches Übersprechen einer Last zwischen den unterschiedlichen Sensorelementen vermieden wird. Das heißt, die Sensorelemente dienen nicht nur als mechanisches Bindeglied zwischen der Achse oder Welle und der Messlagerbuchse, sondern auch als Messeinrichtung, wobei aus den einzelnen, mechanisch unabhängigen Messungen ein zweidimensionaler radialer Auflagekraftvektor ermittelt werden kann.Alternatively or additionally, the sensor elements are arranged in particular radially around the axis of rotation of the axis or shaft. Thus, the axle or shaft is supported by means of the radially arranged sensor elements in the measuring bearing bush. This makes it possible that the sensor elements can be designed as a simple pressure rod for measuring compressive forces. In particular, in conjunction with the mechanical separation of the sensor elements and the axis or shaft can be measured due to the radial distribution of the sensor elements, a two-dimensional force vector, at the same time a mechanical crosstalk of a load between the different sensor elements is avoided. That is, the sensor elements serve not only as a mechanical link between the axis or shaft and the measuring bearing bush, but also as a measuring device, wherein from the individual, mechanically independent measurements, a two-dimensional radial contact force vector can be determined.
In einer Ausgestaltung der Messlagerbuchse ist die Lagerfläche der Messlagerbuchse eine Innenfläche eines Trägerrings der Messlagerbuchse. Das heißt, die Sensorelemente sind an dem Trägerring befestigt, wodurch einerseits eine einfache Integration der Sensorelemente in eine Vorrichtung zur Messung von Kräften und/oder Momenten und anderseits ein einfacher Austausch bei einem Defekt eines Sensors und eine einfache Montage und Demontage, beispielsweise bei Wartungsarbeiten, möglich sind.In one embodiment of the measuring bearing bush, the bearing surface of the measuring bearing bush is an inner surface of a bearing ring of the measuring bearing bushing. That is, the sensor elements are attached to the support ring, whereby on the one hand a simple integration of the sensor elements in a device for measuring forces and / or moments and on the other hand a simple replacement in case of a defect of a sensor and a simple assembly and disassembly, for example during maintenance, possible are.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist zwischen der Achse oder Welle und den Sensorelementen ein Kugelring angeordnet, wodurch die Achse oder Welle über den Kugelring durch die Sensorelemente abgestützt wird. Dadurch ist eine Kompensation von Biegemomenten, welche durch die Achse oder Welle eingeleitet werden, realisierbar, da diese nicht auf die Sensorelemente übertragen werden. Sind die Sensorelemente mit der konvexen Kontaktfläche ausgebildet, kann der Kugelring in besonders vorteilhafter Weise entfallen.In a further possible embodiment, a ball ring is arranged between the axle or shaft and the sensor elements, whereby the axle or shaft is supported by the sensor elements via the ball ring. As a result, a compensation of bending moments, which are initiated by the axis or shaft, feasible because they are not transmitted to the sensor elements. If the sensor elements are formed with the convex contact surface, the ball ring can be omitted in a particularly advantageous manner.
Gemäß einer Weiterbildung der Messlagerbuchse sind die Sensorelemente jeweils als Druckstab ausgebildet und weisen dabei einen elastisch verformbaren Grundkörper auf, an welchem zu einer Dehnungsmessung vorgesehene Dehnungssensorelemente, beispielsweise so genannte Dehnungsmessstreifen, angeordnet sind. Hierdurch ist eine besonders exakte Messung der Druckkräfte bei gleichzeitig einfachem und kostengünstigem Aufbau der Sensorelemente möglich.According to a further development of the measuring bearing bush, the sensor elements are each designed as a pressure rod and in this case have an elastically deformable base body, on which strain measurement elements provided for a strain measurement, for example so-called strain gauges, are arranged. As a result, a particularly accurate measurement of the pressure forces at the same time simple and inexpensive construction of the sensor elements is possible.
In zweckmäßiger Weise sind dabei die Dehnungssensorelemente insbesondere als Vollbrücke elektrisch verschaltet, wobei in der Vollbrücke zwei Dehnungssensorelemente kolinear auf einer Flächensymmetrieachse des Grundkörpers gegenüberliegend angeordnet sind und zwei Dehnungssensorelemente senkrecht auf der Flächensymmetrieachse des Grundkörpers gegenüberliegend angeordnet sind. Aufgrund eines einfachen, symmetrischen Aufbaus eines Grundkörpers mit quadratischem Querschnitt können die Dehnungssensorelemente auf den Außenflächen des Druckstabes als einfache Vollbrücke verschaltet werden. Durch diese Anordnung der Dehnungssensorelemente kann das Biegemoment, welches um die auf die Flächensymmetrieachse senkrecht stehende Achse auf der Außenfläche des Sensorelements wirkt und in dieses eingeleitet wird, elektrisch kompensiert werden. Dieser Vorteil resultiert insbesondere daraus, dass das Biegemoment um eine dazu senkrecht stehende Achse durch die Anordnung der Dehnungssensorelemente direkt auf der Flächensymmetrieachse nicht aufgenommen wird.Conveniently, in this case, the strain sensor elements are in particular electrically interconnected as a full bridge, wherein in the full bridge two strain sensor elements are arranged co-linearly on a surface symmetry axis of the main body and two Strain sensor elements are arranged perpendicular to the surface axis of symmetry of the body opposite. Due to a simple, symmetrical structure of a base body with a square cross section, the strain sensor elements can be connected on the outer surfaces of the push rod as a simple full bridge. By means of this arrangement of the strain sensor elements, the bending moment, which acts on the outer surface of the sensor element about the axis perpendicular to the surface symmetry axis and is introduced into the latter, can be electrically compensated. This advantage results in particular from the fact that the bending moment about an axis perpendicular thereto is not absorbed by the arrangement of the strain sensor elements directly on the surface symmetry axis.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Dehnungssensorelemente als Vollbrücke elektrisch verschaltet, wobei mindestens einer der Dehnungssensorelemente kolinear auf einer neutralen Biegeachse des Grundkörpers und mindestens einer der Dehnungssensoren senkrecht auf der neutralen Biegeachse des Grundkörpers im Inneren des Grundkörpers auf einem Schnittpunkt der neutralen Biegeachse des Grundkörpers und einer Bohrungsachse einer durch den Grundkörper geführten Bohrung angeordnet ist. Diese Ausführung ermöglicht, dass kein Biegemoment elektrisch kompensiert werden muss.In an alternative embodiment, the strain sensor elements are electrically interconnected as a full bridge, wherein at least one of the strain sensor elements is collinear on a neutral bending axis of the base body and at least one of the strain sensors perpendicular to the neutral bending axis of the base body in the interior of the base body at an intersection of the neutral bending axis of the base body and a Bore axis of a guided through the body bore is arranged. This design allows no bending moment to be electrically compensated.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung sind die Druckkraftsensoren jeweils als Hydraulikzylinder ausgebildet, wobei in einfacher, exakter und zuverlässiger Weise anhand einer Druckmessung die auf den Hydraulikzylinder wirkende Druckkraft ermittelt werden kann.According to one possible development, the pressure force sensors are each designed as hydraulic cylinders, wherein the pressure force acting on the hydraulic cylinder can be determined in a simple, exact and reliable manner on the basis of a pressure measurement.
Dabei sind die Hydraulikzylinder insbesondere jeweils als passives oder aktives Dämpferelement und/oder als Aktor ausgebildet. Aufgrund der Ausbildung als passives Dämpferelement ist eine passive Dämpfung zwischen der Achse oder Welle und den Sensorelementen möglich. Bei der Ausbildung als aktives Dämpferelement kann in vorteilhafter Weise die Dämpfung aktiv, insbesondere in Abhängigkeit einer spezifischen Anwendung, gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, dynamische Belastungen auf die Messlagerbuchse aktiv zu dämpfen und somit eine schädigende Wirkung auf alle Bauteile zu verhindern. Auch die Ausbildung als aktiver Aktor ermöglicht die Dämpfung der dynamischen Belastungen auf die Messlagerbuchse und somit die Verhinderung der schädigenden Wirkung auf alle Bauteile.In this case, the hydraulic cylinders are each designed in particular as a passive or active damper element and / or as an actuator. Due to the design as a passive damper element passive damping between the axle or shaft and the sensor elements is possible. In the embodiment as an active damper element, the damping can be actively controlled in an advantageous manner, in particular as a function of a specific application. This makes it possible to actively damp dynamic loads on the measuring bushing and thus to prevent a damaging effect on all components. The training as an active actuator allows the damping of the dynamic loads on the bearing bushing and thus preventing the damaging effect on all components.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Kräften und/oder Momenten einer in zumindest zwei erfindungsgemäßen Messlagerbuchsen gelagerten Achse oder Welle ist eine erste Messlagerbuchse als Festlager und eine zweite Messlagerbuchse als Loslager ausgebildet. Dadurch sind mittels jeder Messlagerbuchse die jeweilige radiale Auflagekraft, insbesondere als Auflagekraftvektor, und daraus folgend die in die Achse oder Welle eingeleitete Kraft ermittelbar.In the device according to the invention for measuring forces and / or moments of an axle or shaft mounted in at least two measuring bearing bushes according to the invention, a first measuring bearing bush is designed as a fixed bearing and a second measuring bearing bush as a floating bearing. As a result, the respective radial bearing force, in particular as a contact force vector, and consequently the force introduced into the axle or shaft can be determined by means of each measuring bearing bushing.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Kräften und/oder Momenten einer in zumindest einer erfindungsgemäßen Messlagerbuchse gelagerten Achse oder Welle wird anhand der Sensorelemente eine jeweils mittels der Achse oder Welle auf die Sensorelemente ausgeübte Druckkraft gemessen.In the method according to the invention for measuring forces and / or moments of an axle or shaft mounted in at least one measuring bearing bush according to the invention, a pressure force exerted on the sensor elements by means of the axle or shaft is measured on the basis of the sensor elements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die radiale Auflagekraft der Achse oder Welle aus einer Kombination der jeweiligen, auf die Sensorelemente ausgeübten Druckkräfte ermittelt und ist somit besonders einfach und genau bestimmbar.In an advantageous embodiment of the method, the radial contact force of the axle or shaft is determined from a combination of the respective pressure forces exerted on the sensor elements and is therefore particularly simple and precisely determinable.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Auf die Werkzeugkoppelvorrichtung
Die Achsen
Die Sensorelemente
Zur Erfassung radialen Auflagekraft in Form eines radialen Auflagekraftvektors werden mittels der Sensorelemente
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden aufgrund einer eingeleiteten Kraft FE die zwei Druckkräfte FD1, FD2 mittels der Sensorelemente
Zum Schutz der Sensorelemente
In
In den
Alle drei Ausführungsbeispiele haben gemein, dass das Sensorelement
Dabei sind die Dehnungssensorelemente
Die
Alle drei Ausführungsbeispiele haben gemein, dass das Sensorelement
Auch in dieser Ausführungsform sind mehrere Dehnungssensorelemente
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- WerkzeugkoppelvorrichtungTool coupling device
- 22
- Achseaxis
- 33
- MesslagerbuchseMeasuring bearing bush
- 4 bis 84 to 8
- Sensorelementsensor element
- 88th
- Trägerringsupport ring
- 99
- Deckelelementcover element
- 1010
- Kugelringball ring
- 1111
- Lagerbuchsebearing bush
- 1212
- Grundkörperbody
- 13 bis 1613 to 16
- DehnungssensorelementStrain sensor element
- BB
- Bohrungdrilling
- BABA
- Bohrungsachsebore axis
- BNBN
- Biegeachsebending axis
- FD1FD1
- Druckkraftthrust
- FD2FD2
- Druckkraftthrust
- FEFE
- eingeleitete Kraftinitiated force
- K4 bis K6K4 to K6
- Kontaktflächecontact area
- RR
- Rotationsachseaxis of rotation
- SS
- FlächensymmetrieachseSurface symmetry axis
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |