DE10151561A1

DE10151561A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10151561A1
Application number: DE10151561A
Authority: DE
Inventors: Heiko Jausel; Harry Skarpil
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE10151561B4

Abstract

Ein Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft hat einen mit Dehnungsmeßstreifenpaaren (7) versehenen Meßring (2), in welchem von einer Stirnseite her über axiale Vorsprünge (3, 4, 5) axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden. Mittig zwischen diesen Vorsprüngen (3, 4, 5) ist auf der gegenüberliegenden Seite jeweils ein Abstützbereich (6) für die jeweilige Reaktionskraft vorgesehen. Jeweils ein Dehnungsmeßstreifenpaar (7) ist zwischen einem Vorsprung (3, 4, 5) und einem Abstützbereich (6) des Meßringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere in ei nem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausgeübten Kraft, welcher einen mit Dehnungs meßstreifenpaaren versehenen Meßring hat, in welchem von ei ner Stirnseite her über Krafteinleitungsbereiche axial Ein gangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden.

Kraftsensoren der vorstehenden Art werden beispielsweise in elektromotorisch betätigten Scheibenbremsen benötigt, wenn diese mit einer Blockierschutzregelung versehen sind, um den Bremsschlupf optimal regeln zu können. Um aufgrund einer Durchbiegung eines Biegebereiches die axial wirkende Kraft genau messen zu können, ist eine S-förmige Durchbiegung des Biegebereiches erforderlich, auf welchem ein Dehnungs meßstreifenpaar angeordnet ist. Das hat man bisher durch ei nen Meßring erreicht, der an einer Seite fest in das die Kraft einleitende Bauteil eingespannt war, was baulich einen erheblichen Aufwand bedingte.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Kraftsensor der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass er auf ein fache Weise zwischen einem die Kraft einleitenden und einem die Kraft aufnehmenden Bauteil angeordnet werden kann, ohne dass er hierbei fest eingespannt werden muß.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Krafteinleitungsbereiche an einer Seite durch jeweils einen axialen Vorsprung oder durch jeweils eine Gegenfläche für axiale Vorsprünge an einem Gegenstück, an das der Kraftsensor anlegbar ist, gebildet sind und mittig zwischen diesen Vor sprüngen beziehungsweise Gegenflächen auf der gegenüberlie genden Seite jeweils ein Abstützbereich für die jeweilige Re aktionskraft vorgesehen ist und dass jeweils mindestens ein Dehnungsmeßstreifenpaar zwischen einem Vorsprung beziehungs weise einer Gegenfläche und einem Abstützbereich des Meßrin ges auf einem Biegeabschnitt angeordnet ist.

Das vorgenannte Problem wird erfindungsgemäß auch dadurch ge löst, dass die Krafteinleitungsbereiche durch jeweils einen radialen Vorsprung gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen jeweils ein Abstützbereich für die jeweilige Re aktionskraft vorgesehen ist und dass jeweils mindestens ein Dehnungsmeßstreifenpaar zwischen einem Vorsprung und einem Abstützbereich des Meßringes auf einem Biegeabschnitt ange ordnet ist. Die radialen Vorsprünge bilden dabei Gegenflä chen, in die jeweils eine Kraft von einem Gegenstück her ein geleitet wird. Zwischen den Vorsprüngen und dem Gegenstück können jeweils Zwischenplättchen, zum Beispiel aus Aluminium, angeordnet sein. Eine andere Möglichkeit ist das Vorsehen von mit den radialen Vorsprüngen des Meßringes korrespondierenden axialen Vorsprüngen an dem Gegenstück, die ein einziges Bau teil bildend mit dem Gegenstück verbunden sind.

Durch die beiden vorgenannten Lösungen bilden die Biegeab schnitte jeweils einen mittig kraftbeaufschlagten Träger auf zwei Stützen. Dieser wird durch die wirkenden Kräfte symmet risch kraftbeaufschlagt und biegt sich deshalb S-förmig durch, so dass das jeweilige Dehnungsmeßstreifenpaar aus schließlich auf Zug und Druck (je ein Dehnungsmeßstreifen für Zug und Druck) beansprucht wird und deshalb optimal die Kraft bestimmen kann, welche die S-förmige Durchbiegung verursacht.

Torsionen im Bereich der Dehnungsmeßstreifen lassen sich da durch vermeiden, dass gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Abstützbereiche durch jeweils einen radial nach innen und einen radial nach außen gerichteten Abstütz vorsprung gebildet sind, welche zur Einleitung von jeweils nicht punktförmigen Kräften bemessen sind.

Zur Verbesserung der S-förmigen Ausbildung im Bereich der Biegeabschnitte trägt es bei, wenn in den Biegeabschnitten zu beiden Seiten des Abstützbereiches jeweils ein radialer Durchbruch in dem Meßring vorgesehen ist, so dass dieser im Bereich jedes Durchbruches zwei Stege bildet und wenn die Dicke des Meßringes im Bereich jedes Durchbruches radial nach innen hin abnimmt.

Der Meßring kann sich mit seinen gegenüberliegenden Seiten auf parallelen Flächen abstützen, wenn auf der Seite der Vor sprünge beziehungsweise Gegenflächen die Stirnfläche des Meß ringes schräg verläuft, so dass der Meßring in seiner Dicke radial von außen nach innen abnimmt.

Der Kraftsensor arbeitet mit hoher Meßgenauigkeit, wenn der Meßring mit einer Teilung von 120° insgesamt drei Vorsprünge beziehungsweise Gegenflächen auf einer Seite und entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite drei dazwischenliegende Ab stützbereiche sowie mindestens drei Dehnungsmeßstreifenpaare aufweist.

Aus Kostengründen kann man jedoch auch vorsehen, dass der Meßring 180° gegenüberliegend zwei Vorsprünge beziehungsweise Gegenflächen und entsprechend lediglich zwei Abstützbereiche auf der anderen Seite hat. Weitere Vorteile dieser Ausfüh rungsform sind: symmetrische Krafteinleitung, symmetrische Erfassung, nur ein Dehnungsmeßstreifenpaar erforderlich.

Der Kraftsensor vermag sich bei nicht genauer Ausrichtung des Meßringes geringfügig zum Ausgleich von Kräften zu verschwen ken, so dass Verspannungen vermieden werden, wenn die Vor sprünge zur Ermöglichung einer Kippbewegung des Meßringes um eine durch die beiden Vorsprünge führende Achse jeweils eine ballige Abstützfläche aufweisen. Die balligen Abstützflächen können auch an einem Gegenstück, an dem der Kraftsensor an liegt, angebracht sein.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn gemäß einer anderen Wei terbildung der Erfindung der Meßring mit einer Teilung von 90° insgesamt vier Vorsprünge und entsprechend vier dazwi schenliegende Abstützbereiche sowie mindestens vier Dehnungs meßstreifenpaare aufweist. Damit kann der Sensor ohne blei bende Schädigung auch mit sehr hohen Kräften, die beispiels weise in einer Größenordnung von 40 kN liegen können, beauf schlagt werden. Mit derartigen Kräften werden Sensoren bei spielsweise in elektromechanischen Bremsen in Kraftfahrzeugen beaufschlagt.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Meßring jeweils im Bereich eines Dehnungsmeßstrei fenpaares eine radiale Ausnehmung auf. Die radiale Ausnehmung führt vorteilhaft zu einer lokalen Spannungserhöhung im Be reich der Dehnungsmeßstreifen und somit zu stärkeren Meß signalen. Vorzugsweise ist die Ausnehmung in einfacher Weise in einem Feinstanzverfahren hergestellt.

Insbesondere bei einer Anbringung auf Stahl ist es von beson derem Vorteil, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar Dickschicht- Dehnungsmeßstreifen aufweist.

Gemäß einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfin dung weist das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar Fo lien-Dehnungsmeßstreifen oder Dünnschicht-Dehnungsmeßstreifen auf. Hierbei ist gleichzeitig eine Auswerteelektronik inte grierbar.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere da von in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend be schrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensors nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit im Be reich II der Fig. 1,

Fig. 3 einen abgewickelten Teilbereich des Kraftsensors im unbelasteten Zustand,

Fig. 4 den abgewickelten Teilbereich des Kraftsensors im belasteten Zustand,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausfüh rungsform eines Meßringes des Kraftsensors,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh rungsform des Kraftsensors,

Fig. 7 eine Seitenansicht der Kraftsensors nach Fig. 6,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Kraft sensors und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Kraft sensors.

Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszei chen versehen.

Die Fig. 1 zeigt einen Kraftsensor 1, welcher als Meßring 2 ausgebildet ist und an einer Stirnseite drei axiale Vorsprün ge 3, 4, 5 aufweist, gegen die sich jeweils eine Kraft F ab stützt und die deshalb Krafteinleitungsbereiche bilden. Genau zwischen diesen Vorsprüngen 3, 4, 5 wirken auf der gegenüber liegenden Stirnseite auf Abstützbereichen 6 die Reaktions kräfte F_R. Auf der Seite der Abstützbereiche 6 sind auf dem Meßring 2 insgesamt drei Dehnungsmeßstreifenpaare 7 befes tigt.

Die Ausschnittszeichnung gemäß Fig. 2 zeigt, dass die Ab stützbereiche 6 durch jeweils einen radial nach innen gerich teten Abstützvorsprung 8 und einen radial nach außen gerich teten Abstützvorsprung 9 gebildet sind. Auf diesen Abstütz vorsprüngen 8, 9 wirken die Einzelkräfte F_E, welche zusammen die in Fig. 1 gezeigte Reaktionskraft F_R ergeben.

Die Fig. 3 verdeutlicht, dass zwischen den Vorsprüngen 3, 4 ein Biegeabschnitt 10 entsteht, auf welchem mittig der Ab stützbereich 6 vorgesehen ist und der das Dehnungs meßstreifenpaar 7 trägt. Jeweils ein weiterer, nicht positio nierter Biegebereich befindet sich entsprechend auch zwischen den Vorsprüngen 4 und 5 sowie 5 und 3.

Der Fig. 4 ist zu entnehmen, dass dieser Biegeabschnitt 10 sich bei Belastung S-förmig biegt, so dass das Deh nungsmeßstreifenpaar 7 ausschließlich auf Zug und Druck bean sprucht wird und ein genaues Meßsignal abgeben kann.

Die Fig. 5 zeigt einen Meßring 2, der nur zwei Vorsprünge 3, 4 hat, die sich auf einer Achse 11 radial gegenüberliegen und jeweils eine ballige Abstützfläche 12 aufweisen. Dadurch kann der Meßring 2 um die Achse 11 kippen. Entsprechend den zwei Vorsprüngen 3, 4 weist der Meßring 2 zwei dazwischenliegende Abstützbereiche 6 auf, auf die Reaktionskräfte F₁ wirken.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 hat der Meßring 2 insge samt sechs Durchbrüche 13, 14, welche radial von außen nach innen durch ihn hindurchführen, so dass vom Meßring 2 im Be reich jedes Durchbruches 13, 14 nur zwei Stege 15, 16 verbleiben. Der Meßring 2 nach Fig. 6 hat genau wie der nach Fig. 1 drei axiale Vorsprünge 3, 4, 5, so dass wiederum bei spielsweise zwischen den Vorsprüngen 3 und 4 ein Biegeab schnitt 10' mit einem Abstützbereich 6' entsteht. Die Durch brüche 13, 14 sind symmetrisch zu beiden Seiten des Abstütz bereiches 6' angeordnet. Die Fig. 6 läßt weiterhin erkennen, dass im Bereich der Durchbrüche 13, 14 eine Stirnfläche 17 des Meßringes 2, die auf der Seite der Vorspringe 3, 4, 5 liegt, radial nach innen hin schräg verläuft, so dass der Meßring 2 innenseitig eine geringere Dicke hat als au ßenseitig.

Die Fig. 7 dient der zusätzlichen Verdeutlichung der Gestal tung des Meßringes 2 nach Fig. 6. Zu sehen sind auf seiner rechten Seite die Vorsprünge 3, 4, 5 sowie zwei Durchbrüche 13, 14 in seiner Mantelfläche.

Die Fig. 8 zeigt auf der den Vorsprüngen 3, 4, 5 abgewandten Seite die Dehnungsmeßstreifenpaare 7, 7' und 7" sowie jeweils daneben eine elektronische Schaltung 18, z. B. in Form eines Chips.

In Fig. 9 ist ein Meßring 2 eines Kraftsensors dargestellt, welcher Meßring 2 vier radiale Vorsprünge 19, 20, 21, 22 zur Einleitung jeweils einer axialen Kraft F aufweist. Zwischen den Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 ist jeweils ein Abstützbereich 6 für eine Reaktionskraft F_R vorgesehen, zwischen den Ab stützbereichen 6 und den Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 befindet sich jeweils ein Biegeabschnitt 10. Auf den Biegeabschnitten 10 ist jeweils ein Dehnungsmeßstreifenpaar 7 angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel weist der Meßring 2 vier Vor sprünge 19, 20, 21, 22 mit einer Teilung von 90° auf. Außer dem ist jeweils im Bereich eines Dehnungsmeßstreifenpaares 7 eine radiale Ausnehmung 23 an dem Meßring 2 vorhanden, die zu einer lokalen Spannungserhöhung führt und damit ein stärkeres Meßsignal zur Folge hat. Es werden vier Dickschicht- Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücken ausgewertet, um mögliche un symmetrische Krafteinleitungen ausgleichen zu können.

Den radialen Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 sind vorzugsweise flexibel gelagerte Gegenflächen eines Gegenstückes zuzuord nen, um mögliche Unebenheiten des Sensors oder der Einspan nung ausgleichen zu können und eine symmetrische Krafteinlei tung zu gewährleisten. Dies kann durch angepaßt geformte Stanzgitter, die den Sensor und das krafteinleitende Gegen stück umschließen, erreicht werden.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Be stimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausgeübten Kraft, welcher einen mit Dehnungsmeßstreifenpaaren versehenen Meßring hat, in welchem von einer Stirnseite her über Kraft einleitungsbereiche axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet wer den, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungsberei che an einer Seite durch jeweils einen axialen Vorsprung (3, 4, 5) oder durch jeweils eine Gegenfläche für axiale Vor sprünge an einem Gegenstück, an das der Kraftsensor anlegbar ist, gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen (3, 4, 5) beziehungsweise Gegenflächen auf der gegenüberliegenden Seite jeweils ein Abstützbereich (6) für die jeweilige Reak tionskraft vorgesehen ist und dass jeweils mindestens ein Dehnungsmeßstreifenpaar (7) zwischen einem Vorsprung (3, 4, 5) beziehungsweise einer Gegenfläche und einem Abstützbereich (6) des Meßringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeord net ist.

2. Kraftsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungsbereiche durch je weils einen radialen Vorsprung (19, 20, 21, 22) gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen jeweils ein Abstützbe reich (6) für die jeweilige Reaktionskraft (F_R) vorgesehen ist und dass jeweils mindestens ein Dehnungsmeßstreifenpaar (7) zwischen einem Vorsprung (19, 20, 21, 22) und einem Ab stützbereich (6) des Meßringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeordnet ist.

3. Kraftsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützbereiche (6) durch jeweils einen radial nach innen und einen radial nach außen gerichteten Abstützvorsprung (8, 9) gebildet sind, welche zur Einleitung von jeweils nicht punktförmigen Kräften bemessen sind.

4. Kraftsensor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass in den Biegeabschnitten (10) zu beiden Seiten des Abstützbereiches (6) jeweils ein radialer Durchbruch (13, 14) in dem Meßring (2) vorgesehen ist, so dass dieser im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) zwei Stege (15, 16) bildet und dass die Dicke des Meßringes (2) im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) radial nach innen hin abnimmt.

5. Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Vorsprünge (3, 4, 5) beziehungsweise Gegen flächen die Stirnfläche des Meßringes (2) schräg verläuft, so dass der Meßring (2) in seiner Dicke radial von außen nach innen abnimmt.

6. Kraftsensor nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßring (2) mit ei ner Teilung von 120° insgesamt drei Vorsprünge (3, 4, 5) be ziehungsweise Gegenflächen auf einer Seite und entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite drei dazwischenliegende Ab stützbereiche (6) sowie mindestens drei Dehnungsmeßstreifen paare (7) aufweist.

7. Kraftsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßring (2) 180° gegenüber liegend zwei Vorsprünge (3, 4) beziehungsweise Gegenflächen und entsprechend lediglich zwei Abstützbereiche (6, 6') auf der anderen Seite hat.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (3, 4) zur Ermöglichung einer Kippbewegung des Meßringes (2) um eine durch die beiden Vorsprünge (3, 4) füh rende Achse (11) jeweils eine ballige Abstützfläche (12) auf weisen.

9. Kraftsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßring (2) mit einer Tei lung von 90° insgesamt vier Vorsprünge (19, 20, 21, 22) und entsprechend vier dazwischenliegende Abstützbereiche (6) so wie mindestens vier Dehnungsmeßstreifenpaare (7) aufweist.

10. Kraftsensor nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßring (2) jeweils im Bereich eines Dehnungsmeßstreifenpaares (7) eine radiale Ausnehmung (23) aufweist.

11. Kraftsensor nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar (7) Dickschicht-Dehnungsmeßstreifen aufweist.

12. Kraftsensor nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar (7) Folien- oder Dünnschicht- Dehnungsmeßstreifen aufweist.