DE102011101127A1 - Measurement device for determining internal forces on steering wheel of wheel suspension of motor car, has outer and inner cylinders connected together by bars, where device is insertable into bearing point of component - Google Patents

Measurement device for determining internal forces on steering wheel of wheel suspension of motor car, has outer and inner cylinders connected together by bars, where device is insertable into bearing point of component Download PDF

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Abstract

The device (20) has outer and inner cylinders (22, 24) connected together by bars (26), which are in operative connection with a force-measuring sensor, where the device is insertable into a bearing point of an articulately attached component. The bars are arranged parallel to each other. A joint is arranged in the inner cylinder. The bearing point is designed in a form of sleeve-shaped connector. The force-measuring sensor is designed as a strain gauge, a piezo element, an eddy current sensor, an induction sensor and a laser sensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Ermittlung von Schnittkräften an gelenkig angebundenen Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art, beispielsweise an einem Lenker einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges. Der Begriff „gelenkig” meint Anbindungen im Sinne von Gelenk aber auch von Elastomerlagern etc.The invention relates to a measuring device for determining cutting forces on articulated components according to the type specified in the preamble of claim 1, for example on a handlebar of a wheel suspension of a motor vehicle. The term "articulated" means connections in the sense of joint but also of elastomeric bearings, etc.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Schnittkraftermittlung von Bauteilen, z. B. an einem Lenker einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, Dehnungsmessstreifen (DMS) zu verwenden. Hierzu wird der Dehnungsmessstreifen unmittelbar, z. B. durch Verkleben, auf das Bauteil aufgebracht. Anschließend wird das mit dem Dehnungsmessstreifen versehene Bauteil kalibriert, um den Zusammenhang zwischen Dehnung bzw. elektrischer Spannung und äußerer Kraft zu bestimmen. Ein mit einem Dehnungsmessstreifen zu Messzwecken versehenes Bauteil wird nachfolgend vereinfacht auch als Messbauteil bezeichnet.From the prior art it is known for the determination of the average force of components, for. B. on a handlebar of a suspension of a motor vehicle to use strain gauges (DMS). For this purpose, the strain gauge is directly, z. B. by gluing, applied to the component. Subsequently, the component provided with the strain gauge is calibrated to determine the relationship between strain and electrical voltage and external force. A component provided with a strain gauge for measurement purposes is also referred to below as a measuring component.

Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Messbauteil bei einer Änderung des Gesamtsystems, z. B. kinematischen Weiterentwicklung der Radaufhängung und/oder anderen Bauteiländerungen, nicht mehr eingesetzt werden kann. Somit entsteht ein entsprechender Mehraufwand zur Beschaffung von neuen, den veränderten Bedingungen angepassten Messbauteilen.This approach has the disadvantage that the measuring component in a change in the overall system, eg. B. kinematic development of the suspension and / or other component changes, can not be used. Thus, a corresponding additional expenditure for the procurement of new, the changed conditions adapted measuring components.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Ermittlung von Schnittkräften an gelenkig angebundenen Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art unter Vermeidung der genannten Nachteile derart weiterzubilden, dass durch die Messvorrichtung eine vom jeweiligen Konstruktionsstand des Bauteils oder des Gesamtsystems unabhängige Messstelle zur Verfügung gestellt ist.The invention has the object of providing a measuring device for determining cutting forces on articulated components according to the type specified in the preamble of claim 1 while avoiding the disadvantages mentioned in such a way that by the measuring device independent of the respective design stage of the component or the overall system measuring point Is made available.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.This object is solved by the characterizing features of claim 1 in conjunction with its preamble features.

Die Unteransprüche bilden ein vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims form an advantageous developments of the invention.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Ermittlung von Schnittkräften an gelenkig angebundenen Bauteilen ist für Bauteile mit mindestens einem hülsenförmigen Verbindungselement vorgesehen.The measuring device according to the invention for determining cutting forces on articulated components is provided for components having at least one sleeve-shaped connecting element.

Erfindungsgemäß ist die Messvorrichtung derart ausgebildet, dass diese anstelle des normalerweise in der Lagerstelle des Bauteils vorhandenen hülsenförmigen Verbindungselements einsetzbar ist. D. h., die Außengeometrie der Messvorrichtung entspricht der Außengeometrie des standardmäßig in der Lagerstelle eingesetzten hülsenförmigen Verbindungselements. Durch die in die Lagerstelle des Bauteils einsetzbare Messvorrichtung ist nunmehr in vorteilhafter Weise eine vom jeweiligen Konstruktionsstand des Bauteils unabhängige Messstelle zur Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat den weiteren Vorteil, dass diese beliebig oft in Bauteile mit Lagerstellen gleicher Geometrie wieder verwendbar ist. Die veränderliche Bauteilsteifigkeit wird bei der Kalibrierung berücksichtigt und dadurch kompensiert. Durch die erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist somit auch bei einer Änderung des Gesamtsystems, z. B. kinematischen Weiterentwicklung der Radaufhängung und/oder bei anderen Bauteiländerungen ohne großen weiteren Aufwand eine Belastungsmessung ermöglicht. Durch eine Erstellung von Messvorrichtungen in typischen Durchmesserklassen der Lagerstellen von Bauteilen kann in vorteilhafter Weise somit ein wiederverwendbarer Baukasten von Messelementen generiert werden. Dies ist in vorteilhafter Weise mit entsprechend zeitlichen und finanziellen Einsparpotenzial verbunden.According to the invention, the measuring device is designed such that it can be used instead of the sleeve-shaped connecting element normally present in the bearing point of the component. D. h., The outer geometry of the measuring device corresponds to the outer geometry of the standard used in the bearing sleeve-shaped connecting element. By insertable into the bearing of the component measuring device now independent of the respective design level of the component measuring point is provided. The measuring device according to the invention has the further advantage that it can be reused as often as desired in components with bearing points of the same geometry. The variable component stiffness is taken into account in the calibration and thereby compensated. The measuring device according to the invention is thus thus even with a change in the overall system, for. B. kinematic development of the suspension and / or other component changes without much further effort a load measurement allows. By creating measuring devices in typical diameter classes of the bearing points of components, a reusable modular system of measuring elements can be generated in an advantageous manner. This is advantageously associated with corresponding time and financial savings potential.

Ein weiterer Nachteil der bisher aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise, nämlich Applikation des Dehnungsmessstreifens direkt auf dem Bauteil, ist, dass ein mögliches ”Übersprechen” durch andere Kraftrichtungen die Belastungsmessung beeinflussen kann. Wenn z. B. eine Messstelle ausschließlich die Längskraft eines stabförmigen Bauteils erfassen soll, dieses aber auch auf Querkräfte eine Empfindlichkeit zeigt, ist eine eindeutige Längskraftmessung nicht möglich.Another disadvantage of the previously known from the prior art approach, namely application of the strain gauge directly on the component, is that a possible "crosstalk" by other directions of force can affect the load measurement. If z. B. a measuring point to detect only the longitudinal force of a rod-shaped component, but this also shows a sensitivity to transverse forces, a clear longitudinal force measurement is not possible.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist erfindungsgemäß die Messvorrichtung derart ausgebildet, dass über die Messvorrichtung lediglich eine undirektionale Kraftübertragung ermöglicht ist. Durch eine entsprechende Ausrichtung der Messvorrichtung in der Lagerstelle des Bauteils kann in vorteilhafter Weise nunmehr die gewünschte Kraftmessrichtung festgelegt werden. Ein Übersprechen anderer Kraftrichtungen (Störgrößen) wird weitestgehend vermieden.In order to avoid these disadvantages, the measuring device according to the invention is designed in such a way that only an unidirectional force transmission is made possible via the measuring device. By an appropriate orientation of the measuring device in the bearing of the component can now be set in an advantageous manner, the desired force direction. A crosstalk of other directions of force (disturbances) is largely avoided.

Vorzugsweise ist die Messvorrichtung hülsenförmig, einen Innenzylinder und einen Außenzylinder aufweisend ausgebildet. Im Inneren des Innenzylinders ist ein in axialer und radialer Richtung festgelegtes, die kardanischen und rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten des standardmäßigen Verbindungselements nachbildendes Gelenk, beispielsweise in Form eines Uniballgelenk, angeordnet. Weiterhin sind der Innen- und Außenzylinder lediglich über mindestens einen Steg miteinander verbunden, der mit einem Kraftmesssensor in Wirkverbindung steht.Preferably, the measuring device is sleeve-shaped, an inner cylinder and an outer cylinder having formed. In the interior of the inner cylinder is a fixed in the axial and radial directions, the cardan and rotational movement possibilities of the standard connecting element replicating joint, for example in the form of a Uniballgelenk arranged. Furthermore, the inner and outer cylinders are interconnected only via at least one web, which is in operative connection with a force measuring sensor.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innen- und Außenzylinder über zwei parallel zueinander angeordnete Stege miteinander verbunden sind, die jeweils mit einem Kraftsensor in Wirkverbindung stehen. Durch die Verbindung des Innen- und Außenzylinders über zwei parallel zueinander angeordnete Stege ist in vorteilhafter Weise eine eindeutige Kraftmessung in unidirektionaler Richtung, ohne Übersprechen anderer Kraftrichtungen (Störgrößen), gewährleistet. According to a particularly advantageous embodiment of the invention it is provided that the inner and outer cylinders are connected to each other via two webs arranged parallel to one another, which are each in operative connection with a force sensor. Through the connection of the inner and outer cylinder via two webs arranged parallel to one another, an unambiguous force measurement in unidirectional direction, without crosstalk of other force directions (disturbance variables), is advantageously ensured.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Kraftmesssensoren als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, die auf die Stege aufgebracht sind. Die Verwendung von DMS als Kraftmesssensoren erweist sich als vorteilhaft, da diese eine kostengünstige Kraftmessung ermöglichen und eine bewährte und robuste Technik darstellen. Alternative Messmethoden durch Piezo-Elemente, Wirbelstrom-/Induktionssensoren, Laser, etc. sind ebenfalls innerhalb der beschriebenen Messvorrichtung vorstellbar.According to an advantageous embodiment of the invention, the force measuring sensors are designed as strain gauges, which are applied to the webs. The use of strain gauges as force measuring sensors proves to be advantageous, since they allow a cost-effective force measurement and represent a proven and robust technology. Alternative measuring methods using piezo elements, eddy current / induction sensors, lasers, etc. are also conceivable within the measuring device described.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description in conjunction with the embodiment illustrated in the drawings.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to the embodiment shown in the drawings.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugzeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugzeichen verwendet.In the specification, claims, and drawings, the terms and associated reference numerals used in the list of reference numerals below are used.

In der Zeichnung bedeutet:In the drawing:

1 ein Lenker einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs mit einem darauf angeordnetem Dehnungsmessstreifen zur Belastungsmessung 1 a handlebar of a suspension of a motor vehicle with a strain gauge arranged thereon for load measurement

(Stand der Technik)(State of the art)

2 eine Draufsicht, auf eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, und 2 a plan view of a measuring device according to the invention, and

3 eine Schnittdarstellung der Messvorrichtung aus 2. 3 a sectional view of the measuring device 2 ,

1 zeigt einen insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Lenker einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs. 1 shows a total with the reference numeral 10 designated handlebar a suspension of a motor vehicle.

In bekannter Art und Weise weist der Lenker 10 eine in Form eines Gelenkauges ausgebildete Lagerstelle 12 auf. Zur Belastungsmessung ist der Lenker 10 mit einem Dehnungsmessstreifen (DMS) 14 versehen.In a known manner, the handlebars 10 a trained in the form of a joint eye bearing 12 on. For load measurement is the handlebar 10 with a strain gauge (DMS) 14 Mistake.

Diese nach dem Stand der Technik bekannte Anordnung zur Belastungsmessung an einem Lenker 10 erweist sich als nachteilig, da durch die Applikation der Messstelle direkt auf den Lenker 10 ein mögliches ”übersprechen” durch andere Kraftrichtungen die Messung beeinflussen kann. Wenn z. B. im vorliegenden Fall die Messstelle ausschließlich die Längskraft FL erfassen soll, diese aber auch für Querkräfte FQ eine Empfindlichkeit zeigt, ist eine eindeutige Längskraftmessung nicht möglich. Ein weiterer Nachteil ist, dass im Falle einer kinematischen Weiterentwicklung der Radaufhängung der mit dem Dehnungsmessstreifen 14 versehene Lenker 10 nicht mehr eingesetzt werden kann, so dass eine aufwendige Neuerstellung notwendig ist.This known from the prior art arrangement for load measurement on a handlebar 10 proves to be disadvantageous because the application of the measuring point directly to the handlebar 10 a possible "crosstalk" by other directions of force can affect the measurement. If z. B. in the present case, the measuring point exclusively the longitudinal force F L should detect, but this also shows a sensitivity for transverse forces F Q , a unique longitudinal force measurement is not possible. Another disadvantage is that in the case of a kinematic development of the suspension with the strain gauge 14 provided handlebars 10 can no longer be used, so that a costly rebuild is necessary.

Hier setzt nun die Erfindung ein:
Nach der Erfindung ist eine insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnete Messvorrichtung vorgesehen. Die Messvorrichtung 20 ist hierbei hülsenförmig ausgebildet, wobei der Außendurchmesser der hülsenförmigen Messvorrichtung derart ist, dass die Messvorrichtung 20 in die Lagerstelle 12 des Lenkers 10 einsetzbar ist.This is where the invention begins:
According to the invention is a total with the reference numeral 20 designated measuring device provided. The measuring device 20 is in this case sleeve-shaped, wherein the outer diameter of the sleeve-shaped measuring device is such that the measuring device 20 in the storage place 12 of the handlebar 10 can be used.

Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, weist die Messvorrichtung 20 einen Außenzylinder 22 und einen Innenzylinder 24 auf. Der Außenzylinder 22 und der Innenzylinder 24 sind lediglich über zwei fluchtend zueinander angeordnete Stege 26 miteinander verbunden, auf denen jeweils ein Kraftmesssensor appliziert ist.As in particular from 2 can be seen, the measuring device 20 an outer cylinder 22 and an inner cylinder 24 on. The outer cylinder 22 and the inner cylinder 24 are only about two aligned webs arranged 26 connected to each other, on each of which a force measuring sensor is applied.

Innerhalb des Innenzylinders 24 ist ein – hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestelltes – Uniballgelenk vorgesehen, welches die kardanischen und rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten des standardmäßig in der Lagerstelle 12 vorgesehenen Gummimetalllagers nachbilden kann. Das Uniballgelenk ist axial und radial fest im Innenzylinder 24 gelagert.Inside the inner cylinder 24 is a - not shown here for reasons of clarity - Uniballgelenk provided which the gimbal and rotational movement possibilities of the standard in the bearing 12 can simulate provided rubber metal bearing. The uniball joint is axially and radially fixed in the inner cylinder 24 stored.

Hierfür ist, wie insbesondere aus 3 ersichtlich, im Innenzylinder 24 ein Anschlag 28 ausgebildet, gegen den das Uniballgelenk gepresst wird und durch einen Sicherungsring gegen axiales Verschieben gesichert ist.This is how particular out 3 visible, in the inner cylinder 24 an attack 28 formed, against which the Uniballgelenk is pressed and is secured by a locking ring against axial displacement.

Durch eine entsprechende Ausrichtung der Stege 26 beim Einpressen der Messvorrichtung 20 in die Lagerstelle 12 des Lenkers 10 kann nunmehr die Kraftmessrichtung festgelegt werden. Ein Übersprechen anderer Kraftrichtungen (Störgrößen) wird somit weitestgehend vermieden.By an appropriate orientation of the webs 26 when pressing the measuring device 20 in the storage place 12 of the handlebar 10 Now the force measuring direction can be determined. A crosstalk of other directions of force (disturbances) is thus largely avoided.

Zudem kann die Messvorrichtung 20 prinzipiell beliebig oft in Lenker/Bauteilen mit Lagerstellen gleichen Durchmessers wiederverwendet werden.In addition, the measuring device 20 in principle any number of times in handlebar / components with bearings of the same diameter can be reused.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Bauteil/LenkerComponent / handlebars
1212
Lagerstelledepository
1414
Dehnungsmessstreifen (DMS)Strain gages (DMS)
2020
Messvorrichtungmeasuring device
2222
Außenzylinderouter cylinder
2424
Innenzylinderinner cylinder
2626
Stegweb
2828
Anschlagattack
FL F L
Längskraftlongitudinal force
FQ F Q
Querkraftlateral force

Claims (9)

Messvorrichtung (20) zur Ermittlung von Schnittkräften an einem gelenkig angebundenen Bauteil (10), wobei das Bauteil (10) mindestens eine in Form eines hülsenförmigen Verbindungselements ausgebildete Lagerstelle (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) in die Lagerstelle (12) des Bauteils (10) einsetzbar ist.Measuring device ( 20 ) for determining cutting forces on a hinged component ( 10 ), wherein the component ( 10 ) at least one bearing in the form of a sleeve-shaped connecting element ( 12 ), characterized in that the measuring device ( 20 ) to the depository ( 12 ) of the component ( 10 ) can be used. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messvorrichtung (20) lediglich eine undirektionale Kraftübertragung ermöglicht ist.Measuring device ( 20 ) according to claim 1, characterized in that by means of the measuring device ( 20 ) only an unidirectional power transmission is possible. Messvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) hülsenförmig, einen Innenzylinder (24) und einen Außenzylinder (22) aufweisend ausgebildet ist, wobei im Innenzylinder (24) ein Gelenk angeordnet ist und der Innen- und Außenzylinder (22, 24) lediglich über mindestens einen Steg (26) miteinander verbunden sind, der mit einem Kraftmesssensor in Wirkverbindung steht.Measuring device ( 20 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the measuring device ( 20 ) sleeve-shaped, an inner cylinder ( 24 ) and an outer cylinder ( 22 ) is formed, wherein in the inner cylinder ( 24 ) a joint is arranged and the inner and outer cylinder ( 22 . 24 ) only via at least one web ( 26 ), which is in operative connection with a force measuring sensor. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, der Innen- und Außenzylinder (22, 24) über zwei, parallel zueinander angeordnete Stege (26) miteinander verbunden sind, die jeweils mit einem Kraftsensor in Wirkverbindung stehen.Measuring device ( 20 ) according to claim 3, characterized in that the inner and outer cylinders ( 22 . 24 ) via two webs arranged parallel to one another ( 26 ), which are each in operative connection with a force sensor. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kraftmesssensor(en) als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist/sind.Measuring device ( 20 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the / the force measuring sensor (s) is designed as a strain gauge / are. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kraftmesssensor(en) als Piezo-Elemente ausgebildet ist/sind.Measuring device ( 20 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the / the force measuring sensor (s) is designed as a piezo-elements / are. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kraftmesssensor(en) als Wirbelstromsensoren ausgebildet ist/sind.Measuring device ( 20 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the / the force measuring sensor (s) is designed as eddy current sensors / are. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kraftmesssensor(en) als Induktionssensoren ausgebildet ist/sind.Measuring device ( 20 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the / the force measuring sensor (s) is designed as induction sensors / are. Messvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kraftmesssensor(en) als Lasersensoren ausgebildet ist/sind.Measuring device ( 20 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the / the force measuring sensor (s) is designed as a laser sensors / are.
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