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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, einen Kalibriersensor zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 sowie eine Verwendung des Kalibriersensors.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Gattungen von Prüfständen bekannt, wobei insbesondere in der Automobilindustrie eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeugprüfstande bzw. Fahrzeugkomponentenprüfstände verwendet werden. Die Prüfstände simulieren dabei verschiedentliche Belastungsszenarien für die Fahrzeugkomponenten und erlauben jeweils eine Beobachtung des Verhaltens der Fahrzeugkomponenten unter einer bestimmten Belastung. Von besonderer Bedeutung ist es hierbei, die jeweils ausgeübte Belastung auf die Fahrzeugkomponenten genau zu kennen und zu steuern. Hierzu werden üblicherweise Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren verwendet, die jedoch in bestimmten Zeitintervallen kalibriert werden müssen, um eine möglichst große Genauigkeit bei der Bestimmung der auf die Fahrzeugkomponenten ausgeübten Belastung zu gewährleisten.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 100 55 943 A1 eine Vorrichtung zur Messung eines Belastungszustands. Die Vorrichtung besteht aus einem Messkörper, der als Kraftaufnehmer eine mechanische Belastung aufnimmt, sowie aus einem Dehnmessstreifen auf einem Keramiksubstrat. Der Messkörper besteht aus einer elastischen Metalllegierung oder einem Sinterverbundwerkstoff und verformt sich unter Belastung mechanisch. Das Keramiksubstrat ist dabei an einer seiner Oberflächen mit mindesten einer elektrischen Widerstandsschicht beschichtet, die über elektrische Kontaktflächen mit einer Spannungsversorgung und mit einer Messeinrichtung verbindbar ist. Mit einer anderen Oberfläche ist das Keramiksubstrat kraftschlüssig auf den Messkörper aufgelötet, so dass bei einer durch einen Belastungswechsel hervorgerufenen lokalen Längenänderung des Messkörpers diese Längenänderung über das Keramiksubstrat auf die Widerstandsschicht übertragen wird und dort eine Widerstandsänderung als Maß für die Änderung des Belastungszustands des Messkörpers bewirkt.
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Die
DE 20 2009 035 410 A1 offenbart einen Prüfstand mit einer Vorrichtung zum Kalibrieren einer Kraftmesseinrichtung. Der Prüfstand weist eine um eine Hauptachse pendelnd gelagerte Lasteinrichtung auf, von der aus sich ein Hebelarm senkrecht erstreckt. Zum Kalibrieren der mit dem Hebelarm gekoppelten Kraftmesseinrichtung ist ein Pneumatikzylinder als Referenzkrafterzeugungseinrichtung vorgesehen. Die Referenzkraft wird über ein Joch auf den Hebelarm aufgebracht. Die zu kalibrierende Kraftmesseinrichtung, der Pneumatikzylinder und das Joch wirken dabei auf den gleichen Hebelarm. Weiterhin ist die Referenzkrafterzeugungseinrichtung mit einer Referenzkraftmesseinrichtung gekoppelt. Die Kraftmesseinrichtung kann nun derart kalibriert werden, dass sie – unter Berücksichtigung der jeweiligen Hebelverhältnisse – einen Kraftmesswert anzeigt, der zu dem von der Referenzkraft-Messeinrichtung gemessenen Referenzkraftwert proportional ist.
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Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch insofern nachteilbehaftet, als dass bei einer Verwendung von einachsig kraftsensitiven Kalibriersensoren der Effekt des Übersprechens einer einachsigen Kraftbeaufschlagung auf andere kraftsensitive Achsen des zu kalibrierenden Kraftsensors vernachlässigt wird und bei Verwendung von mehrachsigen Kalibriersensoren nur vergleichsweise ungenaue Kalibrierergebnisse erzielt werden können, da die bekannten mehrachsig kraftsensitiven Kalibriersensoren Messunsicherheiten von etwa 0,5% aufweisen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren, wobei mindestens ein einachsig kraftsensitiver Kalibriersensor entlang seiner kraftsensitiven Achse mit einer Kraft beaufschlagt wird, wobei weiterhin mindestens ein Kraftsensor mit der Kraft beaufschlagt wird und/oder mindestens ein Drehmomentsensor mit einem durch die Kraft erzeugten Drehmoment beaufschlagt wird, wobei Messdaten des mindestens einen Kalibriersensors und des mindestens einen Kraftsensors und/oder des mindestens einen Drehmomentsensors einem Vergleich unterworfen werden und wobei eine Kalibrierung des mindestens einen Kraftsensors und/oder des mindestens einen Drehmomentsensors nach Maßgabe des Vergleichs erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Richtungsvektor der Kraft bei der Kalibrierung berücksichtigt wird.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß also nicht nur der Betrag der Kraft berücksichtigt, sondern auch deren Richtung, da der Richtungsvektor beide Informationen beinhaltet. Da ein einachsig kraftsensitiver Kalibriersensor ausschließlich denjenigen Anteil der Kraft erfassen kann, der entlang seiner kraftsensitiven Achse weist, kann durch die Berücksichtigung des Richtungsvektors und insbesondere der Richtung der Kraft der vollständige Betrag der Kraft ermittelt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Kalibrierung vergleichsweise präzise ist, da sie auch nicht unmittelbar erfassbare Anteile der Kraft berücksichtigt.
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Der Vergleich ist bevorzugt ein Vergleich der Beträge der physikalischen Größen, die in den Messdaten enthalten sind. Die physikalischen Größen können z.B. eine Kraft oder ein Drehmoment sein.
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Die Kalibrierung kann beispielsweise in Form einer Anpassung eines Korrekturfaktors oder einer Vielzahl von Korrekturfaktoren erfolgen. Ein Korrekturfaktor des zu kalibrierenden mindestens einen Kraftsensors bzw. des zu kalibrierenden mindestens einen Drehmomentsensors wird dabei mit dem Betrag der in den jeweiligen Messdaten enthaltenen Kraft bzw. dem Betrag des in den jeweiligen Messdaten enthaltenen Drehmoments multipliziert. Ein Korrekturfaktor wird dabei bevorzugt derart gewählt, dass der Betrag der Kraft bzw. des Drehmoments, die bzw. das in den Messdaten des Kraftsensors bzw. des Drehmomentsensors enthalten ist, nach der Multiplikation mit dem Korrekturfaktor dem Betrag der in den vom Kalibriersensor erfassten Messdaten enthaltenen Kraft bzw. dem Betrag des in den jeweiligen Messdaten enthaltenen Drehmoments entspricht.
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Da es sich bei dem Kalibriersensor um einen kraftsensitiven Kalibriersensor handelt, wird ein Drehmoment bevorzugt aus der Differenz der Beträge zweier oder mehrerer Kräfte unter Berücksichtigung der Richtungsvektoren der Kräfte bestimmt. Die zwei oder mehr Kräfte setzen dabei räumlich versetzt an einem Körper an, so dass ein Drehmoment um eine Achse des Körpers entsteht. In einem Sonderfall kann das Drehmoment auch von nur einer einzelnen Kraft erzeugt werden, sofern die Kraft nicht auf den Schwerpunkt des Körpers wirkt oder sofern der Körper fixiert ist. Dementsprechend werden zur Bestimmung des Drehmoments ggf. mehrere Kalibriersensoren benötigt, so dass jede Kraft, welche zur Erzeugung des Drehmoments beiträgt, von einem Kalibriersensor erfasst werden kann. Die Kalibrierung eines Drehmomentsensors erfolgt also mittelbar über die von einem oder mehreren Kalibriersensoren erfasste Kraft bzw. erfassten Kräfte.
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Wie bereits ausgeführt wurde, beschreibt der Richtungsvektor sowohl einen Betrag einer Kraft als auch deren Richtung im Raum.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass jeweils ein Kraftsensor mit nur jeweils einer Kraft beaufschlagt wird.
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Der Kalibriersensor und der Kraftsensor werden bevorzugt derart zueinander angeordnet, dass die kraftsensitive Achse des Kalibriersensors mit einer Achse des zu kalibrierenden Kraftsensors identisch ist.
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Die konkrete Ausbildungsart des Kraftsensors bzw. des Drehmomentsensors und auch des Kalibriersensors ist für die Erfindung unerheblich. Beispielsweise macht es erfindungsgemäß keinen Unterschied, ob die genannten Sensoren ein piezoelektrisches oder kapazitives Wirkprinzip aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kraftsensor und/oder der Drehmomentsensor mehrachsig sensitiv sind. Das bedeutet also, dass der Kraftsensor bzw. der Drehmomentsensor im Gegensatz zum Kalibriersensor Kräfte entlang mehr als nur einer Achse bzw. Drehmomente um mehr als nur eine Achse erfassen können. Bevorzugt sind der Kraftsensor bzw. der Drehmomentsensor zweiachsig sensitiv und insbesondere dreiachsig sensitiv. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Kraftsensor bzw. der Drehmomentsensor vergleichsweise vielseitig verwendbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft auch eine Kalibrierung dieser mehrachsig sensitiven Sensoren. Bevorzugt wird dazu jede sensitive Achse des zu kalibrierenden Kraftsensors bzw. des zu kalibrierenden Drehmomentsensors einzeln mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kalibriert.
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Gerade im Zusammenhang mit mehrachsig sensitiven Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren führt das erfindungsgemäße Verfahren zu besonderen Vorteilen, da das Kalibrieren mehrachsig sensitiver Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren bisher nur vergleichsweise unpräzise möglich war. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nämlich das Zurückgreifen auf einen vergleichsweise präzise messenden einachsig sensitiven Kalibriersensor unter gleichzeitiger Vermeidung von negativen Auswirkungen von Übersprecheffekten von einer sensitiven Achse auf eine andere sensitive Achse der zu kalibrierenden Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren, da der Richtungsvektor der Kraft jederzeit bekannt ist und erfindungsgemäß berücksichtigt wird. Somit kann ein Übersprecheffekt erkannt und berücksichtigt werden. Gerade bei Beaufschlagungen mit vergleichsweise großen Kräften bzw. Drehmomenten tritt nämlich oftmals das Problem auf, dass die Genauigkeit der Krafteinleitungsrichtung bzw. der Drehmomenteinleitungsrichtung undefiniert nachlässt und Reibung entsteht. Die Reibung wiederum führt dazu, dass über die Krafteinleitung bzw. Drehmomenteinleitung nicht mehr steuerbar ist, welcher Anteil der Kraft bzw. des Drehmoments auf welche Achse bzw. um welche Achse wirkt. Dieser Effekt ist allgemein als Übersprecheffekt bekannt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels des Richtungsvektors Beträge der Kraft entlang von kraftsensitiven Achsen des mindestens einen Kraftsensors bestimmt werden, die nicht mit der kraftsensitiven Achse des mindestens einen Kalibriersensors übereinstimmen. Aus dem bekannten Richtungsvektor und der bekannten Kraft entlang der sensitiven Achse des Kalibriersensors kann auf einfache Art und Weise rechnerisch die Kraft entlang der kraftsensitiven Achsen des mindestens einen Kraftsensors bestimmt werden, die nicht mit der kraftsensitiven Achse des mindestens einen Kalibriersensors übereinstimmen. Somit wird es z.B. möglich, das Übersprechverhalten des zu kalibrierenden Kraftsensors bzw. des zu kalibrierenden Drehmomentsensors zu berücksichtigen bzw. zu kalibrieren, wodurch der Kraftsensor bzw. der Drehmomentsensor im späteren Messbetrieb ein vergleichsweise präziseres Messverhalten zeigen. Von Vorteil ist es insbesondere, dass somit mehrachsig sensitive Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren mittels des vergleichsweise präzise messenden einachsig sensitiven Kalibriersensors kalibriert werden können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Richtungsvektor mittels des mindestens einen Kalibriersensors ermittelt wird. Da der Kalibriersensor ohnehin mit der Kraft beaufschlagt wird entfällt die Notwendigkeit, weitere Messgeräte bzw. Kalibriergeräte heranzuziehen, da der Kalibriersensor neben dem Betrag der Kraft auch den Richtungsvektor der Kraft bestimmt. Somit reduziert sich der Geräteaufwand zur Durchführung des Verfahrens.
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Bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass der Kalibriersensor über Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors verfügt, wobei die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors insbesondere mindestens zwei Laser und vorteilhaft zusätzlich eine Referenzebene umfassen. Z.B. können die mindestens zwei Laser zur Erfassung einer Entfernung jeweils eines Punktes auf der Oberfläche der Referenzebene ausgebildet sein. Ebenso ist es aber auch möglich und bevorzugt, dass die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors z.B. als mechanische Entfernungsmesser oder als ultraschallbasierende Entfernungsmesser ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist es ausschließlich von Bedeutung, dass die Entfernung zu mindestens zwei Punkten auf der Oberfläche der Referenzebene bestimmbar ist.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Laser eine bekannte und vom Richtungsvektor unbeeinflussbare Anordnung am Kalibriersensor aufweisen, z.B. können sie an einem Kopplungsmittel, beispielsweise einer Flanschverbindung, angeordnet sein, welche den Kalibriersensor mit dem Kraftsensor oder mit einem Kraftgeber koppelt. Die Referenzebene hingegen kann auf einer die Kraft führenden Schiene angeordnet sein. Die Schiene wiederum ist bevorzugt über jeweils ein sphärisches Gelenk mit jeweils einem der an ihren Endstücken angeordneten Kopplungselemente beweglich verbunden. Durch diese Anordnung der Schiene zwischen den Kopplungselementen richtet sich die Schiene selbsttätig stets entlang des Richtungsvektors der Kraft aus. Da die Referenzebene auf der Schiene angeordnet ist, insbesondere verschiebefest bzw. drehfest bzw. derart, dass das Lot auf die Ebene parallel zur Längsachse der Schiene ausgerichtet ist, wird die Referenzebene gemeinsam mit der Schiene stets entlang des Richtungsvektors der Kraft ausgerichtet. Da die Lage einer Ebene im dreidimensionalen Raum vollständig über drei Punkte ihrer Oberfläche definierbar ist, kann z.B. über die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors unter zusätzlichem Heranziehen des bekannten Punkts, an welchem die Referenzebene auf der Schiene angeordnet ist, die genaue Ausrichtung der Referenzebene in Relation zu den Mitteln zur Bestimmung des Richtungsvektors bestimmt werden.
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Sofern die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors beispielsweise drei oder mehr Laser umfassen, ist es nicht mehr notwendig, denjenigen Punkt, an welchem die Referenzebene auf der Schiene angeordnet ist, zusätzlich zur Bestimmung der Lage der Referenzebene im Raum heranzuziehen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors, insbesondere die mindestens zwei Laser, eine bekannte Beabstandung und eine bekannte Ausrichtung zueinander aufweisen. Über die bekannte Beabstandung bzw. die bekannte Ausrichtung der mindestens zwei Laser zueinander kann eine Plausibilisierung der bestimmten Lage der Referenzebene erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Kalibriersensor kraftschlüssig und mit definierter Ausrichtung an den mindestens einen Kraftsensor gekoppelt wird. Dies ermöglicht eine weitgehend unverfälschte und präzise Bestimmung des Betrags der Kraft bzw. des Richtungsvektors der Kraft.
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Bevorzugt wird der mindestens eine Kalibriersensor derart an den mindestens einen Kraftsensor gekoppelt, dass eine Kraft, welche den Kalibriersensor beaufschlagt, in gleichem Maße den Kraftsensor beaufschlagt. Dies kann z.B. erfolgen, indem der mindestens eine Kalibriersensor und der mindestens eine Kraftsensor in Kraftflussrichtung hintereinander bzw. in Reihe angeordnet werden. Somit kann der Kraftsensor besonders präzise kalibriert werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kalibriersensor zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder von Drehmomentsensoren, wobei der Kalibriersensor einen Kraftfühler umfasst. Der erfindungsgemäße Kalibriersensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Kalibriersensor weiterhin Mittel zur Bestimmung eines Richtungsvektors einer den Kalibriersensor beaufschlagenden Kraft umfasst. Somit kann bei einer Kalibrierung von Kraftsensoren bzw. Drehmomentsensoren mittels des erfindungsgemäßen Kalibriersensors der Richtungsvektor der Kraft bei der Kalibrierung berücksichtigt werden. Dies führt zu den bereits beschriebenen Vorteilen.
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Da über den Kraftfühler der Betrag der Kraft erfasst werden kann und über die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors die Richtung der Kraft erfasst werden kann, kann auch die Kraft vollständig bestimmt werden.
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Der Kraftfühler ist bevorzugt als ein einachsig sensitiver Kraftfühler ausgebildet. Derartige Kraftfühler sind in ihrem Messverhalten vergleichsweise präziser als mehrachsig sensitive Kraftfühler.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors als mindestens zwei zur Abstandsmessung ausgebildete Laser und mindestens eine Referenzebene ausgeführt sind. Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Laser dabei zur Abstandsmessung von jeweils einem Punkt auf der Oberfläche der Referenzebene ausgebildet. Die Referenzebene ist dabei derart am Kalibriersensor angeordnet, dass sie sich selbsttätig stets entlang des Richtungsvektors der Kraft ausrichtet. Aus der Lage der Referenzebene im dreidimensionalen Raum kann nun der Richtungsvektor der Kraft bestimmt werden.
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Da die Lage einer Ebene im dreidimensionalen Raum vollständig über drei Punkte ihrer Oberfläche definierbar ist, kann z.B. über die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors unter zusätzlichem Heranziehen des bekannten Punkts, an welchem die Referenzebene am Kalibriersensor angeordnet ist, die genaue Ausrichtung der Referenzebene in Relation zu den Mitteln zur Bestimmung des Richtungsvektors bestimmt werden.
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Sofern die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors beispielsweise drei oder mehr Laser umfassen, was ebenfalls bevorzugt ist, ist es nicht mehr notwendig, denjenigen Punkt, an welchem die Referenzebene am Kalibriersensor angeordnet ist, zusätzlich zur Bestimmung der Lage der Referenzebene im Raum heranzuziehen.
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Ebenso ist es aber auch möglich und bevorzugt, dass die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors z.B. als mechanische Abstandsmesser oder als ultraschallbasierende Abstandsmesser ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist es ausschließlich von Bedeutung, dass der Abstand zu mindestens zwei Punkten auf der Oberfläche der Referenzebene bestimmbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest der Kraftfühler und die Reflektorscheibe an einer die Kraft führenden Schiene angeordnet sind.
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Ebenfalls besonders bevorzugt ist der Kraftfühler derart an der Schiene angeordnet, dass es mit dem vollständigen Betrag der Kraft beaufschlagt wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Schiene in ihrer Längsrichtung von einer Unterbrechung unterbrochen wird und in der Unterbrechung der Kraftfühler angeordnet wird. Die die Unterbrechung begrenzenden Enden der Schiene werden dazu kraftschlüssig mit dem Kraftfühler verbunden. Somit wird der Kraftfühler mit demselben Betrag der Kraft beaufschlagt wie die Schiene. Weiterhin wird es so vorteilhaft ermöglicht, dass der Kraftfühler ebenfalls stets entlang des Richtungsvektors der Kraft ausgerichtet wird, wodurch er stets mit dem vollen Betrag der Kraft beaufschlagt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kalibriersensor weiterhin zwei sphärische Gelenke umfasst, wobei die Gelenke an entgegengesetzte Enden der Schiene angeordnet sind. Die sphärischen Gelenke ermöglichen dabei eine in einem bestimmten Raumwinkelbereich freie Auslenkbarkeit des Kalibriersensors bzw. der Schiene zwischen den sphärischen Gelenken. Dies begünstigt eine stetige und selbsttätige Ausrichtung des Kalibriersensors bzw. der Schiene zwischen den sphärischen Gelenken in die Richtung der Kraft.
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Bei den sphärischen Gelenken handelt es sich bevorzugt um sog. hydrostatische Lager, da diese im Wesentlichen keine Reibung erzeugen, sofern keine Bewegung stattfindet. Dies trägt dazu bei, Kraftmessvorgänge des erfindungsgemäßen Kalibriersensors vergleichsweise präzise zu gestalten, da keine Anteile des Betrags der Kraft durch Reibungseffekte verloren gehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Gelenke an ihrer jeweils der Schiene abgewandten Seite Kopplungsmittel aufweisen, wobei die Kopplungsmittel zur Aufnahme und Weitergabe der Kraft ausgebildet sind. Durch diese Anordnung der Schiene zwischen den Kopplungselementen und den sphärischen Gelenken richtet sich die Schiene selbsttätig stets entlang des Richtungsvektors der Kraft aus. Da die Referenzebene auf der Schiene angeordnet ist, insbesondere verschiebefest bzw. drehfest bzw. derart, dass das Lot auf die Ebene parallel zur Längsrichtung der Schiene ausgerichtet ist, wird die Referenzebene gemeinsam mit der Schiene stets entlang des Richtungsvektors der Kraft ausgerichtet. Zudem wird es vorteilhaft ermöglicht, den erfindungsgemäßen Kalibriersensor auf einfache Weise kraftschlüssig bzw. formschlüssig zwischen dem zu kalibrierenden Kraftsensor und einem Kraftgeber anzuordnen, so dass der zu kalibrierende Kraftsensor und der Kalibriersensor mit demselben Betrag der Kraft und mit derselben Richtung der Kraft beaufschlagt werden.
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Bevorzugt sind die Kopplungsmittel als Flanschverbindung oder als Steckverbindung oder als Schraubverbindung ausgebildet, wobei die Kopplungsmittel unabhängig von ihrer spezifischen Ausbildungsform funktional stets derart ausgebildet sind, dass sie eine kraftschlüssige bzw. formschlüssige Kopplung ermöglichen.
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Ebenso bevorzugt sind die Kopplungsmittel beweglich an den sphärischen Gelenken angeordnet, so dass sie sich möglichst bündig an eine Oberfläche des zu kalibrierenden Kraftsensors bzw. an eine Oberfläche des Kraftgebers anlegen können. Dies begünstigt eine verlustfreie Übertragung der Kraft vom Kraftgeber über den Kalibriersensor auf den Kraftsensor. Indem sich die Kopplungselemente an die Oberfläche des zu kalibrierenden Kraftsensors bzw. an die Oberfläche des Kraftgebers anlegen, übernehmen sie also die Ausrichtung der jeweiligen Oberfläche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Laser eine konstante Ausrichtung relativ zu einem der Kopplungsmittel haben. Dies ermöglicht es, eine durch eine relative Änderung der Lage der Referenzebene zu den mindestens zwei Lasern bzw. zu einem der Kopplungsmittel verursachte Abstandsänderung der mindestens zwei Punkt auf der Oberfläche der Referenzebene zu bestimmen und daraus die Lage der Referenzebene im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Dies wiederum ermöglicht es, den Richtungsvektor der Kraft zu bestimmen.
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Es ist dabei unerheblich, ob die Ausrichtung der Laser zu dem Kopplungsmittel, welches mit dem zu kalibrierenden Kraftsensor gekoppelt ist, konstant ist, oder zu dem Kopplungsmittel, welches mit dem Kraftgeber gekoppelt ist, konstant ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors, insbesondere die mindestens zwei Laser, eine bekannte Beabstandung und eine bekannte Ausrichtung zueinander aufweisen. Über die bekannte Beabstandung bzw. die bekannte Ausrichtung der mindestens zwei Laser zueinander kann eine Plausibilisierung der bestimmten Lage der Referenzebene erfolgen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Kalibriersensors zur Kalibrierung eines an sich bekannten Fahrzeugprüfstands. Ein Fahrzeugprüfstand umfasst dabei üblicherweise eine Vielzahl von Kraftsensoren und Drehmomentsensoren.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Fahrzeugprüfstand um einen Fahrzeuggetriebeprüfstand, welcher ein Fahrzeug bzw. ein Fahrzeuggetriebe prüft, indem die Abtriebswellen des Fahrzeugs mit dem Fahrzeugprüfstand bzw. Fahrzeuggetriebeprüfstand gekoppelt werden und mittels eines Antriebsaggregats, welches auf eine Antriebswelle des Fahrzeuggetriebes wirkt, unterschiedlichen Belastungstests erfolgen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kalibriersensors,
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2 eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder Drehmomentsensoren in Form eines Flussdiagramms und
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3 eine schematische Darstellung einer Kraft in Form von Vektoren.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt eine beispielhafte und schematische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kalibriersensors 1. Der Kalibriersensors 1 umfasste beispielsgemäß einen einachsig kraftsensitiven Kraftfühler 2, eine Referenzebene 3, sphärische Gelenke 4, 4‘, Kopplungsmittel 5, 5‘, Laser 6, 6‘ sowie eine Schiene 7. Die Referenzebene 3 sowie die Laser 6, 6‘ stellen dabei die Mittel zur Bestimmung des Richtungsvektors einer den Kalibriersensor 1 beaufschlagenden Kraft dar. Wie zu sehen ist, sind die Referenzebene 3 und der Kraftfühler 2 auf der Schiene 7 angeordnet. Die Anordnung der Referenzebene 3 auf der Schiene 7 ist verschiebefest, drehfest und derart, dass das Lot auf die Referenzebene parallel zur Längsachse der Schiene ausgerichtet ist. Die Anordnung des Kraftfühlers 2 auf der Schiene 7 ist dabei derart, dass der Kraftfühler 2 in eine Unterbrechung der Schiene 7 eingefügt ist. Dies führt dazu, dass eine Kraft, welche über die Schiene 7 geleitet wird, zwangsläufig auch über den Kraftfühler 2 geleitet wird. Somit kann der Kraftfühler 2 also eine über die Schiene 7 geleitete Kraft erfassen. Die Schiene 7 endet beidseitig in den sphärischen Gelenken 4, 4‘, welche beispielsgemäß als hydrostatische Lager ausgebildet sind, wobei als Hydrostat ein Öl verwendet wird. Die sphärischen Gelenken 4, 4‘ bieten der Schiene 7 dabei Auslenkmöglichkeiten in einem bestimmten Raumwinkelbereich. An den der Schiene 7 abgewandten Enden der Gelenke 4, 4‘ sind die Gelenke 4, 4‘ mit den Kopplungselementen 5, 5‘ verbunden, wobei es sich beispielsgemäß um eine starre und unbewegliche mechanische Verbindung handelt, die sphärischen Gelenken 4, 4‘ bieten den Kopplungselementen also keine Auslenkmöglichkeiten. Bei den Kopplungselementen 5, 5‘ handelt es sich um Flansche, welche mit entsprechenden Gegenflanschen kraftschlüssig und formschlüssig gekoppelt werden können. Die Laser 6, 6‘ sind in einem definierten und bekannten Abstand zueinander und mit einer definierten und bekannten Ausrichtung zueinander auf den sphärischen Gelenken 4, 4‘ angeordnet. Da die sphärischen Gelenke 4, 4‘ starr mit den Kopplungselementen 5, 5‘ verbunden sind, sind auch die Laser 6, 6‘ starr mit den Kopplungselementen 5, 5‘ verbunden. Der Laser 6 misst dabei eine Entfernung zu einem Punkt 8 auf der Oberfläche der Referenzebene 3 und der Laser 6‘ misst eine Entfernung zu einem Punkt 8‘ auf der Oberfläche der Referenzebene 3. Um einen nicht dargestellten dreiachsig sensitiven Kraftsensor zu kalibrieren, wird beispielsgemäß das Kopplungselement 5 kraftschlüssig und formschlüssig an den zu kalibrierenden Kraftsensor gekoppelt. Das Kopplungselement 5‘ wird kraftschlüssig und formschlüssig an einen nicht dargestellten Kraftgeber gekoppelt. Beispielsgemäß handelt es sich bei dem Kraftgeber um einen hydraulisch betätigten Zylinder. Bei einer Beaufschlagung des Kalibriersensors 1 mit einer Kraft wird die Kraft an den zu kalibrierenden Kraftsensor weitergeleitet, so dass der Kalibriersensor 1 und der zu kalibrierenden Kraftsensor mit derselben Kraft beaufschlagt sind. Mit zunehmender Beaufschlagung mit der Kraft kommt es in der Praxis unvermeidlich zu einer Änderung des Richtungsvektors der Kraft und somit zu einem Entstehen von Anteilen des Betrags der Kraft entlang weiterer Achsen des Kraftsensors. Dieser Effekt wird Übersprechen genannt. Der beispielhaft dargestellte Kalibriersensor 1 richtet sich aufgrund seines Aufbaus bei einer Änderung des Richtungsvektors der Kraft selbsttätig derart aus, dass der Richtungsvektor der Kraft und die Längsachse der Schiene 7 parallel sind. Diese selbsttätige Änderung der Ausrichtung der Schiene 7 wiederum bewirkt eine Änderung der Ausrichtung der Referenzebene 3 und des Kraftfühlers 2. Der Kraftfühler 2 wird somit weiterhin mit dem vollen Betrag der Kraft beaufschlagt, d.h., es gibt trotz der Änderung des Richtungsvektors keine Anteile des Betrags der Kraft, die nicht vom Kraftfühler 2 erfasst werden. Gleichzeitig ändert sich der Abstand der Punkte 8, 8‘ auf einer Oberfläche der Referenzebene 3 zu den Lasern 6, 6‘. Aus dieser Änderung des Abstands des Punktes 8 zum Laser 6 bzw. des Punktes 8‘ zum Laser 6‘ sowie aus dem bekannten Punkt der Anordnung der Referenzebene 3 auf der Schiene 7 kann nun die Lage der Referenzebene 3 im dreidimensionalen Raum errechnet werden. Aus der errechneten Lage der Referenzebene 3 im dreidimensionalen Raum wiederum kann das Lot auf die Referenzebene 3 bestimmt werden. Da das Lot durch die beispielsgemäße Anordnung der Referenzebene 3 auf der Schiene 7 parallel zum Richtungsvektor der Kraft ist, ist somit auch der Richtungsvektor der Kraft bekannt und kann beim Kalibrieren des dreiachsig kraftsensitiven Kraftsensors berücksichtigt werden.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kalibrieren von Kraftsensoren und/oder Drehmomentsensoren in Form eines Flussdiagramms. Beispielsgemäß wird zwar nur ein Kraftsensor kalibriert, nichtsdestotrotz kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aber auch ein Drehmomentsensor kalibriert werden. In Verfahrensschritt 10 werden zunächst ein zu kalibrierender Kraftsensor sowie ein erfindungsgemäßer Kalibriersensor mit einer Kraft beaufschlagt. In Schritt 11 werden kontinuierlich Messdaten des Kraftsensors erfasst und in Schritt 15 werden kontinuierlich Messdaten des Kalibriersensors erfasst. Im Verfahrensschritt 12 wird die Beaufschlagung mit der Kraft zunehmend erhöht, so dass es in Schritt 13 bei dem zu kalibrierenden Kraftsensor zu einem Übersprechen auf die zwei bisher unbelasteten kraftsensitiven Achsen kommt. Gleichzeitig richtet sich der Kalibriersensor in Schritt 14 entlang des geänderten Richtungsvektors der Kraft aus und bestimmt den geänderten Richtungsvektor der Kraft. In Schritt 16 werden die Messdaten des Kraftsensors und des Kalibriersensors kontinuierlich einem Vergleich unterworfen. Im folgenden Schritt 17 erfolgt nun eine Kalibrierung des Kraftsensors unter Berücksichtigung des geänderten Richtungsvektors. Die Kalibrierung erfolgt dabei für den gesamten Bereich der beaufschlagten Kraft mittels Korrekturfaktoren für jeden erfassten Betrag der Kraft, also ausgehend von der geringsten beaufschlagten Kraft bis hin zur größten beaufschlagten Kraft.
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3 zeigt eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Kraft in Form von Vektoren 20, 21, 22 und 23 in einem kartesischen Koordinatensystem. Die Achsen des Koordinatensystems entsprechen dabei beispielsgemäß den kraftsensitiven Achsen eines dreiachsig kraftsensitiven Kraftsensors. Der Richtungsvektor 20 stellt diejenige Kraft dar, mit welcher der zu kalibrierende Kraftsensor beaufschlagt wird. Der Richtungsvektor 20 zeigt dabei sowohl die Richtung der Kraft als durch seine Länge auch den Betrag der Kraft an. Da der Betrag der vom Richtungsvektor 20 dargestellten Kraft Anteile in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung aufweist, kann der Richtungsvektor 20 in die drei Vektoren 21, 22 und 23 zerlegt werden, welche jeweils den Betrag der Kraft entlang einer der drei Raumrichtungen anzeigen. Die Summe der Vektoren 21, 22 und 23 ergibt den Richtungsvektor 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kalibriersensor
- 2
- Kraftfühler
- 3
- Referenzebene
- 4, 4‘
- sphärisches Gelenk
- 5, 5‘
- Kopplungsmittel
- 6, 6‘
- Laser
- 7
- Schiene
- 8, 8‘
- Punkt auf der Referenzebene
- 10
- Beaufschlagung des Kraftsensors und des Kalibriersensors mit einer Kraft
- 11
- Erfassen der Messdaten des Kraftsensors
- 12
- Erhöhung der Beaufschlagung mit der Kraft
- 13
- Übersprechen
- 14
- Bestimmung des Richtungsvektors
- 15
- Erfassen der Messdaten des Kalibriersensors
- 16
- Vergleich der Messdaten
- 17
- Kalibrieren des Kraftsensors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10055943 A1 [0003]
- DE 202009035410 A1 [0004]
