DE10111020A1

DE10111020A1 - Verbindungselement

Info

Publication number: DE10111020A1
Application number: DE10111020A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart; Klaus Marx
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-12
Also published as: JP4288072B2; EP1370776B1; DE50206382D1; US20030156920A1; WO2002070906A1; EP1370776A1; US6832881B2; JP2004518921A

Abstract

Es wird ein Verbindungselement (5) mit einem länglichen Schaft (19), insbesondere eine Schraube oder ein Bolzen, zur Verbindung zweier Körper vorgeschlagen, wobei der Schaft (19) zumindest bereichsweise einen Schlitz (14) und eine Ausnehmung (13) aufweist. Weiter ist vorgesehen, dass in dem Bereich der Ausnehmung (13) ein ein Magnetfeld erzeugendes Bauteil (10) und davon beabstandet ein magnetisch sensitives Element (11) angeordnet ist. Das vorgeschlagene Verbindungselement eignet sich insbesondere zur Erfassung einer auf den Sitz eines Fahrzeuges einwirkenden Kraft oder mechanischen Spannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube oder einen Bolzen zur Verbindung zweier Kör per, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Für elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen wird an Verbin dungsstellen zwischen zwei Komponenten bzw. Körpern, in de nen sich eine einwirkende Kraft konzentriert, zunehmend ein kleiner und kompakt bauender Kraftsensor benötigt, der in großen Stückzahlen und gleichzeitig preiswert zu fertigen ist. Dies gilt besonders für die Messung der auf einen Sitz eines Kraftfahrzeuges einwirkenden Gewichtskraft und deren Verteilung bzw. Änderung als Funktion der Zeit. Daneben wer den auch in der Fertigungsmesstechnik bzw. Qualitätsmess technik zunehmend genaue, statisch messende Kraftsensoren benötigt.

Bekannte kleinbauende Sensoren basieren meist auf dem piezo elektrischen Wandlerprinzip, und sind deswegen nur dynamisch zu betreiben. Statische Kraftsensoren werden dagegen viel fach als Biegefedern ausgeführt, die, ausgestattet mit Deh nungsmessstreifen, zwar sehr präzise Kraftsensoren ergeben, diese weisen jedoch eine relativ große Baugröße auf und sie sind vergleichsweise teuer.

Daneben sind auch magnetoelastische Sensoren bekannt, die entweder auf dem Kreuzduktor-Prinzip basieren, das besonders für Anwendungen geeignet ist, die bei hohen Temperaturen oh ne Elektronik vor Ort auskommen müssen, oder bei denen nur ein kleiner Bauraum zur Verfügung steht, oder die nach dem Torduktor-Prinzip arbeiten, bei dem über zwei um 90° zuein ander gedrehte, mit Spulen umwickelte U-Kerne kraftabhängig die Magnetfeldverteilung berührungslos erfasst wird.

Das Kreuzduktor-Prinzip hat den Nachteil, dass es nur kleine Nutzspannungen liefert, die meistens mit einem großen Offset beaufschlagt und daher nur schwer auswertbar sind. Zudem können sie bei bewegten oder rotierenden Teilen nicht oder nur mit großem zusätzlichen Aufwand eingesetzt werden. Das Torduktor-Prinzip erlaubt Kraftmessungen auch an rotierenden Teilen, ist aber stark abstandssensitiv.

Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines kleinen und kompakt bauenden Kraftsensors in Form eines Verbindungs elementes, mit dem insbesondere eine zuverlässige Sitzge wichtssensierung am Sitz eines Kraftfahrzeuges möglich ist. Dabei sollte durch den Kraftsensor die Sitzhöhe nicht ver größert werden und bei Überbelastung ein fester Anschlag ge geben sein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verbindungselement hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es durch verschiedene Querschnittsdurchmesser des eingesetzten Schaftes und der Geometrie bzw. der Dimensionierung des in den Schaft einge brachten Schlitzes in einfacher Weise an verschiedene Mess bereiche anpassbar ist.

Weiter ist das erfindungsgemäße Verbindungselement sehr klein und kompakt baubar und es realisiert ein statisches Messprinzip. Insofern ist es für die Vermessung der Verbin dungskräfte zwischen zwei Teilen universell einsetzbar.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungsele mentes liegt darin, dass das erzeugte Magnetfeld kraftpro portional und berührungslos in dem durch den Schlitz gegebe nen Luftspalt bzw. durch das in dessen Umgebung geeignet an geordnete magnetisch sensitive Element abgegriffen werden kann. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass bereits durch eine geringe Änderung der Form bzw. Breite des Schlitzes un ter der Einwirkung einer äußeren Kraft oder einer mechani schen Spannung am Ort des magnetisch sensitiven Elementes über das das Magnetfeld erzeugende Bauteil eine starke Flussdichteänderung hervorgerufen wird. Damit führen bereits geringe Änderungen der Form des Schlitzes zu einem hohen Messsignal.

Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungselement ist weiter vor teilhaft, dass das magnetisch sensitive Element mit einer zugeordneten Auswerteelektronik darin voll integrierbar ist, wodurch eine einfache Zuleitung und eine kompakte, äußerst kostengünstige Bauweise ermöglicht wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungsele mentes, insbesondere bei dessen Ausführung als Kraftmess schraube oder Kraftmessbolzen am Sitz eines Kraftfahrzeuges, ist die Möglichkeit, darüber auch eine Gurtkraftsensierung, beispielsweise an der Anbindung zum Sitz des Kraftfahrzeu ges, vorzunehmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn als magnetisch sensitives Element ein an sich bekanntes Hall-Sensorelement eingesetzt wird, welches vor allem eine gute Nullpunktstabilität auf weist.

Daneben ist im Fall der eingesetzten magnetischen Messtech nik vorteilhaft, dass sich das magnetisch sensitive Element im magnetischen Nullpunkt befindet, und deshalb auch eine unter Umständen auftretende Alterung des Magnetkreises bzw. des das Magnetfeld erzeugenden Bauteils keinen Beitrag zum Offset des Hall-Sensorelementes liefert.

Durch das zusätzliche Vorsehen von üblichen Dehnungsmess streifen ist es weiter in einfacher Weise möglich, eine auf das Verbindungselement einwirkende Zugbelastung von einer Druckbelastung zu unterscheiden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach folgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verbindungselementes in Form einer Schraube im Schnitt. Die Fig. 2 zeigt eine von dem Schaft des Verbindungselementes ausgehende Draufsicht auf Fig. 1.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein Verbindungselement 5 in Form einer Schraube oder eines Bolzens mit einem Kopf 18 und einem da mit verbundenen, insbesondere zumindest bereichsweise mit einem Gewinde versehenen Schaft bzw. Gewindebolzen 19, wobei in dem Bereich des Überganges von dem Kopf 18 auf den Schaft 19 zusätzlich ein umlaufender Bund 20 und ein abgeflachter, umlaufender Bund 21 vorgesehen ist. In Draufsicht auf den Kopf 18 bzw. den Schaft 19 sind diese, wie in Fig. 2 ge zeigt, zylindersymmetrisch ausgebildet, d. h. die Grundfläche ist kreisförmig.

In Fig. 1 ist weiter vorgesehen, dass der Schaft 19 einen Schlitz 14 aufweist, der entlang der Längsachse des Schaftes 19 verläuft und diesen, abgesehen von einer im Weiteren noch erläuterten Ausnehmung 13, in zwei symmetrisch aufgebaute Teile, einen ersten Teil und einen zweiten Teil 17, teilt.

Weiter zeigt Fig. 1, dass in dem Bereich des Überganges von dem Kopf 18 auf den Schaft 19 eine mit dem Schlitz 14 in Verbindung stehende durchgehende Bohrung 15 in das Verbin dungselement 5 eingebracht ist, die senkrecht zu der Längs achse des Schaftes 19 verläuft. Diese Bohrung 15 ist in vie len Fällen hinsichtlich einer erhöhten Messgenauigkeit vor teilhaft ist, kann bei Bedarf jedoch auch weggelassen wer den.

Insgesamt wird das Verbindungselement 5 durch den Schlitz 14 bzw. die Bohrung 15, abgesehen von der Ausnehmung 13, in zwei äquivalente Teile 16, 17 geteilt, die über den Kopf 18 miteinander verbunden sind. Insofern ist das Verbindungsele ment 5 auch als Messfeder zu verstehen.

In Fig. 1 ist weiter dargestellt, dass das zweite Teil 17 an seinem dem Kopf 18 abgewandten Ende die Ausnehmung 13 aufweist. Diese Ausnehmung wurde nach dem Erzeugen des Schlitzes 14 durch Einsägen des zweiten Teils 17 senkrecht zu der Richtung des Schlitzes 14 erzeugt, so dass das zweite Teil 17 gegenüber dem ersten Teil 16 um die Höhe der Ausneh mung 13 rückgesetzt ist. In Draufsicht hat das durch Erzeu gen der Ausnehmung 13 entfernte Teil die Form eines Halbmon des.

Weiter ist auf der Oberseite des dem Kopf 18 abgewandten En des des zweiten Teils 17 ein ein Magnetfeld erzeugendes Bau teil 10 aufgebracht, das im Konkreten ein plättchenförmiger, mit dem Schaft 19 bzw. dem zweiten Teil 17 des Schaftes 19 verbundener Permanentmagnet ist. Daneben ist im Bereich der Ausnehmung 13 auf dem ersten Teil 16 des Schaftes 19 ein Träger 12 und darauf ein magnetisch sensitives Element 11 angeordnet, so dass das magnetisch sensitive Element 11 und das das Magnetfeld erzeugende Bauteil 10 über einen schmalen Luftspalt 22 von beispielsweise 0,3 mm voneinander beabstan det sind. Das magnetisch sensitive Element 11 ist beispiels weise ein übliches Hall-Sensorelement, dass bevorzugt so ausgelegt und angeordnet ist, dass es sich im unbelasteten Zustand des Verbindungselementes 5 im magnetischen Nullpunkt des Bauteils 10 befindet uni damit einen stabilen Offset be sitzt.

Weitere Einzelheiten zum Aufbau des Verbindungselementes 5 sind aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich. Dabei sei betont, dass das Verbindungselement 5, das gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 als Schraube mit einem Gewindebolzen ausgeführt ist, die bei Bedarf mit einer geeigneten Mutter versehen werden kann, auch als Bolzen, insbesondere als Steckbolzen ohne Kopf, oder als Niete zur Verbindung zweier Körper ausgebildet sein kann.

Die Gesamtlänge der Verbindungselementes 5 beträgt bei spielsweise 10 mm bis 30 mm, der Durchmesser des Schaftes 19 4 mm bis 12 mm, der Durchmesser des umlaufenden Bundes 20 6 mm bis 16 mm bei einer Höhe von 2 mm bis 6 mm, der Durch messer des abgeflachten umlaufenden Bundes 8 mm bis 20 mm bei einer Höhe von 2 mm bis 6 mm, der Durchmesser des Kopfes 18 12 mm bis 30 mm bei einer Höhe von 2 mm bis 6 mm, der Durchmesser der Bohrung 15 2 mm bis 6 mm, die Höhe des Schlitzes 14 0,2 mm bis 1 mm, insbesondere 0,5 mm, die Brei te des Luftspaltes 22 0,1 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,3 mm, die Dicke des plättchenförmigen Permanentmagneten 10 0,5 mm bis 1,5 mm und die Höhe des Trägers 12 0,5 mm bis 2 mm. Bevorzugt ist die Höhe des Trägers 12 so gewählt, dass das Hall-Sensorelement 11 in Draufsicht gemäß Fig. 2 symme trisch bzw. zentriert gegenüber dem Permanentmagneten 10 an geordnet ist.

Das Verbindungselement 5 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 eignet sich insbesondere zur Befestigung eines Sitzes eines Kraft fahrzeuges an einer mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbundenen Gleitschiene, wobei es gleichzeitig als Kraftsensor zur Messung der auf den Sitz einwirkenden Ge wichtskraft dient. In der Regel ist dabei vorgesehen, dass der Sitz mit vier Befestigungsschrauben bzw. Verbindungsele menten 5 versehen ist, an denen jeweils die auf den Sitz einwirkende Kraft gemessen wird.

Das Messprinzip des Verbindungselementes 5 beruht darauf, dass eine auf das Verbindungselement 5 bzw. die beiden Teile 16, 17 des durch den Schlitz 14 geteilten Schaftes 19 ein wirkende Kraft oder mechanische Spannung eine Änderung der Geometrie des Schlitzes 14 und gleichzeitig eine in den Kopf induzierte mechanische Spannung hervorruft. Diese Änderung der Geometrie des Schlitzes 14 wird dann mit Hilfe des Ma gneten 10 und des Hall-Sensorelementes 11 durch Veränderung des Luftspaltes 22 zwischen beiden detektiert werden.

Da das als Kraftmessbolzen eingesetzte, vorstehend beschrie bene Verbindungselement 5 als Funktion der einwirkenden Ge wichtskraft eine V-förmige Kennlinie aufweist, ist es damit in der Regel schwierig, damit eine positive Gewichtskraft von einer negativen Gewichtskraft zu unterscheiden, sofern diese Unterscheidung bei Betrieb gewünscht wird.

Um nun mit dem Verbindungselement 5 zusätzlich eine positive Gewichtskraft von einer negativen Gewichtskraft zuverlässig unterscheiden zu können, bzw. um ein Verbindungselement 5 zu realisieren, das nur eine positive Gewichtskraft detektiert, nutzt man aus, dass in dem Bereich einer negativen Gewichts kraft, d. h. dem zweiten Quadranten der Kennlinie, die da durch hervorgerufene Dehnung in dem Verbindungselement 5 ei ne geringe Unsymmetrie aufweist. Diese Unsymmetrie wird durch die axial verteilte Krafteinleitung auf das Verbin dungselement 5 hervorgerufen und kann mit Hilfe eines zu sätzlich vorgesehenen Dehnungsmessstreifens bzw. einer An ordnung von beispielsweise in Dünnschichttechnologie aufge brachten Differenz-Dehnungsmessstreifen ermittelt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungselementes 5 ist daher vorgesehen, dass bereichsweise, beispielsweise auf der dem Schaft 19 abgewandten Oberseite des Kopfes 18, zusätzlich mindestens ein nicht dargestellter Dehnungsmess streifen in das Verbindungselement 5 integriert bzw. auf dieses aufgebracht ist, mit dem ebenfalls eine auf das Ver bindungselement 5 einwirkende Kraft oder mechanische Span nung erfassbar ist. Derartige, beispielsweise in Dünn schichttechnologie aufgebrachte Dehnungsmessstreifen bzw. Anordnungen Differenz-Dehnungsmessstreifen mit zugehöriger Auswerteelektronik sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Alternativ zu dem Vorsehen von zusätzlichen Dehnungsmess streifen kann das erfindungsgemäße Verbindungselement 5 je doch auch dadurch auf die Richtung der einwirkenden Ge wichtskraft sensitiv gestaltet werden, dass die beiden Teile 16, 17 mit den in sie krafteinleitenden Teilen der Körper, die das Verbindungselement 5 verbindet, geeignet verankert werden.

Claims

1. Verbindungselement, insbesondere Schraube oder Bol zen, mit einem länglichen Schaft (19), dadurch gekennzeich net, dass der Schaft (19) zumindest bereichsweise einen Schlitz (14) und eine Ausnehmung (13) aufweist, wobei im Be reich der Ausnehmung (13) ein ein Magnetfeld erzeugendes Bauteil (10) und davon beabstandet ein magnetisch sensitives Element (11) angeordnet ist.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das das Magnetfeld erzeugende Bauteil (10) und das magnetisch sensitive Element (11) derart angeordnet sind, dass eine auf das Verbindungselement (5) einwirkende Kraft oder mechanische Spannung eine Veränderung eines durch das Bauteil (10) hervorgerufenen Signales des magnetisch sensitiven Elementes (11) bewirkt.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (19) in Draufsicht zumindest in einer Umgebung der Ausnehmung (13) quadratisch, rechtec kig, oval oder kreisförmig ausgebildet ist, wobei der Schlitz (14) entlang der Längsachse des Schaftes (19) ver läuft und diesen, abgesehen von der Ausnehmung (13), in zwei symmetrisch aufgebaute Teile (16, 17) teilt.

4. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (19) mit einem Kopf (18) verbunden ist.

5. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (13) an dem dem Kopf (18) abgewandten Ende des Schaftes (19) in den Schaft (19) eingebracht ist.

6. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (13) und der Schlitz (14) derart in den Schaft (19) eingebracht sind, dass der Schaft (19) in einen ersten Teil (16) und ei nen zweiten Teil (17) gegliedert ist, die durch den Schlitz (14) voneinander getrennt sind, und wobei eines der beiden Teile (16, 17) an seinem dem Kopf (18) abgewandten Ende die Ausnehmung (13) aufweist.

7. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Teile (16, 17) des Schaftes (19) mit dem das Magnetfeld erzeugen den Bauteil (10) und das andere Teil (16, 17) mit dem magne tisch sensitiven Element (11) verbunden ist.

8. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Magnetfeld er zeugende Bauteil (10) ein insbesondere plättchenförmiger, mit dem Schaft (19) verbundener Permanentmagnet ist.

9. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch sensi tive Element (11) ein insbesondere auf einem Träger (12) an geordnetes, mit dem Schaft (19) verbundenes Hall- Sensorelement ist.

10. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umgebung der Verbindung des Schaftes (19) mit dem Kopf (18) eine Bohrung (15) derart in den Kopf (18) und/oder den Schaft (19) einge bracht ist, dass sie mit dem Schlitz (14) in Verbindung steht.

11. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch den Schlitz (14) als gedachte Symmetrieebene, abgesehen von der Ausneh mung (13), in zwei gleiche Teile (16, 17) geteilt wird, die durch den Kopf (18) miteinander verbunden sind.

12. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise zusätz lich ein Dehnungsmessstreifen vorgesehen ist, mit dem eine auf das Verbindungselement (5) einwirkende Kraft oder mecha nische Spannung erfassbar ist.

13. Verbindungselement nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Schraube, Bol zen, Steckbolzen oder Niete zur Verbindung zweier Körper ausgebildet ist.

14. Verwendung eines Verbindungselementes nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erfassung einer auf den Sitz ei nes Fahrzeuges einwirkenden Kraft oder mechanischen Span nung.