KR20210077603A

KR20210077603A - Wim 힘 변환기 및 이러한 wim 힘 변환기를 위한 하우징 프로파일

Info

Publication number: KR20210077603A
Application number: KR1020200173099A
Authority: KR
Inventors: 킴 플루거
Original assignee: 키스틀러 홀딩 아게
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-06-25
Also published as: EP3839447B1; KR102521008B1; EP3839447A1; EP3839447C0; HUE062097T2; PL3839447T3; US20210181040A1; JP7105295B2; KR20230015488A; JP2021096256A; CN112985650A; CN112985650B; US11609129B2

Abstract

본 발명은, 하우징 프로파일(1) 및 압전 측정 장치(5)를 포함하는 WIM 힘 변환기(100)로서; 상기 압전 측정 장치(5)는 측정할 반력(K)의 영향 하에 전기 분극 전하를 생성하고; 상기 하우징 프로파일(1)은 관형 부분(2) 및 관형 부분(2) 내부의 공동(22)을 포함하고; 상기 반력은 힘 도입 축(Y)을 따라 하우징 프로파일(1)을 통해 압전 측정 장치(5)에 작용하며; 상기 압전 측정 장치(5)는 힘 도입 축(Y)을 따라 기계적 프리스트레스(V) 하에 공동(22)에 장착되고; 장착력 축(X)을 따라 작용하는 장착력(M)이 관형 부분(2)에 가해질 수 있으며, 압전 측정 장치(5)를 공동(22)에 장착하기 위해 관형 부분(2)은 가해진 장착력(M)에 의해 힘 도입 축(Y)을 따라 확장될 수 있으며; 상기 힘 도입 축(Y)과 장착력 축(X)에 의해 정의된 단면 평면(XY)에서, 상기 관형 부분(2)은 장착력 축(X)을 따라 연장되는 장 반축(a) 및 힘 도입 축(Y)을 따라 연장되는 단 반축(b)을 갖는 타원 형상인 WIM 힘 변환기(100)에 관한 것이다.

Description

WIM 힘 변환기 및 이러한 WIM 힘 변환기를 위한 하우징 프로파일{WIM force transducer and housing profile for such WIM force transducer}

본 발명은 독립 청구항의 서문에 따른 WIM 힘 변환기(WIM force transducer)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 WIM 힘 변환기를 위한 하우징 프로파일에 관한 것이다.

힘 변환기는 일반적으로 알려져 있다. 측정할 힘은 힘 변환기에 작용하고 힘 변환기는 이 힘의 작용 하에 측정 신호를 생성한다.

보다 구체적으로, 힘 변환기는 WIM(Weigh-In-Motion) 힘 변환기의 형태로 알려져 있다. 이러한 WIM 힘 변환기는 도로에 설치되고 WIM 힘 변환기를 건널 때 도로를 주행하는 차량의 반력(reaction force)을 측정한다. 출원인은 압전 측정 장치가 반력의 영향(impact) 하에 전기 분극 전하의 형태로 측정 신호를 생성하는 WIM 힘 변환기의 시장 리더이다. 전기 분극 전하는 전극에 의해 수용된다. 전기 분극 전하의 수는 반력의 양에 비례한다. 반력의 측정은 동적이다. 즉, 2 km/h에서 200 km/h 및 그 이상까지의 범위의 차량 속도에서 측정된다. 차축 하중, 총 중량, 중심 거리, 차량 길이, 차량 속도 등과 같은 측정 신호로부터 광범위한 교통 정보를 결정할 수 있다.

문서 EP 0654654 A1에서 출원인은 이러한 WIM 힘 변환기를 개시한다. WIM 힘 변환기는 힘 도입 플랜지, 관형 부분 및 힘 고정 플랜지를 포함하는 하우징 프로파일을 포함한다. 압전 측정 장치는 관형 부분 내의 공동(cavity)에 배치된다. 도로는 수평축을 따라 연장된다. 힘 도입 플랜지는 도로 표면 아래 몇 cm 떨어진 곳에 배치된다. 측정할 반력은 압전 측정 장치 상에서 하우징 프로파일을 통해 수직 축을 따라 안내된다. 수직 축은 힘 도입 축이라고도 한다. WIM 힘 변환기는 힘 고정 플랜지에 의해 도로의 표면 아래에 영구적으로 기계적 고정된다.

관형 부분은 벽을 포함한다. 벽은 오염, 먼지 및 습기와 같은 유해한 환경 조건으로부터 압전 측정 장치를 보호한다.

관형 부분은 2개의 장착 부재를 포함한다. 장착 부재는 벽과 일체로 제작된다. 장착 부재는 관형 부분의 내부에 압전 측정 장치를 수용하기 위한 공동을 한정한다.

또한, 장착 부재는 공동 내에 기계적 프리스트레스(mechanical prestress) 하에서 압전 측정 장치를 유지한다. 이러한 기계적 프리스트레스 때문에, 압전 측정 요소의 표면과 압전 측정 장치의 전극은 힘 잠금(force-locking) 방식으로 서로 위에 놓여 서로 전기적으로 접촉하지 않는 영역과 부분적 전하 태핑(tapping)을 제거하고 이러한 표면의 거칠기 및 요철(unevenness)을 밀봉하여 WIM 힘 변환기의 높은 측정 반복성 및 선형성을 초래한다. 측정 반복성은 동일한 조건에서 측정을 반복할 수 있는 정확도와 관련된다. 선형성은 반응력이 증가함에 따라 전기 분극 전하의 수가 얼마나 균일하게 증가하는지를 나타낸다.

기계적 프리스트레스를 생성하기 위해, 힘 도입 축 방향으로의 압전 측정 장치의 크기는 공동의 크기에 대해 특정의 초과 크기(oversize)로 제공된다. 공동에 압전 측정 장치를 장착하기 위해, 관형 부분은 수평 방향으로 작용하는 장착력(mounting force)에 의해 힘 도입 축의 방향으로 탄성적으로 확장된다. 수평 축은 장착력 축이라고도 한다. 압전 측정 장치가 공동에 장착된 후 장착력이 해제된다. 따라서 힘 도입 축을 따른 관형 부분의 탄성 확장은 부분적으로 반전되고, 초과 크기로 인해 기계적 프리스트레스가 이제 힘 도입 축의 방향으로 작용한다.

문서 EP 0654654 A1의 교시에 따르면, 관형 부분은 힘 도입 축 및 장착력 축에 의해 정의된 단면 평면(cross-sectional plane)에서 원형 형상을 가지며 벽은 균일한 벽 두께를 갖는다.

장착 부재들 사이의 공동의 치수는 고정밀도로 제작되어야 한다는 것이 밝혀졌다. 너무 큰 초과 크기의 경우, 관형 부분을 확장하기 위해 더 큰 장착력이 적용되어야 하여 조립 동안에 관형 부분의 부분적 소성 확장의 위험이 수반된다. 부분적 소성 확장을 겪는 관형 부분은 장착력이 해제될 때 예측할 수 없는 형상을 취하여 우세한 기계적 프리스트레스가 너무 낮을 것이다. 또한 초과 크기가 충분히 크지 않으면 장착력이 해제된 후 작용하는 기계적 프리스트레스가 너무 낮을 것이다.

이와 관련하여, 문서 CN 102928005 A1은 장착 부재로부터의 거리가 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 벽 두께를 갖는 벽을 포함하는 관형 부분, WIM 힘 변환기를 교시한다. 장착력이 장착력 축을 따라 벽에 작용하는 2개의 장착 지점에서 벽은 최대 벽 두께를 갖는다. 장착 부재로부터 장착 지점까지의 벽 두께는 코사인 방식으로 증가한다. 이에 의해 거대한 다이아몬드 형상의 관형 부분이 초래된다.

WIM 힘 변환기의 가능한 최고 감도를 얻기 위해, 압전 측정 장치는 주요 힘 경로에 배치되어야 한다. 감도는 전기 분극 전하의 수와 반력 크기의 비율이다. 주요 힘 경로에서 가능한 최고 비율의 반력이 하우징 프로파일을 통해 압전 측정 장치로 전달된다. 문서 CN 102928005 A1의 교시에 따른 거대한 다이아몬드 형상의 관형 부분은 WIM 힘 변환기의 감도를 감소시킨다.

본 발명의 제1 목적은 높은 측정 반복성 및 높은 선형성을 갖는 측정 신호를 생성하는 WIM 힘 변환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 매우 민감한 WIM 힘 변환기를 제공하는 것이다. 또한, 제3 목적은 이러한 WIM 힘 변환기를 위한 하우징 프로파일의 비용 효율적인 제조를 제공하는 것이다.

상기 목적 중 적어도 하나는 독립 청구항의 특징에 의해 달성되었다.

본 발명은 하우징 프로파일 및 압전 측정 장치를 포함하는 WIM 힘 변환기에 관한 것이며, 상기 압전 측정 장치는 측정할 반력의 영향 하에 전기 분극 전하를 생성하고; 상기 하우징 프로파일은 관형 부분 및 관형 부분 내부의 공동을 포함하고; 상기 반력은 힘 도입 축을 따라 하우징 프로파일을 통해 압전 측정 장치에 작용하고; 상기 압전 측정 장치는 공동 내에 힘 도입 축을 따라 기계적 프리스트레스 하에 장착되고; 장착력 축을 따라 작용하는 장착력이 관형 부분에 가해질 수 있으며, 압전 측정 장치를 공동에 장착하기 위해, 상기 관형 부분은 가해진 장착력에 의해 힘 도입 축을 따라 확장 가능하며; 힘 도입 축 및 장착력 축에 의해 정의된 단면 평면에서, 관형 부분은 장착력 축을 따라 연장되는 장 반축(major semiaxis)을 갖고 힘 도입 축을 따라 연장되는 단 반축(minor semiaxis)을 갖는 타원 형상이다.

본 발명에 따르면, WIM 힘 변환기의 관형 부분은 문서 EP 0654654 A1에 교시된 바와 같이 단면 평면에서 더 이상 원형 형상을 갖지 않는다. 대신, 본 발명에 따른 관형 부분은 단면 평면에서 타원형이다.

출원인은, 단면 평면에서 타원형이고 힘 도입 축을 따르는 것보다 장착력 축을 따라 더 큰 치수를 갖는 관형 부분에 적용되는 문서 EP 0654654 A1의 원형 관형 부분의 경우에서와 동일한 양의 장착력으로 관형 부분의 소성 확장을 피하면서 힘 도입 축을 따라 더 큰 확장을 가져온다는 것을 발견했다.

비교로서, 동일한 양의 장착력은 본질적으로 관형 부분의 수직 확장을 30% 더 초래한다. 그 결과, 본 발명에 따른 관형 부분 및 압전 측정 장치에 대한 제조 공차(manufacturing tolerances)가 덜 엄격하여 제조 비용을 더 효율적으로 만든다.

유리한 실시형태에서, WIM 힘 변환기의 관형 부분은 외부 표면 및 중심점을 포함하고, 상기 외부 표면은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되고; 관형 부분은 적어도 장착 영역 및 내부 표면을 포함하고, 장착 영역은 장착력 축 상에 위치하며; 내부 표면은 장착 영역의 중심점을 향해 오목하게 형성된다.

장착력이 가해질 수 있는 장착 영역에서, 관형 부분은 특정 디자인에 의해 특정 영역에서 기계적으로 강화된다. 외부 표면은 중심점에서 멀리 타원형으로 형성되고, 내부 표면은 중심점을 향해 볼록하도록 형성된다. 그 이유는 장착력이 장착 영역에서 국부적으로 작용하고 장착 영역을 변형시키기 때문이다. 장착력은 외부 표면에 압축력을 발생시키고 장착력은 내부 표면에 인장력을 발생시킨다. 외부 표면에서 압축력은 장착 영역을 향해 접선 방향으로 작용한다. 내부 표면에서 인장력은 장착 영역으로부터 떨어져 접선 방향으로 작용한다. 외부 표면의 타원 형상 및 내부 표면의 오목한 형상은 특히 압축력과 인장력의 영향 하에 장착 영역의 소성 변형을 회피한다.

장착 영역은 문서 EP 0654654 A1의 관형 부분에 적용된 것과 동일한 양의 장착력이 본질적으로 25% 더 작은 관형 부분의 소성 확장 비율을 생성하도록 강화된다. 결과적으로, 이 강화된 장착 영역은 장착력이 해제된 후 원하는 양의 기계적 프리스트레스가 달성될 가능성을 더 높이고, 이는 차례로 더 높은 측정 반복성 및 힘 변환기의 더 높은 선형성으로 이어진다.

다른 유리한 실시형태에서, WIM 힘 변환기의 관형 부분의 장착 영역은 2개의 전환점들 사이의 내부 표면에서 연장되며; 내부 표면에서 장착 영역은 일정한 오목한 간화 반경을 포함한다.

이는 장착력 축을 따른 장착 영역의 축 방향 확장이 강화 반경의 크기에 의해 정밀하게 조정될 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서 강화된 장착 영역의 크기는 장착력의 크기로 특별히 조정된다. 강화된 장착 영역의 크기는 측정할 반력의 가능한 최소 비율이 강화된 장착 영역에서 분산되고 가능한 최대 반력 비율이 압전 측정 장치에 작용하도록 필요한만큼 작게 유지되어, WIM 힘 변환기의 가능한 최고의 감도를 초래한다.

다른 유리한 실시형태에서, WIM 힘 변환기의 관형 부분의 장착 영역은 장착 영역 각도에 걸쳐 방사형 축을 따라 연장되거나; 또는 WIM 힘 변환기의 관형 부분의 장착 영역은 강화 높이에 걸쳐 힘 도입 축을 따라 연장된다.

이것은, 방사형 축을 따른 장착 영역의 반경 방향 확장이 장착 영역 각도의 크기에 의해 정밀하게 조정될 수 있고, 힘 도입 축을 따른 장착 영역의 축 반향 확장이 강화 높이의 크기에 따라 정밀하게 조정될 수 있다는 이점을 갖는다. 이는 또한 필요한 만큼의 강화된 장착 영역의 작은 크기, 강화된 장착 영역에 걸쳐 소산되는 측정할 반력의 가능한 최소 비율, 및 압전 측정 장치에 작용하는 반력의 가능한 최대 비율을 초래한다. 이것이 함께 WIM 힘 변환기의 가능한 최고 감도를 초래한다.

다른 유리한 실시형태에서, WIM 힘 변환기의 관형 부분은 복수의 벽 영역을 포함하고; 벽 영역에서 외부 표면은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되고, 벽 영역에서 내부 표면은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되며; 벽 영역은 벽 두께를 가지며, 상기 벽 두께는 본질적으로 일정하다.

문서 CN 102928005 A1의 교시와 대조적으로, WIM 힘 변환기의 관형 부분은 일정한 벽 두께를 갖는 여러 벽 영역을 포함한다. 이 벽 두께는 필요한만큼 작게 유지되어 측정할 반력의 가능한 가장 작은 비율이 벽 영역에 결쳐 소산되고 측정할 반력의 가능한 최대 비율이 압전 측정 장치에 도달하여 WIM 힘 변환기의 가능한 최고 감도를 초래한다.

본 발명은 또한 그러한 WIM 힘 변환기를 위한 하우징 프로파일에 관한 것이다.

문제에 대한 추가의 유리한 해결책이 추가의 종속 청구항의 특징에 의해 달성된다.

이하에서, 본 발명은 다음의 도면을 참조하여 예시적으로 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 WIM 힘 변환기의 하우징 프로파일의 실시형태의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 WIM 힘 변환기의 압전 측정 장치의 실시형태의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 3은 장착력에 의해 확장된 도 1에 따른 WIM 힘 변환기의 하우징 프로파일의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 4는 도 3에 따른 WIM 힘 변환기의 확장된 하우징 프로파일에 장착된 후 도 2에 따른 힘 변환기의 압전 측정 장치의 일부의 단면을 도시한다.
도 5는 장착력이 해제된 후 도 4에 따른 WIM 힘 변환기의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 6은 모델링된 원형 관형 부분의 압축 및 확장 표현을 도시한다.
도 7은 모델링된 타원형 관형 부분의 압축 및 확장 표현을 도시한다.
도면에서 동일한 부분은 항상 동일한 참조 번호로 표시된다.

도 1은 본 발명에 따른 WIM 힘 변환기(100)의 하우징 프로파일(1)의 실시형태의 일부를 통한 단면을 도시한다. 이러한 WIM 힘 변환기(100)는 도로에 삽입되어 차량이 WIM 힘 변환기를 횡단할 때 도로를 주행하는 차량으로부터 반력을 측정한다. 그러나, 본 발명을 알고 있는 당업자를 위해 하우징 프로파일을 갖는 다른 힘 변환기에서 본 발명을 수행하는 것이 또한 가능하다.

수평 축 또는 장착력 축(X) 및 수직 축 또는 힘 도입 축(Y)이 도 1에 표시되어 있다. 두 축은 힘 변환기(100)의 중심점(C)에서 교차한다. 단면은 장착력 축(X) 및 힘 도입 축(Y)에 의해 정의된 단면 평면(XY)에 도시된다. 세로 축은 도시되지 않는다. 장착력 축(X), 힘 도입 축(Y) 및 세로 축은 서로 수직이다. 도로는 장착력 축(X)에 평행하게 연장된다.

하우징 프로파일(1)은 철, 철 합금, 강철, 알루미늄 등과 같은 기계적 내성 재료로 만들어진다. 하우징 프로파일(1)은 예를 들어 장착력 축(X)를 따라 35 mm의 폭을 갖는다. 하우징 프로파일(1)은 예를 들어 힘 도입 축(Y)를 따라 35 mm의 높이를 갖는다. 하우징 프로파일(1)은 세로 축을 따라 1000 mm 또는 2000 mm의 길이를 가질 수 있다. 하우징 프로파일(1)은 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진다. 바람직하게는, 하우징 프로파일(1)은 하나의 조각으로 제조된다. 한 조각의 알루미늄으로 만들어진 하우징 프로파일(1)은 철, 철 합금, 강철 등에 비해 무게가 가볍기 때문에 비용 효율적으로 제조될 수 있고 도로에 쉽게 운반 및 설치될 수 있다.

하우징 프로파일(1)은 힘 도입 플랜지(3), 관형 부분(2) 및 힘 고정 플랜지(4)를 포함한다. 힘 도입 축(Y)과 관련하여, 관형 부분(2)은 힘 도입 플랜지(3)와 힘 고정 플랜지(4) 사이에 배치된다. 힘 도입 플랜지(3)의 힘 도입 표면(30)은 장착력 축(X)에 평행하고 도로 표면 아래 수 cm의 거리에 위치한다. 측정할 반력은 힘 도입 플랜지(3)의 힘 도입 표면(30)으로부터 힘 도입 축(Y)을 따라 관형 부분(2)으로 안내된다. 힘 변환기(100)는 힘 고정 플랜지(4)에 의해 도로의 표면 아래에 기계적으로 영구적 고정된다. 힘 고정 플랜지(4)의 힘 고정 표면(40)은 장착력 축(X)에 평행하다.

중심점(C)의 영역에서 관형 부분(2)은 내부가 중공이다. 단면에서, 관형 부분(2)은 방사형 축(R)을 따라 완전히 360°둘레에서 공동(22)을 둘러싼다. 방사형 축(R)은 단면 평면(XY)에서 연장된다. 관형 부분(2)은 내부 표면(200)을 포함하고, 내부 표면(200)은 중심점(C)을 향하고 공동(22)을 한정한다. 관형 부분(2)은 외부 표면(210)을 포함하고, 외부 표면(210)은 중심점(C)의 반대 방향으로 향하고 외부를 향해 관형 부분(2)을 한정한다.

외부 표면(210)은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성된다. 외부 표면(210)은 장 반축(a) 및 단 반축(b)를 갖는다. 장 반축(a)는 장착력 축(X)과 일치하고, 단 반축(b)는 힘 도입 축(Y)과 일치한다. 또한, 타원형 외부 표면(210)의 제1 초점(F1) 및 타원형 외부 표면(210)의 제2 초점(F2)은 장착력 축(X) 상에 위치한다.

장 반축(a)은 중심점(C)과 외부 표면(210)상의 장착점(252) 사이의 장착력 축(X)에서 측정된다. 장 반축(a)의 길이는 예를 들어 12.5 mm이다. 단 반축(b)은 중심점(C)과 전이 영역(23)의 전이 라인(230)상의 지점 사이의 힘 도입 축(Y)에서 측정된다. 단 반축(b)의 길이는 예를 들어 12.0 mm이다.

관형 부분(2)은 상이한 영역(20, 23, 25)을 포함한다. 따라서, 관형 부분(2)은 복수의 벽 영역(20), 복수의 전이 영역(23) 및 복수의 장착 영역(25)을 포함한다. 상이한 영역(20, 23, 25)에 의해, 관형 부분(2)은 방사형 축(R)을 따라 360°로 완전히 공동(22)를 둘러싼다. 상이한 영역(20, 23, 25)은 내부 표면(200) 및 외부 표면(210)을 갖는다. 상이한 영역(20, 23, 25)의 각각은 특수 기능을 위해 최적화된다.

바람직하게는, 관형 부분(2)은 힘 도입 축(Y)과 장착력 축(X) 사이에 4개의 벽 영역(20)을 포함한다. 벽 영역(20)은 가능한 한 작은 벽 두께의 관형 부분(2)을 갖도록 최적화된다. 벽 두께가 가능한 한 작기 때문에, 측정할 반력의 상대적으로 작은 부분만이 벽 영역(20)으로 전달될 것이다. 각 벽 영역(20)은 방사형 축(R)을 따라 벽 영역 각도(α20) = 50°에 걸쳐 연장된다. 벽 영역(20)에서 외부 표면(210)은 중심점(C)으로부터 떨어져 본질적으로 타원형으로 형성된다. 벽 영역(20)에서 내부 표면(200)은 중심점(C)으로부터 떨어져 본질적으로 타원형으로 형성된다. 본 발명의 목적을 위해, 부사 "본질적으로"는 적어도 90% 완전한 것을 의미하도록 의도된다.

벽 영역(20)은 벽 두께(W20)를 갖는다. 벽 두께(W20)는 도 1에 도시되어 있다. 벽 두께(W20)는 외부 표면(210)상의 지점과 내부 표면(200)상의 지점 사이에서 측정된다. 바람직하게는, 벽 두께(W20)는 본질적으로 일정하다. 벽 두께(W20)는 관형 부분(2)의 가장 작은 벽 두께이다. 벽 두께(W20)는 예를 들어 2.0 mm이다.

벽 영역(20)은 전이 영역(23)과 연속적이다. 또한, 벽 영역(20)은 장착 영역(25)과 연속적이다. 본 발명의 목적 상, 연속이란 벽 두께(W20)가 연속적이고 무단 방식으로 전이 영역(23)의 전이 벽 두께(W23)로 변하고, 벽 두께(W20)가 연속적이고 무단 방식으로 장착 영역(25)의 강화 벽 두께(W25)로 변하는 것을 의미한다. 이러한 연속적인 전이는 장착력의 작용 하에서 기계적 측면에서 특히 안정적이며 장착력의 양에 대한 소성 변형을 보이지 않는다. 내부 표면(200)에서, 각 벽 영역(20)은 전이 영역(23)의 정점(P23)과 장착 영역(25)의 전환점(P20) 사이에서 연장된다.

바람직하게는, 관형 부분(2)은 2개의 전이 영역(23)을 포함하고, 전이 영역(23)은 힘 도입 축(Y) 상에 있다. 각각의 전이 영역(23)은 전이 영역 각도(α23) = 20°에 걸쳐 방사형 축(R)을 따라 연장된다. 전이 영역(23)은 압전 측정 장치 상으로 가능한 최고 힘 변환을 위해 최적화된다. 가능한 최고 힘 변환으로 측정할 반력의 상대적으로 높은 비율이 압전 측정 장치로 전달된다.

제1 전이 영역(23)에서 관형 부분(2)은 힘 도입 플랜지(3)에 기계적으로 연결된다. 제2 전이 영역(23)에서 관형 부분(2)은 힘 고정 플랜지(4)에 기계적으로 연결된다. 따라서, 관형 부분(2)은 전이 영역(23)에서는 외부 표면을 갖지 않는다. 대신, 관형 부분(2)은 전이 영역(23)에 전이 라인(230)을 갖는다. 전이 라인(230)은 인접한 벽(20)의 외부 표면(210)으로부터 연속적으로 연장되는 파선으로서 도시된다. 전이 라인(230)은 힘 도입 플랜지(3) 및 힘 고정 플랜지(4)에 대한 관형 부분(2)의 경계를 나타낸다. 전이 영역(23)에서 관형 부분(2)은 힘 도입 플랜지(3) 및 힘 고정 플랜지(4)에 바람직하게는 재료 결합에 의해 연결된다.

제1 전이 영역(23)은 제1 장착 부재(26)에 기계적으로 연결된다. 제2 전이 영역(23)은 제2 장착 부재(26)에 기계적으로 연결된다. 바람직하게는, 관형 부분(2)은 2개의 장착 부재(26)를 포함하며, 이 장착 부재(26)는 힘 도입 축(Y) 상에 있다. 2개의 장착 부재(26)는 단면이 펀치(punch) 형상이다. 2개의 장착 부재는 단면 치수가 동일하다. 2개의 장착 부재(26)는 2개의 내부 힘 도입 표면(260)과 서로 마주한다. 2개의 내부 힘 도입 표면(260)은 힘 도입 축(Y)를 따라 공동(22)을 한정한다. 2개의 내부 힘 도입 표면(260)은 내부 표면(200)의 일부이다. 바람직하게는, 내부 힘 도입 표면(200)은 장착력 축(X)에 평행한 평면에 있다. 내부 힘 도입 표면(260)은 바람직하게는 0.02 mm의 덜 엄격한 평탄도(evenness)로 제조된다. 내부 힘 도입 표면(260)은 바람직하게는 0.02 mm의 덜 엄격한 평행도(parallelism)로 제조된다. 내부 힘 도입 표면(260)은 바람직하게는 0.02 mm의 덜 엄격한 두께 공차로 제조된다. 내부 힘 도입 표면(260)은 예를 들어 힘 도입 축(Y)를 따라 5.9 mm의 수직 거리(261)를 갖는다.

내부 표면(200)의 일부는 전이 영역(23)에서 포물선 형상이다. 각 전이 영역(23)은 2개의 포물선을 갖는다. 각 포물선은 꼭지점(P23)을 갖는다.

전이 영역(23)은 전이 벽 두께(W23)를 갖는다. 전이 벽 두께(W23)는 도 1에 도시되어 있다. 전이 벽 두께(W23)는 전이 라인(230)상의 지점과 내부 힘 도입 표면(260)상의 지점 사이의 힘 도입 축(Y) 상에서 측정된다. 전이 벽 두께(W23)는 관형 부분(2)의 최대 벽 두께이다. 전이 벽 두께(W23)는 예를 들어 10 mm이다.

바람직하게는, 관형 부분(2)은 2개의 장착 영역(25)을 포함하며, 이 장착 영역(25)은 장착력 축(X) 상에 있다. 장착 영역(25)은 관형 부분(2)의 특정의 국부적인 기계적 강화를 위해 최적화된다. 각 장착 영역(25)은 바람직하게는 외부 표면(210)에 위치한 장착 지점(252) 및 내부 표면(200)에 위치한 강화 지점(253)을 포함한다. 장착 지점(252)에서 외부 표면(210)은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성된다. 강화 지점(253)에서 내부 표면 200은 중심점(C)를 향해 오목하다. 외부 표면의 타원형 형상 및 내부 표면의 오목한 형상은 특히 압축력 및 인장력의 작용하에 장착 영역의 소성 변형을 방지한다.

각 장착 영역(25)은 장착 영역 각도(α25) = 20°에 걸쳐 방사형 축(R)을 따라 연장된다. 방사형 축(R)을 따른 장착 영역(25)의 방사상 연장은 장착 영역 각도(α25)의 크기에 의해 정밀하게 조정 가능하다. 각 장착 영역(25)은 내부 표면(200)상의 2개의 전환점들(P20) 사이에서 연장된다. 각각의 장착 영역(25)은 강화 높이(251)에 걸쳐 힘 도입 축(Y)을 따라 연장된다. 힘 도입 축(Y)을 따른 장착 영역(25)의 축 치수는 강화 높이(251)의 크기에 의해 정밀하게 조절 가능하다. 강화 높이(251)는 예를 들어 6.0 mm이다. 강화 지점(253)에서 내부 표면(200)은 바람직하게는 일정한 오목한 강화 반경(R25)을 가지며, 이 강화 반경(R25)은 기준 지점(P25)으로부터 측정되고, 상기 기준 지점(P25)은 장착력 축(X) 상에서 관형 부분(2)의 외부에 있다. 장착력 축(X)을 따른 장착 영역(25)의 축 방향 치수는 강화 반경(R25)의 크기에 의해 정밀하게 조정 가능하다. 예를 들어, 강화 반경(R25)은 16.0 mm이다.

장착 영역(25)은 강화된 벽 두께(W25)를 갖는다. 강화된 벽 두께(W25)는 도 1에 도시되어 있다. 강화된 벽 두께(W25)는 외부 표면(210)상의 장착 지점(252)과 내부 표면(200)상의 강화 지점(253) 사이의 장착력 축(X) 상에서 측정된다. 강화된 벽 두께(W25)는 예를 들어 2.5 mm이다.

도 2는 본 발명에 따른 힘 변환기(100)의 압전 측정 장치(5)의 일 실시형태의 일부를 통한 단면을 도시한다.

압전 측정 장치(5)는 적어도 하나의 압전 측정 요소(50) 및 적어도 하나의 전극(51)을 포함한다. 압전 측정 장치(5)는 힘 도입 축(Y)을 따라 예를 들어 6.00 mm의 수직 높이(551)를 갖는다. 압전 측정 장치(5)는 장착력 축(X)을 따라 예를 들어 12.0 mm의 폭을 갖는다. 압전 측정 장치(5)는 종축을 따라 예를 들어 12.0 mm의 길이를 갖는다.

압전 측정 장치(5)는 측정할 힘(K)이 힘 도입 축(Y)를 따라 작용하는 외부 힘 도입 표면(500)을 포함한다. 힘(K)은 도 2에서 흑색 화살표로 도시되어 있다. 바람직하게는, 압전 측정 장치(5)는 측정할 힘(K)이 힘 도입 축(Y)를 따라 작용하는 2개의 외부 힘 도입 표면(500)을 포함한다. 외부 힘 도입 표면(500)은 장착력 축(X)에 평행한 평면에 있다. 외부 힘 도입 표면(500)의 평탄도, 평행도, 두께 공차 등과 같은 제조 공차는 덜 엄격하여 비용 효율적인 제조를 가능하게 한다. 외부 힘 도입 표면(500)은 바람직하게는 0.03 mm의 덜 엄격한 평탄도로 제조된다. 외부 힘 도입 표면(500)은 바람직하게는 0.03 mm의 덜 엄격한 평행도로 제조된다. 외부 힘 도입 표면(500)은 바람직하게는 0.03 mm의 덜 엄격한 두께 공차로 제조된다.

압전 측정 요소(50)는 디스크 형상이고 석영(SiO₂ 단결정), 칼슘 갈로-게르 마네이트(Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄ 또는 CGG), 랑가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄ 또는 LGS), 전기석, 갈륨 오르토포스페이트, 압전 세라믹과 같은 압전 결정 재료로 구성된다. 압전 측정 요소(50)는 측정할 힘(K)에 대해 높은 감도를 갖는 결정학적 배향으로 절단된다. 감도는 측정할 힘(K)의 특정 양에 대해 얼마나 많은 전기 분극 전하가 생성되는지의 척도이다. 바람직하게는, 압전 측정 요소(50)는 힘(K)이 힘 도입 축(Y)를 따라 작용하는 표면에 음 및 양의 전기 분극 전하가 생성되도록 종 방향 효과에 따라 배향된다. 전기 분극 전하의 수는 힘(K)의 크기에 비례한다. 힘(K)이 힘 도입 축(Y)를 따라 작용하는 표면 크기의 제곱에 따라 전기 분극 전하의 수가 증가한다. 표면이 클수록 압전 측정 장치(5)의 감도가 높아진다. 그러나, 본 발명을 아는 당업자는 또한 힘이 작용하는 표면에 수직으로 전기 분극 전하가 생성되는 횡 효과에 기초한 것과 같은 상이한 배향을 갖는 압전 측정 요소를 사용할 수 있다.

도 2에 따른 압전 측정 장치(5)는 바람직하게는 2개의 압전 측정 요소(50)를 포함한다. 2개의 압전 측정 요소(50)는 서로에 대해 반대의 결정학적 배향으로 배치된다. 그 결과, 동일한 극성의 전기 분극 전하가 생성되는 2개의 압전 측정 요소(50)의 표면이 서로 마주 보게 된다. 전극(51)은 힘 도입 축(Y)에 대해 2개의 압전 측정 요소(50)의 이들 표면들 사이에 배치된다. 전극(51)은 2개의 압전 측정 요소(50)의 이러한 표면과 직접 기계적으로 접촉한다. 전극(51)은 2개의 압전 측정 요소(50)의 이들 표면으로부터 전기 분극 전하를 수용한다. 탭핑된(tapped) 전기 분극 전하는 전기 전도체를 통해 전기 신호로서 이들이 평가되는 평가 유닛으로 전송된다. 전기 전도체 및 평가 유닛은 도면에 도시되어 있 않다.

압전 측정 장치(5)의 치수는 고감도를 위해 압전 측정 요소(50)의 표면을 가능한 한 크게 만들고, 외부 힘 도입 표면(500)의 평탄도, 평행도 및 두께 공차와 같은 제조 공차를 덜 엄격하게 선택하여 비용 효율적인 방식으로 제조할 수 있도록 최적화된다.

힘 도입 축(Y)를 따른 압전 측정 장치(5)의 치수는 특히 공동(22)에 비해 초과된 수직 크기(vertical oversize)를 갖도록 제조된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 압전 측정 장치(5)는 힘 도입 축(Y)을 따라 6.00 mm의 수직 높이(551)를 갖는 한편, 중공 프로파일(2)의 경우 내부 힘 도입 표면들(260) 사이의 수직 거리(261)는 힘 도입 축(Y)를 따라 5.90 mm이다. 수직 높이(551)와 수직 거리(261) 사이의 차이(261)는 초과된 수직 크기다. 이 예시적인 실시형태에서, 초과된 수직 크기는 0.10 mm이다.

압전 측정 장치(5)는 공동(22)에 장착될 수 있다. 압전 측정 장치(5)를 관형 부분(2)의 공동(22)에 장착하기 위해, 관형 부분(2)은 힘 도입 축(Y)을 따라 확장된다. 이 확장은 힘 도입 축(Y)를 따른 관형 부분(2) 및 압전 측정 장치(5)의 초과된 수직 크기 및 제조 공차만큼 크다. 장착력 축(X)를 따라 작용하는 장착력(M)이 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 이 목적에 적용된다. 바람직하게는, 장착력(M)은 2개의 장착 지점(252)에서 외부로부터 가해진다. 장착력(M)은 도 3 및 도 4에서 흑색 화살표로 도시되어 있다. 장착력(M)의 작용 하에 관형 부분(2)은 장착력 축(X)의 수평 방향으로 압축되고 힘 도입 축(Y)의 수직 방향으로 확장된다. 수평 압축(X)은 관형 부분(2)의 탄성적으로 압축된 장 반축(elastically compressed major semiaxis; a--)으로 이어진다. 수직 확장(y)은 관형 부분(2)의 탄성 확장된 단 반축(elastically expanded minor semiaxis; b++)으로 이어진다. 관형 부분(2)의 수평 압축(X) 및 수직 확장(y)은 도 3 및 4에 파선 내부 표면(200) 및 파선 외부 표면(210)으로서 표현된다.

장착 영역(25)은 벽 영역(20)에 비해 국부적으로 강화된다. 장착 영역(25)의 강화된 벽 두께(W25)는 벽 영역(20)의 벽 두께(W20)보다 더 크다. 장착 지점(252) 및 강화 지점(253)에서의 압축이 탄성인 것은 오직 증가된 벽 두께(W25)에 기인한다. 도 3 및 4에서 흑색 화살표로 도시된 바와 같이, 장착 지점(252)에서의 장착력(M)은 외부 표면(210)상의 압축력(D) 및 내부 표면(210)상의 강화 지점(253)에서의 인장력(Z)을 초래한다. 압축력(D)은 장착 지점(252)을 향해 접선 방향으로 그리고 전이 영역(23)으로부터 떨어져 외부 표면(210)에 작용한다. 인장력(Z)은 강화 지점(253)으로부터 떨어져 그리고 전이 영역(23)을 향해 접선 방향으로 내부 표면(200)에 작용한다.

예시적인 실시형태에서, 관형 부분(2) 및 압전 측정 장치(5)의 평탄도 및 평행도에 관한 제조 공차를 고려하여, 관형 부분(2)은 0.15 mm의 수직 확장(y)에 의해 힘 도입 축(Y)을 따라 넓어진다. 확장된 관형 부분(2)의 내부 힘 도입 표면들(260) 사이의 확장된 수직 거리(260++)는 6.05 mm이다. 그 후, 압전 측정 장치(5)가 수직으로 확장된 관형 부분(2)에 삽입된다. 바람직하게는, 압전 측정 장치(5)는 확장된 관형 부분(2)의 내부 힘 도입 표면들(260) 사이에 6.00 mm의 수직 높이(551)로 설치된다.

압전 측정 장치(5)가 내부에 삽입될 때 장착력(M)이 관형 부분(2)으로부터 해제된다. 압전 측정 장치(5)의 치수와 비교하여 힘 도입 축(Y)를 따른 0.10 mm의 공동(22)의 초과된 수직 크기로 인해, 관형 부분(2)의 수평 압축 및 수직 확장은 부분적으로 유지된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 장착력을 해제하면, 압축된 수평 확장(a--)이 잔류 압축된 수평 확장(residually compressed horizontal expansion; a-)으로, 확장된 수직 확장(b++)이 잔류 확장된 수직 확장(residually expanded vertical expansion; b+)으로 변형된다. 따라서, 0.10 mm의 관형 부분(2)의 잔류 확장된 수직 확장(b1)이 유지된다.

잔류 확장된 수직 확장(b+)은 관형 부분(2) 내에서 압전 측정 장치(5)의 기계적 프리스트레스(V)를 생성한다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 힘 도입 축(Y)를 따른 기계적 프리스트레스(V)는 압전 측정 요소(50) 및 전극(51)의 표면이 힘 잠금 방식으로 서로에 대해 놓이게 하여 서로 전기적으로 접촉하지 않아 불완전한 전하 태핑으로 이어지는 영역이 제거되고 이러한 표면의 거칠기 및 요철이 밀봉되어 힘 변환기(100)의 높은 측정 반복성 및 높은 선형성을 초래한다.

그러나, 관형 부분(2)의 재료는 관형 부분(2)이 조립 중에 부분적인 소성 확장을 나타낼 수 있는 위험을 지니는 재료-특이적 탄성 한계를 갖는다. 장착력(M)을 해제한 후, 부분적 소성 확장을 겪는 관형 부분(2)은 예측할 수 없는 형상을 취하여 우세한 기계적 프리텐션(V)이 너무 작다. 또한, 초과된 수직 크기가 너무 작으면, 장착력(M)을 해제한 후 작용하는 기계적 프리스트레스(V)가 너무 작을 것이다. 예시적인 실시형태에서 하우징 프로파일(1)의 재료로 사용되는 알루미늄은 철, 철 합금, 강철 등에 비해 특히 낮은 탄성 한계를 갖는다.

본 발명에 따른 관형 부분(2)은 타원형이다. 단 반축(b)보다 긴 장 반축(a)를 갖는 타원형 관형 부분(2)의 경우, 장착력 축(X)를 따른 장착력(M)은 장착력 축 및 힘 도입 축을 따라 동일한 원 반경을 갖는 문서 EP 0654654 A1의 원형 관형 부분의 경우보다 힘 도입 축(Y)를 따라 더 큰 수직 확장(y)을 생성할 것이다. 단 반축(b)보다 5% 큰 장 반축(a)의 경우, 장착력(M)은 바람직하게는 장착력 축 및 힘 도입 축을 따라 동일한 원 반경을 갖는 원형 관형 부분에 대한 것보다 본질적으로 30% 더 큰 확장된 수직 확장(y)를 생성한다. 0.15 mm의 수직 확장(y)을 달성하기 위해, 타원형 관형 부분(2)은 0.12 mm의 수평 압축(X)를 유발하는 장착력(M)의 적용을 필요로 한다. 대조적으로, 문서 EP 0654654 A1에 따른 원형 관형 부분의 경우, 장착력(M)은 0.15 mm의 수평 압축을 달성해야 한다.

힘 도입 축(Y)을 따른 더 큰 수직 확장(y)은 본 발명에 따른 관형 부분(2)의 두 가지 기하학 관련 효과에 의해 설명될 수 있다. 이들 두가지 기하학 관련 효과는 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다.

이와 관련하여, 도 6 및 7은 모델링된 관형 부분(2')의 압축 및 확장에 대한 두 가지 표현을 보여준다. 도 6은 원 반경(r)을 갖는 모델링된 원형 관형 부분(2')의 수평 압축 및 수직 확장을 보여준다. 도 7은 단 반축(b) 및 장 반축(a)을 갖는 모델링된 타원형 관형 부분(2')의 수평 압축 및 수직 확장을 보여준다.

장착력 축을 따라 작용하는 장착력(X)의 영향 하에, 모델링된 관형 부분(2')은 힘 도입 축(Y)을 따라 확장된다. 모델링된 관형 부분(2')의 수직 확장은 파선으로 표현된다.

도 6에 따른 모델링된 원형 관형 부분(2')의 수직 확장(y)은 확장된 타원을 초래한다. 힘 도입 축(Y)를 따라, 확장된 타원의 원 반경(r)이 수직 확장(y)에 의해 확대되는 한편, 장착력 축(X)를 따라, 확장된 타원의 원 반경(r)이 수평 압축(X)에 의해 감소된다. 도면 7에 따른 모델링된 타원형 관형 부분(2')의 수직 확장(y)은 확장된 타원을 생성한다. 확장된 타원은 파선으로 표시된다. 힘 도입 축(Y)를 따라 확장 타원의 단 반축(b)이 수직 확장(y)에 의해 확대되는 한편, 장착력 축(X)를 따라 확장 타원의 장 반축(a)이 수평 압축(X)에 의해 감소된다.

강체의 경우, 확장시 빗변(c)의 길이는 변하지 않는다.

도 6에 따른 모델링된 원형 관형 부분(2')의 경우, 장착력(M)은 수평 압축(x)과 동일한 양인 수직 확장(y)을 생성한다.

그러나, 이것은 도 7에 따른 모델링된 타원형 관형 부분(2')의 확장에 대해서는 다르다. 피타고라스 정리는 다음과 같이 선언한다:

c² = a² + b² = (a - x)² + (b + y)²

수직 확장(y)에 대해 푼 이 식은 다음을 제공한다:

a > b 또는 a = (1+n)b(n은 양의 백분율)의 경우 다음이 적용된다:

이 식은 수직 확장(y)의 양이 항상 수평 압축(x)의 양보다 큰 임의의 양의 백분율(n)에 대해 풀 수 있다.

타원형 관형 부분(2)의 경우, 장 반축(a)은 바람직하게는 단 반축(b)보다 5% 더 크며 이는 n = 5%를 의미한다. 또한, 단 반축(b) = 12.0 mm 및 타원형 관형 부분(2)의 경우 수평 압축(X) = 1.2%의 경우에, EP 0654654 A1의 원형 관형 부분의 경우보다 본질적으로 6% 더 큰 수직 확장(y) = 1.26%를 초래한다.

그러나 강체는 무한히 높은 신장 강성(extensional stiffness; ε)을 갖는다. 그러나, 본 발명에 따른 타원형 관형 부분(2) 및 문서 EP 0654654 A1에 따른 원형 관형 부분은 신장 강성(ε)이 관형 부분 재료의 탄성 계수 및 관형 부분의 특정 기하학적 형상에 의존한다.

신장 강성(ε)은 후크(Hook)의 법칙을 따른다. 길이가 1인 원통형 고체의 경우, 고체의 세로 확장(△l/l)은 고체에 작용하는 인장 또는 압축력(K)에 비례한다. 비례 계수는 신장 강성(ε)이다:

이것이 도 6에 따른 모델링된 원형 관형 부분(2')에 적용될 때, 장착력 축(X)을 따른 신장 강성(ε_k)은 원 반경(r)과 장착력(M)의 곱을 수평 압축(x)으로 나눈 것이다. 따라서 원형 관형 부분(2')의 신장 강성(ε_k)은 다음과 같다:

또한, 도 7에 따른 모델링된 타원형 관형 부분(2')의 경우, 상응하게 적용되어, 장착력 축(X)을 따른 신장 강성(ε_e)은 장 반축(a)과 장착력(M)의 곱을 수평 압축(x)으로 나눈 것이다. 따라서 타원형 관형 부분(2')의 신장 강성(ε_e)는 다음과 같다:

그러나, 타원형 관형 부분(2)의 경우, 장착력 축(X)를 따른 장 반축(a)이 힘 도입 축(Y)를 따른 단 반축(b)보다 긴 한편, 문서 EP 0654654 A1의 원형 관형 부분의 경우, 원 반경(r)은 장착력 축(X)을 따라 그리고 힘 도입 축(Y)를 따라 동일하다. 그러나 타원형 관형 부분(2)과 원형 관형 부분은 힘 도입 축(Y)를 따라 본질적으로 동일한 기하학적 형상을 가져 힘 도입 축(Y)를 따라 단 반축(b)의 길이가 원 반경(r)과 동일하다. 바람직하게는, 타원형 관형 부분(2)의 경우, 장 반축(b)은 단 반축(a)보다 5% 더 길고, 따라서 원 반경(r)보다 5% 더 길다. 따라서, 타원형 관형 부분(2)의 신장 강성(ε_e)은 원형 관형 부분의 신장 강성(ε_k)보다 5% 더 크다. 동일한 양의 장착력(M)은 원형 관형 부분에 비해 타원형 관형 부분(2)에 대해 5% 더 큰 수평 압축(x)을 초래한다.

따라서, 타원형 관형 부분(2)과 문서 EP 0654654 A1에 따른 원형 관형 부분은 두 가지 기하학 관련 효과에 의해 상이하다. 첫 번째 기하학 관련 효과는 타원형 관형 부분(2)의 힘 도입 축(Y)를 따라 상대적으로 더 큰 수직 확장(y)이고, 두 번째 기하학 관련 효과는 타원형 관형 부분(2)의 장착력 축(X)를 따라 상대적으로 더 큰 신장 강성(ε_e)이다. 이 두 가지 기하학 관련 효과는 시너지 효과를 내며, 서로 독립적으로 발생하기 때문에 타원형 관형 부분(2)의 경우 두 가지 기하학 관련 효과가 배가되어 본질적으로 30% 더 큰 수직 확장(y)을 달성한다.

1: 하우징 프로파일
2: 관형 부분
2': 모델링된 관형 부분
3: 힘 도입 플랜지
4: 힘 고정 플랜지
5: 압전 측정 장치
20: 벽 영역
22: 공동
23: 전이 영역
25: 장착 영역
26: 장착 요소
30: 힘 도입 표면
40: 힘 고정 표면
50: 압전 측정 요소
51: 전극
100: 힘 변환기
200: 내부 표면
210: 외부 표면
230: 전환 라인
251: 강화 높이
252: 장착 지점
253: 강화 지점
260: 내부 힘 도입 표면
261: 수직 거리
261++: 확장된 수직 거리
500: 외부 힘 도입 표면
551: 수직 높이
α20: 벽 영역 각도
α23: 전이 영역 각도
α25: 장착 영역 각도
a: 장 반축
a-: 잔류 압축 장 반축
a--: 압축된 장 반축
b: 단 반축
b+: 잔류 확장 단 반축
b++: 확장된 단 반축
c: 빗변
C: 중심점
D: 압축력
F1: 제1 초점
F2: 제2 초점
N: 양의 백분율
K: 힘
M: 장착력
P23: 정점
P20: 전환점
P25: 기준점
R: 방사형 축
R25: 강화 반경
r: 원 반경
V: 기계적 프리스트레스
W20: 벽 두께
W23: 전이 벽 두께
W25: 강화 벽 두께
x: 수평 압축
X: 장착력 축
XY: 단면 평면
Y: 힘 도입 축
y: 수직 확장
Z: 인장력

Claims

하우징 프로파일(1) 및 압전 측정 장치(5)를 포함하는 WIM 힘 변환기(WIM force transducer; 100)로서; 상기 압전 측정 장치(5)는 측정할 반력(K)의 영향(impact) 하에 전기 분극 전하를 생성하고; 상기 하우징 프로파일(1)은 관형 부분(2) 및 관형 부분(2) 내부의 공동(cavity; 22)을 포함하고; 상기 반력은 힘 도입 축(Y)을 따라 하우징 프로파일(1)을 통해 압전 측정 장치(5)에 작용하며; 상기 압전 측정 장치(5)는 공동(22) 내에 힘 도입 축(Y)을 따라 기계적 프리스트레스(V) 하에 장착되고; 장착력 축(X)을 따라 작용하는 장착력(mounting force; M)이 관형 부분(2)에 가해질 수 있으며, 압전 측정 장치(5)를 공동(22)에 장착하기 위해 관형 부분(2)은 가해진 장착력(M)에 의해 힘 도입 축(Y)을 따라 확장될 수 있는 WIM 힘 변환기(100)에 있어서;
상기 힘 도입 축(Y)과 장착력 축(X)에 의해 정의된 단면 평면(cross-sectional plane; XY)에서, 상기 관형 부분(2)은 장착력 축(X)을 따라 연장되는 장 반축(major semiaxis; a) 및 힘 도입 축(Y)을 따라 연장되는 단 반축(minor semiaxis; b)을 갖는 타원 형상인 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제1항에 있어서,
상기 관형 부분(2)은 외부 표면(210) 및 중심점(C)을 가지며, 상기 외부 표면(210)은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제2항에 있어서,
상기 관형 부분(2)은 적어도 하나의 장착 영역(25) 및 내부 표면(200)을 포함하고, 상기 장착 영역(25)은 장착력 축(X) 상에 있으며; 상기 장착 영역(25)에서 상기 내부 표면(200)은 중심점(C)을 향해 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제3항에 있어서,
상기 장착 영역(25)은 2개의 전환점(P20) 사이의 내부 표면(200)상에서 연장되며; 내부 표면(200) 상에서 상기 장착 영역(25)은 일정한 오목한 강화 반경(R25)을 갖는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 장착 영역(25)은 장착 영역 각도(α25)에 걸쳐 방사형 축(R)을 따라 연장되거나; 또는 상기 장착 영역(25)은 강화 높이(251)에 걸쳐 힘 도입 축(Y)을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관형 부분(2)은 복수의 벽 영역(20)을 갖고; 상기 벽 영역(20)의 외부 표면(210)은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되고, 상기 벽 영역(20)의 내부 표면(200)은 중심점(C)으로부터 떨어져 타원형으로 형성되며; 상기 벽 영역(20)은 본질적으로 일정한 벽 두께(W20)를 갖는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제6항에 있어서,
상기 벽 영역(20)은 벽 두께(W20)를 가지며; 상기 장착 영역(25)은 강화된 벽 두께(W25)를 가지며; 상기 강화된 벽 두께(W25)는 상기 벽 두께(W20)보다 큰 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 장착 영역(25)은 2개의 전환점(P20) 사이의 내부 표면(200) 상에서 연장되며; 전환점(P20)에서 상기 장착 영역(25)은 벽 영역(20)과 연속적인 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 힘 도입 축(Y)을 따라 상기 공동(22)은 압전 측정 장치(5)의 치수에 비해 초과된 수직 크기(vertical oversize)를 갖도록 특별히 제조되는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제9항에 있어서,
상기 힘 도입 축(Y)을 따라 상기 공동(22)은 내부 힘 도입 표면들(260)에 의해 한정되고; 상기 내부 힘 도입 표면들(260)은 서로로부터 수직 거리(261)를 가지며; 상기 압전 측정 장치(5)는 힘 도입 축(Y)을 따라 수직 높이(551)를 가지고; 상기 수직 거리(261)와 상기 수직 높이(551) 사이의 차이는 초과된 수직 크기인 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제9항에 있어서,
상기 공동(22)에 상기 압전 측정 장치(5)를 장착하기 위해, 상기 단 반축(b)이 힘 도입 축(Y)을 따라 확장된 단 반축(expanded minor semiaxis; b++)으로 확장될 수 있고, 상기 확장은 적어도 상기 초과된 수직 크기 및 상기 힘 도입 축(Y)을 따른 관형 부분(2)과 압전 측정 장치(5)의 제조 공차(manufacturing tolerances)만큼 큰 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 측정 장치(5)는 확장된 단 반축(b++)을 갖는 관형 부분(2)에 장착될 수 있는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제12항에 있어서,
장착된 상기 압전 측정 장치(5)를 갖는 확장된 단 반축(b++)은 잔류 확장된 단 반축(residually expanded minor semiaxis; b+)으로 변형될 수 있고, 상기 확장은 상기 초과된 수직 크기 및 상기 힘 도입 축(Y)을 따른 관형 부분(2)과 압전 측정 장치(5)의 제조 공차와 동일한 양인 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제13항에 있어서,
장착된 상기 압전 측정 장치(5)를 갖는 확장된 단 반축(b++)은 힘 도입 축(Y)을 따라 작용하는 장착력(M)을 해제함으로써 잔류 확장된 단 반축(b+)으로 변형될 수 있고; 상기 잔류 확장된 단 반축(b+)은 기계적 프리스트레스(mechanical prestress; V)를 생성하는 것을 특징으로 하는 WIM 힘 변환기.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 WIM 힘 변환기(100)용 하우징 프로파일(1)에 있어서, 장 반축(a)이 단 반축(b)보다 본질적으로 5% 더 큰 것을 특징으로 하는 하우징 프로파일.