DE102014223656A1

DE102014223656A1 - Mechanical component with force sensor

Info

Publication number: DE102014223656A1
Application number: DE102014223656.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Haskamp; Michael Klank
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-25
Also published as: WO2016078843A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauteil (2) für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und einem dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor (4) zur Erfassung einer das Bauteil (2) beanspruchenden Kraft, wobei der Kraftsensor (4) mittels eines Zwischenelements (3) auf der Oberfläche (2a) des Bauteils (2) befestigt ist.The invention relates to a mechanical component (2) for a vehicle, comprising a measuring area having a surface and a force sensor (4) associated with the measuring area for detecting a force stressing the component (2), the force sensor (4) being connected by means of an intermediate element (3 ) is mounted on the surface (2a) of the component (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauteil für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und mindestens einen dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor zur Erfassung einer das Bauteil beanspruchenden Kraft. The invention relates to a mechanical component for a vehicle, comprising a measuring region with a surface and at least one force sensor assigned to the measuring region for detecting a force which stresses the component.

In der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2013 213 672.2 ist ein mechanisches Bauteil mit einem Kraftsensor offenbart, wobei das mechanisches Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform als Pendelstütze und der Kraftsensor als biegeelastisches Verformungselement ausgebildet ist, welcher innerhalb eines Messbereiches formschlüssig mit der Pendelstütze verbunden ist. Das Verformungselement wirkt dabei als Verstärker einer mechanischen Beanspruchung in der stabförmig ausgebildeten Pendelstütze, in welcher erste Linie Zug- und Druckspannungen auftreten. Die aus einer Druck- oder Zugspannung resultierende Stauchung oder Dehnung der Pendelstütze wird auf das bogenförmig ausgebildete Verformungselement übertragen und bewirkt eine Biegung, wodurch die Dehnung oder Stauchung verstärkt wird. Die mechanische Änderung des Verformungselements, welches aus einem magnetischen Material hergestellt ist, geht mit einer Änderung des Magnetfeldes einher, was messbar und in elektrische Signale umwandelbar ist. Die Verformung des Verformungselements wird durch eine geeignete Sensorik, vorzugsweise unter Durchführung einer Magnetfeldmessung erfasst. In the earlier application of the applicant with the file number 10 2013 213 672.2 a mechanical component with a force sensor is disclosed, wherein the mechanical component is formed in a preferred embodiment as a pendulum support and the force sensor as flexurally elastic deformation element which is positively connected within a measuring range with the pendulum support is. The deformation element acts as an amplifier of a mechanical stress in the rod-shaped pendulum support, in which first line tensile and compressive stresses occur. The resulting from a compressive or tensile stress compression or elongation of the pendulum support is transmitted to the arc-shaped deformation element and causes a bend, whereby the strain or compression is enhanced. The mechanical change of the deformation element, which is made of a magnetic material, is accompanied by a change in the magnetic field, which can be measured and converted into electrical signals. The deformation of the deformation element is detected by a suitable sensor, preferably by performing a magnetic field measurement.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, weitere Potenziale der Kraftmessung an mechanischen Bauteilen auszuschöpfen. It is an object of the present invention to exploit further potentials of force measurement on mechanical components.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object of the invention is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kraftsensor mittels eines Zwischenelements auf der Oberfläche des Bauteils befestigt ist. Das im Messbereich des Bauteils angeordnete Zwischenelement hat im Wesentlichen zwei Funktionen, nämlich erstens eine Trägerfunktion, indem es als Träger für den Kraftsensor bzw. das sensitive Element des Kraftsensors dient, und zweitens eine Übertragungsfunktion, indem es als Übertragungselement fungiert und die an der Oberfläche des Bauteils infolge von Belastungen auftretenden Verformungen auf das sensitive Element des Kraftsensors überträgt. Das Zwischenelement ist somit in Kraftflussrichtung mit dem Bauteil gekoppelt, d. h. Verformungen, welche in der Oberfläche des Bauteils auftreten, werden unmittelbar auf das Zwischenelement und von diesem auf das sensitive Element übertragen. Vorteilhaft dabei ist, dass der Kraftsensor bzw. das sensitive Element als Baueinheit mit dem Zwischenelement vorgefertigt und danach mit dem Bauteil verbunden werden kann. According to the invention, it is provided that the force sensor is fastened by means of an intermediate element on the surface of the component. The intermediate element arranged in the measuring region of the component has essentially two functions, namely first a carrier function in that it serves as a carrier for the force sensor or the sensitive element of the force sensor, and secondly a transfer function in that it acts as a transmission element and that on the surface of the Component transmits due to loads occurring deformations on the sensitive element of the force sensor. The intermediate element is thus coupled in the force flow direction with the component, d. H. Deformations which occur in the surface of the component are transmitted directly to the intermediate element and from there to the sensitive element. The advantage here is that the force sensor or the sensitive element can be prefabricated as a unit with the intermediate element and then connected to the component.

Bevorzugt ist das Zwischenelement kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Oberfläche des Bauteils nicht zusätzlich bearbeitet werden muss, wodurch seine Funktionsfähigkeit oder Festigkeit beeinträchtigt werden könnte. Vielmehr ist lediglich eine glatte Oberfläche erforderlich, um einen Reibungsschluss zu gewährleisten, welcher das Messergebnis gegebenenfalls verfälschen könnte. Preferably, the intermediate element is non-positively or materially connected to the component. The advantage here is that the surface of the component does not need to be additionally processed, whereby its functionality or strength could be impaired. Rather, only a smooth surface is required to ensure a frictional connection, which could possibly falsify the measurement result.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Zwischenelement, bevorzugt an dessen Enden, mit Hilfe von Spann- oder Klemmelementen, vorzugsweise von Spannbändern oder Schellen am Bauteil befestigt. Damit wird ein hinreichender Reibungsschluss zwischen der Oberfläche des Bauteils und der Kontaktfläche des Zwischenelements hergestellt, sodass eine schlupffreie Übertragung der Verformung vom Bauelement auf das Zwischenelement gewährleistet ist. Eine Nietverbindung zwischen Bauteil und Zwischenelement ist ebenfalls denkbar. Eine alternative stoffschlüssige Befestigung kann durch Kleben erfolgen. According to a further preferred embodiment, the intermediate element, preferably at its ends, by means of clamping or clamping elements, preferably fastened by straps or clamps on the component. Thus, a sufficient frictional engagement between the surface of the component and the contact surface of the intermediate element is produced, so that a slip-free transmission of the deformation of the component is ensured on the intermediate element. A riveted joint between the component and intermediate element is also conceivable. An alternative cohesive attachment can be done by gluing.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor auf dem Zwischenelement befestigt, und zwar vorzugsweise kraft-, form-, oder stoffschlüssig. Der Kraftsensor kann je nach Bauart beispielsweise durch ein geeignetes Klebeverfahren auf das Zwischenelement aufgebracht werden, wobei dieses Klebeverfahren direkt am Bauteil nicht anwendbar wäre. Ferner könnte der Kraftsensor mittels einer Schweißverbindung oder durch formschlüssige Elemente mit dem Zwischenelement verbunden werden. According to a further preferred embodiment, the force sensor is mounted on the intermediate element, preferably in a positive, positive or cohesive manner. Depending on the type of construction, the force sensor can be applied to the intermediate element, for example, by a suitable adhesive method, whereby this adhesive method would not be applicable directly to the component. Furthermore, the force sensor could be connected to the intermediate element by means of a welded connection or by positive-locking elements.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches an dem Zwischenelement befestigt ist. Damit ist der Kraftsensor gekapselt, d. h. nach außen geschützt und abgeschirmt, sodass seine Funktionsfähigkeit nicht durch äußere Einflüsse beeinträchtigt werden kann. Das Gehäuse mit dem Zwischenelement kann ebenfalls als separate vorgefertigte Baueinheit hergestellt und mit dem Bauteil verbunden werden. According to a further preferred embodiment, the force sensor is arranged within a housing which is fastened to the intermediate element. Thus, the force sensor is encapsulated, d. H. protected from the outside and shielded, so that its functionality can not be affected by external influences. The housing with the intermediate element can also be manufactured as a separate prefabricated unit and connected to the component.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, welcher sich mit einfachen Mitteln an dem Zwischenelement, z. B. durch Kleben befestigen lässt. Der Dehnungsmessstreifen erfasst somit mittelbar – über das Zwischenelement – die Verformungen des Bauteiles. According to a further preferred embodiment, the force sensor is designed as a strain gauge, which can be attached to the intermediate element, for. B. can be fixed by gluing. The strain gauge thus indirectly detects - via the intermediate element - the deformations of the component.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kraftsensor ein sensitives Element, auch Sensorelement genannt, aus Carbon Nanotubes (CNT), welche auf die Oberfläche des Zwischenelements als Schicht aufgebracht werden, vorzugsweise in Form eines die CNT bindenden Lackes. Ausführliche Informationen über die Verwendung von CNT als sensitives Element eines Kraftsensor finden sich in der zeitgleich eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen ZF 006408. According to a further preferred embodiment, the force sensor comprises a sensitive element, also called a sensor element, made of carbon nanotubes (CNT), which are applied to the surface of the intermediate element as a layer, preferably in the form of a lacquer bonding the CNT. Detailed information on the use of CNT as a sensitive element of a force sensor can be found in the applicant's application filed at the same time with the internal file reference ZF 006408.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor als piezoresistive Schicht ausgebildet, welche auf das Zwischenelement aufgebracht ist. Vorzugsweise wird die piezoresistive Schicht auf ein Metallplättchen aufgetragen, welches über eine Schweißverbindung auf dem Zwischenelement fixiert werden kann. According to a further preferred embodiment, the force sensor is designed as a piezoresistive layer, which is applied to the intermediate element. Preferably, the piezoresistive layer is applied to a metal plate, which can be fixed via a welded connection on the intermediate element.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken. It is understood that the abovementioned features of the invention can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention. It is also within the scope of the invention to effect a mechanical reversal of the functions of the individual mechanical elements of the invention.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below, which may result from the description and / or the drawing further features and / or advantages.

Die einzige Figur zeigt ein Modul 1 eines Kraftsensors 4, kurz Sensormodul 1 genannt, welches durch einen gestrichelten rechteckförmigen Rahmen hervorgehoben ist. Das Sensormodul 1 ist auf einem mechanischen Bauteil 2, welches stab- oder zylinderförmig ausgebildet sein kann, befestigt. Das mechanisches Bauteil 2, welches eine Oberfläche 2a aufweist, wird durch eine Zugkraft, dargestellt durch zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Pfeile F, beansprucht, d. h. in dem Bauteil 2 treten, verteilt über den Querschnitt, Zugspannungen auf, welche zu Dehnungen des Bauteils 2, insbesondere auch an deren Oberfläche 2a führen. Das Sensorelement 1 umfasst ein Zwischenelement 3, ein sensitives Element 4 eines Kraftsensors, auch kurz Kraftsensor 4 genannt, sowie ein Gehäuse 5, welches auf dem Zwischenelement 3 befestigt ist und das sensitive Element 4 nach außen abkapselt. Das sensitive Element 4, welches auf einem nicht dargestellten Plättchen angeordnet sein kann, ist formschlüssig über zwei Formschlusselemente 6a, 6b in Form von Anschlägen gegenüber dem Zwischenelement 3 fixiert. Das Zwischenelement 3 ist über zwei Spannbänder 7, 8 mit der Oberfläche 2a des Bauteils 2 verspannt. Durch die Spannbänder 7, 8, zwischen denen der Messbereich liegt, wird zwischen dem Zwischenelement 3 und der Oberfläche 2a des Bauteils 2 eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt, welche eine schlupffreie Übertragung von Dehnungen des Bauteils 2 auf das Zwischenelement 3 erlaubt. Das Sensormodul 1, umfassend das Zwischenelement 3, den Kraftsensor 4 sowie das Gehäuse 5, ist als vorgefertigte Baueinheit herstellbar und anschließend mit dem Bauteil 2 montierbar. The single figure shows a module 1 a force sensor 4 , short sensor module 1 called, which is highlighted by a dashed rectangular frame. The sensor module 1 is on a mechanical component 2 , which may be rod-shaped or cylindrical, attached. The mechanical component 2 which is a surface 2a is claimed by a tensile force, represented by two pointing in opposite directions arrows F, ie in the component 2 occur, distributed over the cross section, tensile stresses, resulting in expansions of the component 2 , especially on their surface 2a to lead. The sensor element 1 includes an intermediate element 3 , a sensitive element 4 a force sensor, also short force sensor 4 called, as well as a housing 5 which is on the intermediate element 3 is attached and the sensitive element 4 encapsulated to the outside. The sensitive element 4 which can be arranged on a plate, not shown, is positively connected via two positive locking elements 6a . 6b in the form of stops against the intermediate element 3 fixed. The intermediate element 3 is over two tension bands 7 . 8th with the surface 2a of the component 2 braced. Through the tension bands 7 . 8th , between which lies the measuring range, is between the intermediate element 3 and the surface 2a of the component 2 made a non-positive connection, which is a slip-free transmission of strains of the component 2 on the intermediate element 3 allowed. The sensor module 1 comprising the intermediate element 3 , the force sensor 4 as well as the housing 5 , can be produced as a prefabricated unit and then with the component 2 mountable.

Als sensitive Elemente 4 bzw. Kraftsensoren 4 kommen die meisten handelsüblichen Kraftsensoren, z. B. Dehnungsmessstreifen in Frage. Möglich ist jedoch auch die Verwendung von Carbon Nanotubes als sensitives Element, wie dies in der zeitgleich eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen ZF 006408 beschrieben ist. Die Messung über das sensitive Element 4 kann induktiv, resistiv, optisch, magnetostriktiv, kapazitiv, piezoelektrisch oder magnetoresistiv erfolgen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines mechanischen Bauteils ist eine Pendelstütze, die stabförmig ausgebildet und Teil eines Wankstabilisierungssystems eines Fahrzeuges ist. Mit dem Sensormodul, welches erfindungsgemäß an der Pendelstütze befestigt wird, kann die Stützkraft gemessen werden.As sensitive elements 4 or force sensors 4 come most commercial force sensors, z. B. strain gauges in question. However, it is also possible to use carbon nanotubes as a sensitive element, as described in the applicant's application filed at the same time with the internal file reference ZF 006408. The measurement via the sensitive element 4 can be inductive, resistive, optical, magnetostrictive, capacitive, piezoelectric or magnetoresistive. A preferred embodiment of a mechanical component is a pendulum support, which is rod-shaped and part of a roll stabilization system of a vehicle. With the sensor module, which is mounted according to the invention on the pendulum support, the support force can be measured.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Sensormodul sensor module
2 2: mechanisches Bauteil mechanical component
2a 2a: Oberfläche des Bauteils Surface of the component
3 3: Zwischenelement intermediate element
4 4: sensitives Element (Kraftsensor) sensitive element (force sensor)
5 5: Gehäuse casing
6a 6a: Formschlusselement Form-fitting element
6b 6b: Formschlusselement Form-fitting element
7 7: Spannband strap
8 8th: Spannband strap
F F: Zugkraft traction

Claims

Mechanisches Bauteil für ein Fahrzeug, aufweisend einen Messbereich mit einer Oberfläche und einem dem Messbereich zugeordneten Kraftsensor zur Erfassung einer das Bauteil beanspruchenden Kraft, wobei der Kraftsensor (4) mittels eines Zwischenelements (3) auf der Oberfläche (2a) des Bauteils (2) befestigt ist. A mechanical component for a vehicle, comprising a measuring area with a surface and a force sensor associated with the measuring area for detecting a force stressing the component, wherein the force sensor ( 4 ) by means of an intermediate element ( 3 ) on the surface ( 2a ) of the component ( 2 ) is attached.

Mechanisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (3) kraftschlüssig mit dem Bauteil (2) verbunden ist. Mechanical component according to claim 1, characterized in that the intermediate element ( 3 ) frictionally with the component ( 2 ) connected is.

Mechanisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (3) mit Hilfe von Spann- oder Klemmelementen (7, 8) mit dem Bauteil (2) verbunden ist. Mechanical component according to claim 2, characterized in that the intermediate element ( 3 ) by means of clamping or clamping elements ( 7 . 8th ) with the component ( 2 ) connected is.

Mechanisches Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) auf dem Zwischenelement (3) angeordnet ist. Mechanical component according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the force sensor ( 4 ) on the intermediate element ( 3 ) is arranged.

Mechanisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) kraft-, form- oder stoffschlüssig auf dem Zwischenelement (3) befestigt ist. Mechanical component according to claim 4, characterized in that the force sensor ( 4 ) positively, positively or materially on the intermediate element ( 3 ) is attached.

Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) innerhalb eines Gehäuses (5) angeordnet ist, welches an dem Zwischenelement (3) befestigt ist. Mechanical component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the force sensor ( 4 ) within a housing ( 5 ) arranged on the intermediate element ( 3 ) is attached.

Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist. Mechanical component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the force sensor ( 4 ) is designed as a strain gauge.

Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) ein sensitives Element aus Carbon Nanotubes aufweist, wobei die Carbon Nanotubes auf das Zwischenelement (3) aufgebracht sind. Mechanical component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the force sensor ( 4 ) has a sensitive element of carbon nanotubes, wherein the carbon nanotubes on the intermediate element ( 3 ) are applied.

Mechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (4) als piezoresistive Schicht ausgebildet ist, welche auf das Zwischenelement (3) aufgebracht ist. Mechanical component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the force sensor ( 4 ) is formed as a piezoresistive layer, which on the intermediate element ( 3 ) is applied.