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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messzapfen, welcher insbesondere zur Bestimmung der Radlasten von Fahrzeugen, Landmaschinen und Anhängern eingesetzt werden kann. Der Einsatz des Messzapfens in anderen Anwendungen, beispielsweise bei Spannrollen, ist ebenfalls möglich. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Radlageranordnung mit einem derartigen Messzapfen.
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Die
DE 101 05 298 C1 zeigt eine Radlagereinheit zum Messen der zwischen Reifen und Straße bei einem Fahrzeug wirkenden Kräfte. Am stehenden Lagerring oder dessen Gehäuse sind Sensoren angeordnet, um die Kräfte zwischen drehendem und stehendem Ring des Radlagers zu erfassen. Mindestens ein weiterer Sensor ist zwischen stehendem Lagerring und einem Bremssattel angeordnet, welcher die beim Bremsvorgang auf den Bremssattel wirkenden Kräfte misst.
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Problematisch an der bekannten Radlastmessung mittels in das Radlager integrierter Sensorik ist, dass sich bei einer Radlaständerung bei stehendem Rad die Wälzkörper nicht in dem durch diese Last typischerweise eingeprägten Betriebsdruckwinkel bewegen. Hierdurch entstehen an den innerhalb des Radlagers befindlichen Messorten bei stehendem Rad andere Dehnungen als bei drehendem Rad. Eine Radlaständerung bei stehendem Fahrzeug kann demzufolge mit der im Radlager befindlichen Sensorik nicht präzise ermittelt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zur Lastmessung an drehbaren Bauteilen zur Verfügung zu stellen, die auch bei stehendem Bauteil eine präzise Lastmessung ermöglicht. Die Vorrichtung soll bei unterschiedlichsten Bauteilen, welche sich sowohl in ihrer Formgebung als auch in ihrer Dimensionierung unterscheiden, einsetzbar sein. Weiterhin soll eine Radlageranordnung mit einer derartigen Vorrichtung zur Lastmessung zur Verfügung gestellt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Messzapfen gemäß Anspruch 1 sowie eine Radlageranordnung gemäß Anspruch 13.
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Der erfindungsgemäße Messzapfen weist zunächst einen ersten Befestigungsabschnitt zur Befestigung eines drehbaren Bauteils auf. Der erste Befestigungsabschnitt erstreckt sich von einem ersten Ende des Messzapfens in Längsrichtung des Messzapfens. Das drehbare Bauteil ist beispielsweise ein Radlager, welches an den Messzapfen vorzugsweise aufgepresst oder angeflanscht ist. An den ersten Befestigungsabschnitt schließt sich in Längsrichtung des Messzapfens ein Messabschnitt an, welcher sich ebenfalls in Längsrichtung des Messzapfens erstreckt. Im Messabschnitt ist eine Messvorrichtung zum Messen mindestens einer senkrecht zum Messabschnitt wirkenden Kraft angeordnet. Diese Kraft bzw. diese Kräfte wirken somit senkrecht zur Längsrichtung auf den Messzapfen. Dem Messabschnitt schließt sich in Längsrichtung des Messzapfens ein zweiter Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Messzapfens an einer Anschlusskonstruktion an. Der zweite Befestigungsabschnitt erstreckt sich ebenfalls in Längsrichtung des Messzapfens bis zu einem zweiten Ende des Messzapfens. Die Anschlusskonstruktion kann zum Beispiel ein Fahrwerk sein. Der Messzapfen weist im zweiten Befestigungsabschnitt vorzugsweise ein Innen- oder Außengewinde zur Befestigung des Messzapfens an der Anschlusskonstruktion auf.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Messzapfens besteht darin, dass mit dem Messabschnitt ein Bereich des Messzapfens zur Verfügung steht, in dem die mechanische Beanspruchung nur Von den senkrecht zum Messabschnitt wirkenden Kräften abhängig ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Messabschnitt frei von Montageeinflüssen ist. Im Messabschnitt wird keine Kraft von sich bewegenden Bauteilen übertragen, da im Messabschnitt keine Bauteile befestigt sind. Beim Anwendungsbeispiel Radlager wird beispielsweise durch die Wälzkörper keine Kraft im Messabschnitt übertragen. Somit können die Radlasten unabhängig von der Drehzahl des Rades bestimmen. Hierdurch lassen sich auch im Stillstand präzise Messungen durchführen. Der Messzapfen kann als standardisierbares Bauteil vielfältig eingesetzt werden und somit für unterschiedlichste Anwendungen Verwendung finden. Er eignet sich unter anderem für unterschiedlichste Radlager-Bauarten. Durch seine Standardisierbarkeit steht eine preiswerte Lösung zur Verfügung, die aufwandsarm in eine entsprechende Anordnung einbaubar ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet als Messvorrichtung zumindest einen im Messabschnitt am Messzapfen befestigten Dehnungsmessstreifen. Der Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise am Messabschnitt aufgeklebt sein. Mittels Dehnungsmessstreifen werden die durch die auftretenden Kräfte verursachten Dehnungen erfasst. Der Dehnungsmessstreifen ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in den ersten Befestigungsabschnitt und nicht bis in den zweiten Befestigungsabschnitt.
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Um die bei geklebten Dehnungsmesstreifen auftretende Sensordrift durch Kriechen zu verhindern, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, einen Dehnungssensor in Form einer im Messabschnitt befindlichen mehrschichtigen Beschichtung auszubilden. Die mehrschichtige Beschichtung ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in den ersten Befestigungsabschnitt und nicht bis in den zweiten Befestigungsabschnitt. In diesem Zusammenhang wird auf die sogenannte Sensotect-Beschichtung der Anmelderin verwiesen. Zur Realisierung der Beschichtung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. So kann der Messzapfen unmittelbar selbst im Messabschnitt mit der mehrschichtigen Beschichtung versehen werden. Alternativ hat sich die Verwendung eines mit einer derartigen Beschichtung versehen Trägers, vorzugsweise aus einem anorganischen Material, als zweckmäßig erwiesen. Der den Messzapfen im Messabschnitt umgebende Träger ist mit dem Messzapfen im Messabschnitt stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden. Der Träger kann zum Beispiel mittels Schweißen, Klemmen, Schrauben oder Verklinken am Messzapfen befestigt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Messvorrichtung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt basieren, bei welchem die magnetische Permeabilität eines magnetisierbaren Materials unter Krafteinwirkung eine Vorzugsrichtung aufweist. Es besteht die Möglichkeit einer permanenten Magnetisierung oder einer externen Magnetisierung zur Betriebszeit der Messvorrichtung. Die Messvorrichtung umfasst hierbei einen Primärsensor in Form eines im Messabschnitt angeordneten magnetisch kodierten Abschnitts sowie einen Sekundärsensor zum Umwandeln der durch die zu messende Kraft bewirkten Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal. Der Sekundärsensor ist gegenüber dem magnetisch kodierten Abschnitt angeordnet, insbesondere in unmittelbarer Nähe zum magnetisch kodierten Abschnitt. Der magnetisch kodierte Abschnitt ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in den ersten Befestigungsabschnitt und nicht bis in den zweiten Befestigungsabschnitt. Für die Ausführung des magnetisch kodierten Abschnitts stehen zwei Varianten zur Verfügung. Die erste Variante verwendet für den Messzapfen ein geeignetes magnetisierbares Material. Die zweite Variante nutzt einen separaten Träger, welcher den Messzapfen im Messabschnitt umgibt und den magnetisch kodierten Abschnitt aufweist. Der Träger ist mit dem Messzapfen im Messabschnitt stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden. Er kann zum Beispiel mittels Schweißen, Klemmen, Schrauben oder Verklinken am Messzapfen befestigt sein. Der Sekundärsensor ist vorzugsweise als Magnetfeldsensor ausgebildet. Es können mehrere der Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen. Der Primärsensor wandelt die anliegenden Kräfte in ein magnetisches Signal um, welches auf der Oberfläche des Messabschnitts erfasst werden kann. Der Sekundärsensor ist in unmittelbarer Nähe des magnetisch kodierten Abschnitts angeordnet. Er setzt die Änderungen des magnetischen Feldes, welche durch Kräfte im Primärsensor verursacht werden, in ein elektrisches Signal um.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind der erste Befestigungsabschnitt, der Messabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt durch jeweils ein einzelnes Werkstück gebildet. Alternativ bevorzugt ist der erste Befestigungsabschnitt gemeinsam mit dem Messabschnitt durch ein einzelnes Werkstück gebildet, wobei der zweite Befestigungsabschnitt ebenfalls durch ein einzelnes Werkstück gebildet ist. Alternativ bevorzugt ist der zweite Befestigungsabschnitt gemeinsam mit dem Messabschnitt durch ein einzelnes Werkstück gebildet, wobei der erste Befestigungsabschnitt ebenfalls durch ein einzelnes Werkstück gebildet ist. Die zwei bzw. drei einzelnen Werkstücke können aus einem einzigen Halbzeug hergestellt sein; beispielsweise durch Abtrennen von einem stangenartigen Halbzeug. Die zwei bzw. drei Werkstücke sind miteinander verbunden, um den Messzapfen auszubilden. Die zwei bzw. drei Werkstücke sind bevorzugt fest miteinander verbunden. Die zwei bzw. drei Werkstücke sind bevorzugt stoffschlüssig miteinander verbunden; bevorzugt durch eine Löt- oder Schweißverbindung. Die zwei bzw. drei Werkstücke sind bevorzugt formschlüssig miteinander verbunden; bevorzugt durch eine Bajonettverbindung. Die Messvorrichtung ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsformen besteht darin, dass die magnetische Kodierung bzw. die mehrschichtige Beschichtung im Messabschnitt vor dem Verbinden der zwei bzw. drei Werkstücke geschaffen werden kann. Dies kann aufwandsärmer erfolgen als in einem Zustand, in welchem der erste Befestigungsabschnitt, der Messabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt bereits eine Einheit bilden. Insbesondere muss die magnetische Kodierung bzw. die mehrschichtige Beschichtung nicht bis in den ersten Befestigungsabschnitt oder bis in den zweiten Befestigungsabschnitt ausgeführt werden.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Messzapfen an einer Grenzfläche zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und dem Messabschnitt sowie an einer Grenzfläche zwischen dem Messabschnitt und dem zweiten Befestigungsabschnitt mit jeweils einem Anschlag auszustatten. Die Anschläge dienen jeweils als Begrenzung für das drehbare Bauteil bzw. für die Anschlusskonstruktion. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Messabschnitt frei von Anbauten gehalten werden kann.
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Die erfindungsgemäße Radlageranordnung umfasst als einen ersten Bestandteil den bereits beschriebenen Messzapfen. Weiterhin beinhaltet die Radlageranordnung ein am ersten Befestigungsabschnitt befestigtes Radlager sowie ein Fahrwerksteil, an welchem der zweite Befestigungsabschnitt befestigt ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messzapfens;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radlageranordnung in einer ersten Ausführungsform; und
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3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Radlageranordnung in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messzapfens 01. Der erfindungsgemäße Messzapfen 01 weist zunächst einen ersten Befestigungsabschnitt 02 auf. Der erste Befestigungsabschnitt 02 erstreckt sich von einem ersten axialen Ende des Messzapfens 01 in Längsrichtung des Messzapfens 01. In der gezeigten Ausführung beinhaltet der erste Befestigungsabschnitt 02 einen ersten und einen zweiten Teilbereich 03, 04. Der erste Teilbereich 03 erstreckt sich vom ersten Ende des Messzapfens 01 in Längsrichtung des Messzapfens 01. Er besitzt vorzugsweise ein Außengewinde zur Befestigung einer Mutter. Der sich an den ersten Teilbereich 03 anschließende zweite Teilbereich 04 ist als Lagersitz ausgebildet. Zur Begrenzung des ersten Befestigungsabschnitts 02 dient ein erster Anschlag 05.
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Der erste Anschlag 05 begrenzt gleichzeitig auch einen in axialer Richtung nachfolgenden Messabschnitt 07. Im Bereich des Messabschnitts 07 ist eine Messvorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet, welche zum Messen der senkrecht zum Messabschnitt 07 auf den Messzapfen 01 wirkenden Kräfte dient. Der Messabschnitt 07 erstreckt sich ebenfalls in Längsrichtung des Messzapfens 01. Die Messvorrichtung kann im einfachsten Fall mindestens einen im Bereich des Messabschnitts 07 am Messzapfen 01 befestigten Dehnungsmessstreifen (nicht dargestellt) umfassen. Der Dehnungsmessstreifen kann wie allgemein üblich auf den Messzapfen 01 mittels einer Klebeverbindung fixiert sein. Zur Vermeidung der bei geklebten Dehnungsmessstreifen zwangsläufig auftretenden Sensordrift durch Kriechen hat sich jedoch ein Dehnungssensor in Form einer im Messabschnitt 07 befindlichen mehrschichtigen Beschichtung (nicht dargestellt) als günstiger erwiesen. Hierbei kann zum einen der Messzapfen 01 im Bereich des Messabschnitts 07 mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Beschichtung auf einen Träger (nicht dargestellt), vorzugsweise aus einem anorganischen Material, anzubringen. Der Träger ist derart ausgebildet, dass er den Messzapfen 01 im Bereich des Messzapfens 01 umgibt. Zwischen dem Messzapfen 01 und dem Träger besteht eine stoff-, reib- oder formschlüssige Verbindung, welche beispielsweise durch Schweißen, Klemmen oder Verklinken des Trägers am Messzapfen 01 hergestellt wird. Eine alternative Ausführung verwendet eine auf dem invers magnetostriktiven Effekt basierende Messvorrichtung (nicht dargestellt). In diesem Fall umfasst die Messvorrichtung vorzugsweise einen Primärsensor in Form eines im Messabschnitt 07 angeordneten magnetisch kodierten Abschnitts sowie einen Sekundärsensor, welcher bevorzugt als Magnetfeldsensor ausgeführt ist. Der Sekundärsensor ist im Bereich des magnetisch kodierten Abschnitts angeordnet. Er setzt die Änderungen des magnetischen Feldes, welche durch Kräfte im Primärsensor verursacht werden, in ein elektrisches Signal um. Der magnetisch kodierte Abschnitt kann dadurch realisiert werden, dass für den Messzapfen 01 ein geeignetes magnetisierbares Material Verwendung findet. Ebenfalls denkbar ist ein separater Träger mit einem magnetisch kodierten Abschnitt. Der den Messzapfen 01 im Messabschnitt 07 umgebende Träger ist mit dem Messzapfen 01 stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise mittels Schweißen, Klemmen oder Verklingen erzeugt wird.
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Der Messabschnitt 07 wird weiterhin durch einen zweiten Anschlag 08 begrenzt. Der zweite Anschlag 08 dient auch als Begrenzung für einen sich an den Messabschnitt 07 anschließenden zweiten Befestigungsabschnitt 09. Der zweite Befestigungsabschnitt 09 erstreckt sich in Längsrichtung des Messzapfens 01 bis zu einem zweiten axialen Ende des Messzapfens 01. Mit dem zweiten Befestigungsabschnitt 09 erfolgt die Befestigung des Messzapfens 01 an einer Anschlusskonstruktion 14 (dargestellt in 2). Der zweite Befestigungsabschnitt 09 weist vorzugsweise ein Innen- oder Außengewinde (nicht dargestellt) auf, um den Messzapfen 01 an der Anschlusskonstruktion 14 zu fixieren. Die Anschlusskonstruktion 14 kann beispielsweise das Fahrwerk eines Fahrzeugs sein.
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Der Messzapfen 01 besitzt durch Montagekräfte beeinflusste Bereiche, und zwar den ersten und den zweiten Befestigungsabschnitt 02, 09. Der Messabschnitt 07 ist dagegen frei von Montagekrafteinflüssen, wodurch präzise Messungen in diesem Bereich möglich sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radlageranordnung 10 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die erfindungsgemäße Radlageranordnung 10 beinhaltet zunächst den in 1 gezeigten Messzapfen 01. Am ersten Befestigungsabschnitt 02 des Messzapfens 01 ist ein Radlager 12 angeordnet. Das Radlager 12 ist an dem als Lagersitz ausgeführten zweiten Teilbereich 04 des ersten Befestigungsabschnitt 02 befestigt. Es kann auf den Messzapfen 01 aufgepresst oder angeflanscht sein. Der erste Anschlag 05 begrenzt das Radlager 12 in Richtung des Messabschnittes 07. Das Radlager 12 ist mittels einer Zentralmutter 13 gesichert, welche mit einem entsprechenden Außengewinde des Messzapfens 01 in Eingriff steht. Der zweite Befestigungsabschnitt 09 des Messzapfens 01 ist an dem Fahrwerksteil 14 über eine Mutter 15 befestigt. Die Mutter 15 greift in ein entsprechendes Außengewinde des zweiten Befestigungsabschnitts 09 ein. Das Fahrwerksteil 14 wird durch den zweiten Anschlag 08 von dem Messabschnitt 07 abgegrenzt.
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Mittels der im Messabschnitt 07 angeordneten Messvorrichtung (nicht dargestellt) können die Radlasten präzise, sowohl im Fahrbetrieb als auch bei stehendem Fahrzeug erfasst werden. Somit lassen sich insbesondere auch Laständerungen bei stehendem Fahrzeug sicher erfassen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Radlageranordnung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt hier die Befestigung des Messzapfens 01 am Fahrwerksteil 14 über eine Schraube 17, welche in ein entsprechendes Innengewinde des Messzapfens 01 eingreift. Das Radlager 12 ist in einer alternativen Ausführungsform ausgebildet.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beziehen sich auf den Anwendungsfall Radlager. Es soll jedoch keine Einschränkung auf Radlager erfolgen. Andere Anwendungen, beispielsweise der Einsatz des Messzapfens bei Spannrollen, sind ebenfalls bevorzugt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Messzapfen
- 02
- erster Befestigungsabschnitt
- 03
- erster Teilbereich des ersten Befestigungsabschnitts
- 04
- zweiter Teilbereich des ersten Befestigungsabschnitts
- 05
- erster Anschlag
- 06
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- 07
- Messabschnitt
- 08
- zweiter Anschlag
- 09
- zweiter Befestigungsabschnitt
- 10
- Radlageranordnung
- 11
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- 12
- Radlager
- 13
- Zentralmutter
- 14
- Fahrwerksteil
- 15
- Mutter
- 16
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- 17
- Schraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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