DE10111541A1

DE10111541A1 - Magnetoelastischer Kraftmessring nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip

Info

Publication number: DE10111541A1
Application number: DE2001111541
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2002-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Kraftmessring nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip, mit einem Ring (1) aus magnetoelastischem Material, in welchen Kräfte (F) in axialer Richtung einleitbar sind und der eine in einer an seinem äußeren Umfang vorgesehenen Ringnut aufgenommene erste Spule (3) zur Erzeugung eines axial gerichteten Magnetfelds (4) und um seinen äußeren Umfang eine nicht kraftführende Metallhülse (2) als magnetischen Rückschluss aufweist, wobei sich die Induktivität (L1) der ersten Spule (3) beim Einwirken der Kraft (F) in axialer Richtung durch eine Vergrößerung der in axialer Richtung weisenden Komponente (mu¶v¶) der relativen Permeabilität des magnetoelastischen Materials verändert. In wenigstens einer zweiten den Ring (1) umfassenden Nut ist eine zweite Spule (6) eingebracht, die bezüglich ihrer Induktivität den gleichen Temperaturgang wie die erste Spule (3) aufweist und deren Induktivität (L2) entweder kraftunabhängig ist oder eine zur Kraftabhängigkeit der Induktivität (L1) der ersten Spule (3) gegenläufige Kraftabhängigkeit besitzt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Kraft messring nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip mit einem Ring aus magnetoelastischem Material, in welchen Kräfte in axialer Richtung einleitbar sind und der eine in einer an seinem äußeren Umfang vorgesehenen Ringnut aufgenommene erste Spule zur Erzeugung eines axial gerichteten Magnet felds und um seinen äußeren Umfang eine nicht kraft führende Metallhülse als magnetischen Rückschluss auf weist, wobei sich die Induktivität der ersten Spule beim Einwirken der Kräfte in axialer Richtung durch eine Vergrößerung der in axialer Richtung weisenden Komponente der relativen Permeabilität des magnetoelastischen Mate rials verändert und als Maß für die eingeleiteten Kräfte auswertbar ist.

Kraftmessringe werden z. B. in Kraftfahrzeugen zur Erfas sung des Istwerts bei einem elektromechanischen Steller für die die elektronisch gesteuerte Bremse eingesetzt. Solche Kraftmessringe müssen eine geringe Bauhöhe aufwei sen und in der Lage sein, auch asymmetrisch eingeleitete Kräfte in ihrer Summe zu erfassen.

Bekannt sind Kraftmessringe mit Dehnungsmessstreifen. Bei diesen besteht jedoch das Problem, dass die Kraft nur an der Stelle ermittelt werden kann, an der ein Dehnungs messstreifen angebracht ist. Dies kann bei asymmetrischer Krafteinleitung zu drastischen Fehlanzeigen führen. Wenn man die über den gesamten Messring verteilten Kräfte erfassen will, muss man eine Vielzahl von Dehnungsmess streifen am Umfang des Rings verteilen und deren Signale addieren. Solche Lösungen sind jedoch teuer.

In Bosch Kraftfahrzeugtechnisches Taschenbuch, 23. Aufla ge, Seite 113, ist ein Kraftsensor nach dem Kreuzduktor prinzip beschrieben, der jedoch nicht die Form eines Kraftmessrings besitzt.

An Hand der beiliegenden Fig. 1, 2a und 2b wird nach stehend erläutert, wie das bekannte Kreuzduktorprinzip in die Form eines Kraftmessrings bringbar ist.

Fig. 1 zeigt einen an seiner Ober- und Unterseite leicht gewölbten Stahlring 1, der als magnetoelastischer Ring körper fungiert, in welchen Messkräfte F von oben und unten, d. h. in axialer Richtung eingeleitet werden kön nen. In einer am äußeren Umfang des Stahlrings 1 ange brachten Ringnut ist eine Spule 3 aufgenommen, mit der im Stahlring 1 ein axial gerichtetes Magnetfeld 4 erzeugt werden kann (vgl. die vergrößerte Darstellung der Fig. 2a). Ein nicht kraftführender Eisenring 2 bildet eine magnetische Rückschlusshülse, um mit einem durch die Spule 3 fließenden Strom ein möglichst starkes Magnetfeld erzeugen zu können.

Ohne Einwirkung einer Kraft F ist das Material des Stahl rings 1 magnetisch isotrop, d. h. dass seine relative Permeabilität µ_v in vertikaler, d. h. axialer Richtung gleich seiner relativen Permeabilität µ_h in horizontaler Richtung ist, und es gilt:

µ_v = µ_n = µ_o

Wenn auf das Material des Stahlrings 1 eine Kraft F einwirkt, wird das Material jedoch magnetisch anisotrop, d. h. seine relative Permeabilität vergrößert sich in der Kraftrichtung. In dem in Fig. 2a dargestellten Fall vergrößert sich der Wert µ_v in vertikaler, d. h. axialer Richtung zu µ_v'. Dagegen bleibt die horizontale Permeabi lität µ_h annähernd konstant oder erfährt unter dem Ein fluss der Querdehnung des Rings 1 allenfalls eine geringfügige Verminderung. Diese Verhältnisse sind in der grafischen Darstellung der Fig. 2b verdeutlicht. Für die Induktivität (L₁) der Spule 3 ist jedoch ausschließlich die vertikale, d. h. in axialer Richtung wirkende Permea bilität µ_v von Einfluss, eine Änderung von µ_h hätte auf sie keine Wirkung. Es gilt L₁ = L₁(F_v, µ_v).

Der oben beschriebene und in den Fig. 1, 2a und 2b veranschaulichte magnetoelastische Kraftmessring nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip hat jedoch den großen Nachteil, dass der Induktivitätswert im lastfreien Fall (F = 0), also im Nullpunkt seiner Kennlinie meist stark von der Temperatur abhängt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen magnetoelastischen Kraftmessring nach dem Kreuz- Ringduktorprinzip anzugeben, der eine geringe Bauhöhe hat und in der Lage ist, auch asymmetrisch eingeleitete Kräfte in ihrer Summe zu erfassen, und dessen Sensorsi gnal eine automatische Temperaturkompensation ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine elekronische Auswertungsschaltung in Kombination mit einem derartigen Kraftmessring anzugeben, die zur Auswertung von von dem Kraftmessring erzeugten Messsignalen eingerichtet ist.

Die Aufgaben werden anspruchsgemäß gelöst.

Die Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals kann kompen siert werden, indem man auf dem Ring wenigstens eine zweite Spule vorsieht, die in einer den Ring umfassenden zweiten Nut (orthogonal zur ersten Nut) eingebracht ist und die den gleichen Temperaturgang wie die erste Spule aufweist und deren Induktivität entweder kraftunabhängig ist oder eine zur Kraftabhängigkeit der Induktivität der ersten Spule gegenläufige Krafabhängigkeit besitzt. Eine solche Spule kann in dem als magnetoelastischen Dehnkör per dienenden Stahlring in der den Ring umfassenden Nut so eingebracht werden, dass deren Selbstindudktivität L₂ nur von der horizontalen Komponente µ_h der relativen Permeabilität abhängt. Die zweite Spule erzeugt im strom durchflossenen Zustand eine Induktion, deren verkettetes Feld vollständig in dem Stahlring verläuft und sich in diesem ohne Luftspalt schließt. Selbstverständlich kann auf dem kleinen Ringsegment, welches diese Spule bean sprucht, keine Kraft eingeleitet werden. Zweckmäßigerwei se wird die Rückschlusshülse an der Stelle der zweiten Spule etwas unterbrochen, damit die Anschlüsse dieser zweiten Spule seitlich herausgeführt werden können und für diese zweite Spule kein magnetischer Kurzschluss entsteht. Die Rückschlusshülse kann noch einen weiteren Durchbruch benötigen, durch den die Anschlüsse der ei gentlichen Messspule, d. h. der ersten Spule, nach außen geführt werden.

Selbstverständlich kann man analog zu der horizontal wirkenden zweiten Spule noch eine oder mehrere weitere solcher zweiter Spulen verteilt am Umfang des Rings anbringen, z. B. um eine gleichmäßigere Verteilung des horizontalen Flusses zu bewirken. Diese zweiten Spulen benötigen keine eigenen Außenanschlüsse, da sie alle in Reihe geschaltet und vom gleichen Strom durchflossen sind. An diesen Stellen ist dann jedoch keine Kraftein leitung möglich, und der Rückschlussring sollte dort jeweils auch geeignete Aussparungen aufweisen, damit er nicht den Fluss der zweiten Spulen magnetisch kurz schließt.

Ein erfindungsgemäß nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip gestalteter magnetoelastischer Kraftmessring hat insbe sondere folgende Vorteile:

- Der magnetoelastische Effekt ist seiner Natur nach ein Volumeneffekt. Sensoren nach dem Kreuz- Ringduktorprinzip mitteln automatisch über die gesam ten auf den Ring eingleiteten Kräfte, so dass es auch im Fall asymmetrischer Krafteinleitung keine oder ver nachlässigbar geringe Fehlanzeigen gibt.
- Durch die besondere erfindungsgemäße Anordnung zweier gekreuzter Spulen im bzw. auf dem Ring ist eine ein fach Unterdrückung der sonst meist erheblichen tempe raturbedingten Nullpunktdrift möglich.
- Die Herstellung des Sensors ist im Vergleich zu einem adäquaten Kraftmessring mit Dehnungsmessstreifen sehr viel kostengünstiger.
- Die Bauweise ist ihrer Natur nach sehr kompakt und findet auch auf engstem Einbauraum z. B. innerhalb des Stellantriebs für eine elektromechanische Bremse gut Platz.
- Das magnetoelastische Prinzip hat sich bereits bei hohen Betriebstemperaturen (bis zu einem Temperaturbe reich von 250 bis 300°C) bewährt, kann also z. B. auch im Kraftfahrzeug in Bremsnähe eingesetzt werden.

Diese und weitere vorteilhafte Merkmale von bevorzugten Ausbildungsformen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführung der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutz fähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnungen

Die nachstehend aufgelisteten Figuren zeigen schematisch 3 Ausführungsbeispiele jeweils eines erfindungsgemäß ge stalteten magnetoelastischen Kraftmessrings nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip und von mit einem derartigen Kraftmessring ausgestatteten Auswertungs- bzw. Messschal tungen. Es zeigen:

Fig. 1 perspektivisch und im Schnitt den bereits beschriebenen, unkompensierten Kraftmessring,

Fig. 2a vergrößert eine Detailansicht von Fig. 1,

Fig. 2b grafisch die Abhängigkeit der relativen Permeabilität des magnetoelastischen Materials des Kraftmessrings von einer in Vertikal-, d. h. Axial richtung eingeleiteten Kraft F,

Fig. 3 schematisch eine ebene Ansicht eines Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip gestalteten magnetoelasti schen Kraftmessrings,

Fig. 4 ein Schaltschema eines ersten Ausführungs beispiels einer den in Fig. 3 gezeigten erfindungs gemäßen magnetoelastischen Kraftmessring verwendenden Auswertungsschaltung, und

Fig. 5 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungs beispiels einer Auswertungsschaltung zur Auswertung des Messsignals eines modifizierten erfindungsgemä ßen magnetoelastischen Kraftmessrings.

Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße nach dem Kreuz-Ringduktorprinzip gestaltete magnetoelastische Kraftmessring unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten und oben beschriebenen Kreuz-Ringduktor-artigen magnetoelastischen Kraftmessring dadurch, dass der als magnetoelastischer Ringkörper fungierende Stahlring 1 eine zweite Spule 6 mit der Selbstinduktivität L₂ auf weist, die in einer den Stahlring 1 umfassenden Nut sitzt und die den gleichen Temperaturgang besitzt wie die erste in Fig. 3 nicht gezeigte Spule 3, die die eigentliche Messspule ist. Die Selbstinduktivität L₂ der zweiten Spule 6 hängt nur von der horizontalen annähernd konstan ten Komponente µ_h der relativen Permeabilität µ_r ab und erzeugt eine Induktion 7, die vollständig im Ring 1 verläuft und sich in diesem schließt.

Auf dem kleinen Ringsegment, welches die zweite Spule 6 beansprucht, kann keine Kraft eingeleitet werden. Zweck mäßigerweise bringt man an der Eisenrückschlusshülse 2 an dieser Stelle einen kleinen Durchbruch an, um die An schlüsse der zweiten Spule 6 seitlich herauszuführen und einen magnetischen Kurzschluss der zweiten Spule 6 zu vermeiden. Die Rückschlusshülse 2 kann einen weiteren Durchbruch haben, durch den die Anschlüsse der eigentli chen, in Fig. 3 nicht gezeigten Messspule 3 nach außen geführt werden.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann die zweite Spule 6 in Form mehrerer um den Umfang des Rings 1 verteilter Teilspulen vorgesehen sein, um eine noch gleichmäßigere Verteilung des horizontalen Flusses 7 zu bewirken. Diese Teilspulen benötigen, da sie alle unter einander in Reihe geschaltet und vom gleichen Strom durchflossen sind, keine eigenen Außenanschlüsse. An diesen Stellen der Teilspulen der zweiten Spule 6 ist keine Krafteinleitung möglich. Die Eisenrückschlusshülse 2 sollte dort jeweils eine geeignete Aussparung aufwei sen, damit sie nicht den Fluss der Horizontalspulen 6 kurzschließt.

Fig. 4 zeigt ein Schaltschema einer elektronischen Auswertungsschaltung zur Auswertung eines von einem in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen magnetoelastischen Kraftmessring erzeugten Kraftmesssignals. Die Induktivitäten L₁ und L₂, d. h. die erste Spule 3 und die zweite Spule 6 sind als Spannungsteiler in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der beiden Spulen 3 und 6 wird mit einer Wechselspannung gespeist. Die Frequenz dieser Spannung liegt typischerweise bei etwa 30 kHz. Die Windungszahlen der beiden Spulen 3 und 6 können so gewählt werden, dass der Ausgangswert im lastfreien Zustand (F = 0) der beiden Induktivitäten L₁ und L₂ gleich ist, so dass man am Mittelabgriff der beiden Spulen 3, 6 etwa die halbe Speisespannung abgreift. Diese Spannung liegt auch an einem parallel zur Reihenschaltung der beiden Spulen 3 und 6 geschalteten aus ohmschen Widerständen R1 und R2 bestehenden ohmschen Spannungsteiler an, der das gleiche Teilungsverhältnis hat, wie die Spulen 3 und 6. Beide Spannungen werden den beiden Eingängen eines Differenz verstärkers 11 zugeführt, der im lastfreien Fall (F = 0) die Ausgangsspannung 0 abgibt. Bei Einwirken einer Kraft F erhöht sich in guter Näherung die Spannungsdifferenz an den Eingängen des Differenzverstärkers 11 proportional zur Kraft. Dem Differenzverstärker 11 kann eine sogenann te Lock-in-Verstärkerschaltung 10 nachgeschaltet sein, die aus einem (nicht gezeigten) Synchrongleichrichter und einem (gleichfalls nicht gezeigten) Tiefpass besteht. Am Ausgang 12 der Lock-in-Verstärkerschaltung 10 kann eine Ausgangsgleichspannung U_a'(F) abgegriffen werden, die linear von der zu messenden Kraft abhängt.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs form einer Auswertungsschaltung für einen modifizierten Kraftmessring. Bei diesem modifizierten Kraftmessring sind die beiden Spulen 3 und 6 jeweils in zwei getrennte Wicklungen 13, 14 und 16, 17 aufgeteilt, wobei ein Wick lungspaar 13, 16 der Spulen 3, 6 wie bisher, d. h. wie in Fig. 4, in Reihe geschaltet ist. Das zweite Wicklungspaar, d. h. die Sekundärwicklungen 14, 17 der beiden Spulen 3 und 6 sind gegensinnig in Reihe geschaltet, so dass sich die beiden transformatorisch übertragenen Wechselspannungen U₁ und U₂ im lastfreien Fall (F = 0) annähernd kompensieren und dass dann am Eingang des Lock- in-Verstärkers 10 bereits eine bezüglich ihrer Amplitude zur Kraft proportionale Wechselspannung U₁-U₂ anliegt und ein Differenzeingang nicht erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil der in Fig. 5 gezeigten Variante ist, dass die beiden Teilspannungen U₁, U2 im Gegensatz zur Schaltung gemäß Fig. 4 frei von ohmschen Anteilen sind, die durch den Speisestrom am Wirkwiderstand der Speise spulen entsteht und der nicht zum Messeffekt beiträgt, sondern gegebenenfalls Fehler verursachen kann. Dem Fachmann wird aus der obigen Beschreibung deutlich, dass es außer den in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungs formen von Auswertungsschaltungen noch weitere (bekannte) vorteilhafte Auswerteschaltungen geben kann, die hier nicht näher beschrieben werden sollen. So lassen sich die beiden Induktivitäten L₁ und L₂ in einer Oszillatorschal tung abwechselnd als frequenzbestimmendes Glied betrei ben, wo sie, von einem Zähler kontrolliert, eine bestimmte Anzahl von Schwingungen erzeugen. Danach wird jeweils wieder auf die andere Induktivität umgeschaltet. Der Umschaltrhythmus stellt eine tastverhältnis-analoge Ausgangsspannung dar, die entweder durch Mittelung leicht in einen spannungsanalogen Wert umgesetzt werden kann, oder aber auch durch Auszählen der Pulsweiten leicht zu digitalisieren ist.

Claims

1. Magnetoelastischer Kraftmessring nach dem Kreuz- Ringduktorprinzip, mit einem Ring (1) aus magnetoelastischem Material, in wel chen Kräfte (F) in axialer Richtung einleitbar sind und der eine in einer an seinem äußeren Umfang vorgesehenen Ringnut aufgenommene erste Spule (3) zur Erzeugung eines axial gerichteten Magnetfelds (4) und um seinen äußeren Umfang eine nicht kraftführende Metallhülse (2) als magnetischen Rückschluss aufweist, wobei sich die Induk tivität (L1) der ersten Spule (3) beim Einwirken einer Kraft (F) durch eine Vergrößerung der in axialer Richtung weisenden Komponente (µ_v) der relativen Permeabilität des magnetoelastischen Materials verändert und als Maß für die eingeleiteten Kräfte auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer zweiten den Ring (1) umfassenden Nut des Rings (1) eine zweite Spule (6) eingebracht ist, die den gleichen Temperaturgang wie die erste Spule (3) aufweist und deren Induktivität (L2) entweder kraftunabhängig ist oder eine zur Kraftabhängig keit der Induktivität (L1) der ersten Spule (3) gegenläu fige Kraftabhängigkeit besitzt.

2. Magnetoelastischer Kraftmessring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (6) in der zweiten Nut so eingebracht ist, dass sie im stromdurch flossenen Zustand einen magnetischen Fluss (7) erzeugt, der vollständig im Ring (1) verläuft und sich in diesem schließt.

3. Magnetoelastischer Kraftmessring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (1) mehrere in Umfangsrichtung verteilte, ihn umfassende zweite Nuten aufweist und die zweite Spule (6) in einzelne, miteinan der elektrisch in Reihe geschaltete Abschnitte unterteilt ist, die jeweils in der zugehörigen zweiten Nut liegen.

4. Magnetoelastischer Kraftmessring nach einem der voran gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallrückschlusshülse (2) an der Stelle jeder zweiten Nut einen kleinen Durchbruch aufweist, um die Anschlüsse der zweiten Spule (6) nach außen zu führen und magneti schen Kurzschluss zu vermeiden.

5. Magnetoelastischer Kraftmessring nach einem der voran gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (1) aus magnetoelastischem Stahl und die Rückschlusshül se aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Materi al besteht.

6. Magnetoelastischer Kraftmessring nach einem der voran gehenden Ansprüche in Kombination mit einer elektroni schen Auswertungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Spule (3, 6) miteinander in Reihe geschaltet und von einer Wechselspannung gespeist sind.

7. Kombination nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahlen der ersten und zweiten Spule (3, 6) so gewählt sind, dass ihre Induktivitäten (L1, L2) im lastfreien Zustand (F = 0) annähernd gleich groß sind.

8. Kombination nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsschaltung weiterhin einen aus zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerstän den (R1, R2), die dasselbe Spannungsteilungsverhältnis aufweisen, wie die erste und zweite Spule (3, 6) beste henden Spannungsteiler aufweist, der zu der Reihenschal tung der ersten und zweiten Spule (3, 6) parallel geschaltet ist, und dass die Mittenabgriffe der Reihenschaltung der beiden Spulen (3, 6) und des ohmschen Spannungsteilers (R1, R2) an zwei Eingänge eines Differenzverstärkers (11) geführt sind, so dass dessen Ausgangsspannung im lastfreien Zustand 0 V ist.

9. Kombination nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgang des Differenzverstärkers (11) ein Syn chrongleichrichter und ein Tiefpass (10) nachgeschaltet sind, um eine linear von der zu messenden Kraft (F) abhängige Ausgangsgleichspannung zu erzeugen.

10. Kombination nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Spule (3, 6) jeweils in zwei magnetisch miteinander gekoppelte Wick lungen (13, 14 bzw. 16, 17) aufgeteilt sind, dass ein Wicklungspaar (13, 16) der ersten und zweiten Spule (3, 6) gleichsinnig miteinander in Reihe und das andere Wicklungspaar (14, 17) der ersten und zweiten Spule (3, 6) gegensinnig miteinander in Reihe geschaltet ist, so dass sich die beiden transformatorisch übertragenen Wechselspannungen (U1, U2) der beiden Wicklungspaare im lastfreien Fall annähernd kompensieren und dass an den beiden nicht miteinander verbundenen Enden des anderen Wicklungspaares (14, 17) der ersten und zweiten Spule (3, 6) eine in ihrer Amplitude zur einwirkenden Kraft (F) proportionale Wechselspannung (U1-U2) abgreifbar ist.