DE102010060676B4

DE102010060676B4 - Kraftmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102010060676B4
Application number: DE102010060676.6A
Authority: DE
Inventors: Gunter Lang
Original assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: DE202010018462U1; DE102010060676A1

Abstract

Kraftmessvorrichtung, bestehend aus einem Rechner (19) und einem mit dem Rechner (19) verbundenen Kraftmessaufnehmer (6) aus einem Messkörper (16) und einer daran befestigten DMS-Brücke (11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessaufnehmer (6) mit einer Hohlachse (4) gekoppelt ist, die eine freilaufende, auf der Hohlachse (4) drehgelagerte Riemenscheibe (2) trägt, wobei die Riemenscheibe (2) von einem auszumessenden Riemen (3) radial belastet ist, und dass der Kraftmessaufnehmer (6) in der Hohlachse (4) angeordnet und sein Messkörper (16) an einem von zwei axial beabstandeten Orten fixiert und einem anderen mit der Hohlachse (4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Riementriebe, insbesondere Zahnriementriebe, werden bei Verbrennungsmotoren zur Koppelung von Motorkomponenten und Hilfsaggregaten mit der Kurbelwelle verwendet. Die auf den Riemen wirkenden Zugkräfte enthalten hohe dynamische Anteile aufgrund der Drehmomentpulse der des Motors gegenüber den Lastmomenten der Hilfsaggregate, insbesondere des Generator ist im Leerlauf. Diese Kräfte müssen bekannt sein, um einen Riemen für die Übernahme sämtlicher betriebsbedingter Belastungen auszulegen. Die Kräfte können messtechnisch an einem realen Motor mit einem zunächst überdimensionierten Testriemen gemessen werden, in dem eine Testreihe mit praxisnahen Werten der Drehzahl des Motors und Last der Hilfsaggregate gefahren wird.
Bei bisherigen Kraftmessvorrichtungen werden Kraftmessaufnehmer mit DMS eingesetzt, die auf „Biegung“ beansprucht werden. Der Nachteil ist eine große Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem Ort der Krafteinleitung. Bei Verwendung einer Halbbrücke ergeben sich als zusätzliche Nachteile ein geringes Ausgangssignal, eine Temperaturdrift des Signals und keine Kompensation von Torsionsbeanspruchungen.
Die DE 36 03 187 C2 offenbart beispielsweise eine solche Vorrichtung zur Linearkraftmessung, insbesondere zum Messen des Zuges einer über eine Walze laufenden Bahn. Die Vorrichtung weist zwei koaxiale Messringe in gleicher Ebene mit jeweils einem zugeordneten Doppelbiegebalken, wobei die Doppelbiegebalken senkrecht zur Kraft ausgerichtet sind, auf. Die Doppelbiegebalken sind unter Kraft verformbar und weisen wenigstens einen Dehnungsmessstreifen zur Ermittlung der beim Verformen des Doppebiegebalkens entstehenden Spannungen auf. Die Doppelbiegebalken weisen verschiedene Steifigkeiten auf, sodass verschiedene Messbereiche abgedeckt werden können.
Weiterhin offenbart die DE 21 17 477 B2 einen Kraftmesswertwandler mit einem einen Dehnungsmessstreifen tragenden Biegebalken.
Die US 2002 0 026 839 A1 offenbart einen Lastsensor, der einen ringförmigen Messring umfasst. Der Messring weist dehnbare Balkenelemente und biegsame Balkenelemente auf, wobei die Balkenelemente die Ringabschnitte miteinander verbinden. Die biegsamen Balkenelemente sind im Vergleich zu den dehnbaren Balkenelementen dicker ausgebildet, sodass die biegsamen Balkenelemente weniger Dehnung und Kompression ausgesetzt sind. Die biegsamen Balkenelemente begrenzen die Relativbewegung zwischen den Ringabschnitten unter einer Last, sodass eine Dehnung in Lastmessrichtung in den dehnbaren Balkenelementen erzeugt wird. Die Dehnung hat eine Größe, die direkt mit einer Größe der Kraftkomponente in der Lastmessrichtung zusammenhängt. Eine Dehnungsmess-Ausgabevorrichtung ist dazu ausgelegt, die Größe der Dehnung zu messen und danach die gemessene Dehnungsgröße als ein Ausgangssignal auszugeben, das verwendet werden kann, um die Kraftkomponentengröße und damit die aufgebrachte Last zu berechnen.
Die US 4 899 599 A offenbart eine Dehnungssensorvorrichtung zum Messen der Spannung an einem Bahn- oder Strangelement. Die Dehnungssensorvorrichtung ist einem Wellenabschnitt zugeordnet. Die Welle kann sich durch eine Zugbelastung auf das Bahn- oder Strangelement durchbiegen, wobei die Durchbiegung durch einen Dehnungsmesswandler ermittelt werden kann. Die ermittelte Durchbiegung ist repräsentativ für die Spannung des Bahn- oder Strangelements.
Die JP 2004-61 385 A offenbart eine Riemenscheibe zur Messung der Last eines Riemens. Die Messung erfolgt über einen Dehnungsmessstreifen, welcher die lastbedingte Verformung einer der Riemenscheibe zugeordneten Welle misst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmessvorrichtung anzugeben, welche eine höhere Messgenauigkeit liefert.
Diese Aufgabe wird bei einer Kraftmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei der Erfindung wird der Umstand genutzt, dass bei einem Riementrieb der Riemen jede Riemenscheibe nur teilweise umschließt und so eine Zugkraft im Riemen in eine Radialkraft auf die Riemenscheibe und deren Achse umgelenkt wird. Bei den bei Riementrieben einseitig gelagerten oder fixierten Achsen führt dies zu einer Biegung der Achse. Bei einer frei laufenden, auf einer fixierten Achse gelagerten Riemenscheibe kann so die im laufenden Riemen herrschende Zugkraft mittelbar über die Biegung der Achse gemessen werden und zwar mit einem stationären Kraftmessaufnehmer.
Zu diesem Zweck ist der Kraftmessaufnehmer erfindungsgemäß in einer als Hohlachse ausgebildeten Achse der Riemenscheibe angeordnet. Um die Radialkraft auf die Hohlachse bzw. die auf sie wirkenden Scherkräfte zu messen, ist dabei ein Messkörper an einem von zwei axial beanstandeten Orten mit der Hohlachse verbunden und an dem anderen fixierten, so das sich Verlagerungen der Hohlachse zwischen diesen Orten erfassen lassen. Torsionskräfte treten hier nicht auf, da es sich um eine freilaufende Riemenscheibe handelt, die nicht von einem Aggregat mit einem Gegenmoment beaufschlagt wird. Änderungen der Zugkräfte in Riemen wirken sich unmittelbar als Änderungen der Radialkräfte auf die Riemenscheibe aus. Dadurch ist es möglich, mit ausschließlich stationären Messmitteln dynamische Kräfte zu bestimmen, wie sie durch die Drehmomentimpulse der Arbeitstakte des Motors gegenüber der Massenträgheit und Lastmomente der Aggregate verursacht werden.
Vorzugsweise umfasst der Messkörper eine Bodenplatte, einen Flansch und zwei die Bodenplatte und den Flansch verbindende Stege mit planen Schlüsselflächen. Die Schlüsselflächen liegen bezüglich einer durch die Bodenplatte und den Flansch verlaufenden Längsmittelachse einander symmetrisch gegenüber. Auf diesen Schlüsselflächen ist jeweils eine DMS-Halbbrücke verklebt, die gemeinsam zu einer DMS-Vollbrücke verschaltet und mit dem Rechner verbunden sind. Die Bodenplatte ist mit einem Gehäuse verbunden und der Flansch ist mit dem vom Gehäuse weg weisenden Ende der Hohlachse verbunden.
Im unbelasteten Zustand sind die Bodenplatte und der Flansch parallel ausgerichtet, so dass auf die Stege keine Kräfte ausgeübt werden. Im belasteten Zustand behält die Bodenplatte aufgrund ihrer Anordnung am Gehäuse ihre Ausrichtung bei, während der mit dem vom Gehäuse weg weisenden Ende der Hohlachse befestigten Flansch aufgrund der einwirkenden Radialkraft gekippt wird. Als Folge wird bezüglich einer neutralen Achse der eine Steg zwischen Bodenplatte und Flansch gedehnt und der andere Steg gestaucht, und diese gegensätzliche Längenänderung wird von der DMS-Vollbrücke erfasst. Die Folge ist ein deutliches Ausgangssignal in nahezu linearer Abhängigkeit der im Riemen auftretenden Kraft. Temperatureinflüsse sowie auch eventuelle Torsionskräfte werden kompensiert
Bei einer Ausführung der Erfindung ist im Rechner eine im Rahmen einer Kalibrierung ermittelte Kennlinie der Riemenkraft als Funktion der von der DMS-Vollbrücke gelieferten Signale der auf die Hohlachse ausgeübten Scherkräfte gespeichert. Anhand der Kennlinie lassen sich die DMS-Signale als auf den Riemen einwirkende Zugkräfte berechnen- und darstellen..
Die Kalibrierung kann bei Stillstand des Riemens durchgeführt werden, indem mit einem Spannwerkzeug die Zugkraft auf den Riemen schrittweise von null bis zu einem Maximalwert versteigert wird und die DMS-Signale jeweils den direkt im Riemen gemessenen Zugkräften zugeordnet werden. Durch die Nutzung einer Kennlinie für die Berechnung der Kräfte werden der Umschlingungswinkel des Riemens um die Riemenscheibe sowie die Steifigkeit der Kombination aus der Hohlachse und dem Messkörper sowie eventuell vorhandene Nichtlinearitäten automatisch berücksichtigt.
Zusätzlich kann ein Beschleunigungssensor im Messkörper angeordnet und mit diesem gekoppelt sein, wobei der Beschleunigungssensor ebenfalls mit dem Rechner verbunden ist.
Mittels des Beschleunigungssensors können mittel- und hochfrequente Schwingungen über einen von der DMS-Vollbrücke unabhängigen Sensor erfasst werden und durch Vergleich mit den DMS-Signalen Störsignale von Nutzsignalen unterschieden werden.
Mittels des Rechners können von der DMS-Vollbrücke gelieferte Störsignale, die durch Schwingungsanregung des als Feder-Masse-System wirkenden Messkörpers entstehen, durch von dem Beschleunigungssensor gelieferte Signale kompensiert werden.
Aufgrund der Einspannung des Messkörper am Gehäuse und seiner Masse sowie der Masse der Hohlachse bildet die Anordnung ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System, das durch Vibrationen des Motors bei erreichen bestimmter Drehzahlen zu Resonanzschwingungen angeregt werden kann. Diese Schwingungen lösen über die DMS-Vollbrücke Signale aus, die jedoch keine dynamischen Kraftänderungen im Riemen darstellen. Vielmehr handelt es sich um Störsignale und diese können mittels des Rechners anhand der vom Beschleunigungssensor erfassten Signale kompensiert werden.
Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, bestimmte Frequenzbereiche zu filtern, in denen keine Nutzsignale zu erwarten sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Die in der Zeichnung dargestellte Kraftmessvorrichtung umfasst einen Rechner 18 und einen mit dem Rechner 18 verbundenen Kraftmessaufnehmer 6. Der Kraftmessaufnehmer 6 ist mit einer Hohlachse 4 gekoppelt, die eine freilaufende, auf der Hohlachse 4 über Lager 5 drehgelagerten Riemenscheibe 2 trägt. Die Riemenscheibe 2 wird durch einen Riemen 3 radial belastet. Die Riemenscheibe 2 befindet sich in Laufrichtung des Riemens 3 zwischen dem letzten angetriebenen Aggregat und der an antreibenden Kurbelwelle. So ist sichergestellt, dass die Riemenscheibe 2 mit der Summe aller Zugkräfte im Riemen 3 belastet wird, die aus den Lastdrehmomenten der angetriebenen Aggregate stammen.
Der Kraftmessaufnehmer 6 besteht aus einem Messkörper 16 und einer daran befestigten DMS-Vollbrücke aus zwei miteinander verschalteten DMS-Halbbrücken 11 und 12. Der Messkörper 16 befindet sich innerhalb der Hohlachse 4 und ist an einem ersten von zwei axial beabstandeten Orten mit einem Motorgehäuse 1 und an einem zweiten mit der Hohlachse 4 verbunden.
Der Messkörper 16 besteht aus einer Bodenplatte 8, einem Flansch 7 und zwei die Bodenplatte 8 und den Flansch 7 verbindenden Stegen 9, 10 mit planen Schlüsselflächen. Die Schlüsselflächen sind dadurch gebildet, dass der Mantel eines Hohlzylinders an zwei gegenüberliegenden Seiten plan gefräst wurde. Dadurch liegen die Schlüsselflächen der Stege 9, 10 bezüglich einer durch die Bodenplatte und den Flansch verlaufenden Längsmittelachse einander symmetrisch gegenüber. Auf den Schlüsselflächen jedes Steges 9, 10 ist jeweils eine DMS-Halbbrücke 11, 12 verklebt. Beide DMS-Halbbrücken 11, 12 sind gemeinsam zu einer DMS-Vollbrücke verschaltet und über eine DMS-Signalleitung 17 mit dem Rechner 19 verbunden. Die DMS-Signalleitung 17 verläuft exzentrisch innerhalb einer Bohrung durch den Flansch 7.
Zur Befestigung des Messekörpers 16 am Motorgehäuse 1 dient eine Zentralschraube 13. An dem Flansch 7 des Messekörpers 16 ist über Flanschschrauben 14 das eine Ende der Hohlachse 4 befestigt.
Zusätzlich ist ein Beschleunigungssensor 15 im Messkörper 16 angeordnet und mit diesem verbunden. Der Beschleunigungssensor 15 ist über eine Beschleunigungssensor-Signalleitung 18 ebenfalls mit dem Rechner 19 verbunden.
Um zur Bestimmung der Auslegung eines Riemens 3 die auftretenden Zugkräfte zu erfassen, wird zumindest einmalig eine Kalibrierung durchgeführt. Dazu wird der feststehende Riemen 3 schrittweise auf Zug belastet und zu jedem Wert der Zugkraft ein korrespondierendes DMS-Signal ermittelt. Durch diese Vorgehensweise werden automatisch alle Parameter berücksichtigt, die auf die Abhängigkeit zwischen DMS-Signal und Zugkraft Einfluss nehmen.
Danach werden die erforderlichen Messungen bei unterschiedlichen Szenarien der Drehzahl und Lastmomenten der Hilfsaggregate durchgeführt. Auf Basis der Kalibrierung kann der Rechner 19 aus den erfassten DMS-Signalen die Zugkräfte innerhalb des Riemens 3 bestimmen.
Da bei Verbrennungsmotoren systembedingt eine nicht gleichmäßige Abgabe des Drehmoments erfolgt, können Vibrationen auftreten. Diese Vibrationen wiederum können das Feder-Masse-System des Messekörpers 16 zu Resonanzschwingungen anregen, die Kraftänderungssignale vortäuschen, in Wirklichkeit aber Störsignale sind. Durch den Beschleunigungssensor 15 lassen sich derartige Resonanzschwingungen unabhängig erfassen und als Signale dem Rechner 19 zu führen, der eine Kompensation der Störsignale vornimmt.
Bezugszeichenliste

1: Motorgehäuse
2: Riemenscheibe
3: Riemen
4: Hohlachse
5: Lager
6: Kraftmessaufnehmer
7: Flansch
8: Bodenplatte
9: Steg
10: Steg
11: DMS-Halbbrücke
12: DMS-Halbbrücke
13: Zentralschraube
14: Flanschschraube
15: Beschleunigungssensor
16: Messkörper
17: DMS-Signalleitung
18: Beschleunigungssensor-Signalleitung
19: Rechner

Claims

Kraftmessvorrichtung, bestehend aus einem Rechner (19) und einem mit dem Rechner (19) verbundenen Kraftmessaufnehmer (6) aus einem Messkörper (16) und einer daran befestigten DMS-Brücke (11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessaufnehmer (6) mit einer Hohlachse (4) gekoppelt ist, die eine freilaufende, auf der Hohlachse (4) drehgelagerte Riemenscheibe (2) trägt, wobei die Riemenscheibe (2) von einem auszumessenden Riemen (3) radial belastet ist, und dass der Kraftmessaufnehmer (6) in der Hohlachse (4) angeordnet und sein Messkörper (16) an einem von zwei axial beabstandeten Orten fixiert und einem anderen mit der Hohlachse (4) verbunden ist.
Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (16) eine Bodenplatte (8), einen Flansch (7) und zwei die Bodenplatte (8) und den Flansch (7) verbindende Stege (9, 10) mit planen Schlüsselflächen umfasst, dass die Schlüsselflächen bezüglich einer durch die Bodenplatte (8) und den Flansch (7) verlaufenden Längsmittelachse einander symmetrisch gegenüberliegen, dass auf den Schlüsselflächen jeweils eine DMS-Halbbrücke (11, 12) verklebt ist, die gemeinsam zu einer DMS Vollbrücke verschaltet und mit dem Rechner (19) verbunden sind,. und dass die Bodenplatte (8) an einem Gehäuse (1) fixiert und der Flansch (7) mit dem vom Gehäuse (1) weg weisenden Ende der Hohlachse (4) verbunden ist.
Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (19) eine im Rahmen einer Kalibrierung ermittelte Kennlinie der Riemenkraft als Funktion der von der DMS Vollbrücke (11, 12) gelieferten Signale der auf die Hohlachse (4) ausgeübten Scherkräfte gespeichert ist und anhand der Kennlinie die DMS-Signale als auf den Riemen (3) einwirkende Zugkräfte berechen- und darstellbar sind.
Kraftmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Beschleunigungssensor (15) im Messkörper (16) angeordnet und mit diesem gekoppelt ist und der Beschleunigungssensor (15) ebenfalls mit dem Rechner (19) verbunden ist.
Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rechners (19) von der DMS-Vollbrücke (11, 12) gelieferte Störsignale, die durch Schwingungsanregung des als Feder-Masse-System wirkenden Messkörpers (16) entstehen, durch von dem Beschleunigungssensor (15) gelieferte Signale kompensierbar sind.