DE102016215071A1

DE102016215071A1 - Kraftsensor, insbesondere geeignet für eine elektrohydraulische Hubwerksregelung eines Ackerschleppers

Info

Publication number: DE102016215071A1
Application number: DE102016215071.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Klein; Peter Thierbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15
Also published as: US20180067001A1; US11073432B2; CN107727279A; CN107727279B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kraftsensor, der insbesondere für eine elektrohydraulische Hubwerksregelung eines Ackerschleppers geeignet ist. Dieser Kraftsensor hat einen äußeren zylindrischen Teil mit einer Bohrung und einen in der Bohrung einseitig befestigten Messstab. Ein mittlerer Abschnitt des zylindrischen Teils ist als Krafteinleitungsabschnitt vorgesehen. Zwei äußere, axial von der Mitte des Krafteinleitungsabschnitts gleich weit entfernte Abschnitte, sind als Widerlagerabschnitte vorgesehen. Der Messstab ist im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts eingespannt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor für den Einsatz in elektrohydraulischen Regelkreisen insbesondere in elektrohydraulischen Hubwerksregelungen. Solche Kraftsensoren werden auch als Kraftmessbolzen bezeichnet und basieren auf einem mechanischen Biegebalkenprinzip. Eine äußere zylindrische Hülse des Sensors wird zwischen zwei Lagerschalen eingespannt und die Einleitung einer zu messenden äußeren Kraft erfolgt an einem Krafteinleitungsabschnitt in der Mitte der zylindrischen Hülse. Die Verformung der zylindrischen Hülse folgt der Biegelinie gemäß der mechanischen Biegung eines doppelt gelagerten ebenen Balkens durch eine in der Mitte angreifende einzelne Kraft. Eingespannt in die zylindrische Hülse ist ein starrer Messstab. Ein in die zylindrische Hülse eingesetzter Sensor detektiert eine Lageveränderung des Messstabes in Bezug zu einer Ebene radial zur Längsachse der zylindrischen Hülse.
Aus dem Stand der Technik sind prinzipiell zwei Möglichkeiten der Einspannung des Messstabes in die zylindrische Hülse des Kraftmessbolzens bekannt. Zum einen durch einseitiges Einspannen, zum anderem durch beidseitiges Einspannen des starren Messstabes in die äußere zylindrische Hülse des Kraftmessbolzens.
Die DE 35 15 126 A1 zeigt einen an einem Ende in die äußere zylindrischen Hülse fest eingespannten starren Messstab und einem am anderen Ende eingesetzten Sensor, der eine Lageveränderung des Messstabes in Bezug zu einer Ebene radial zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses detektiert. Bei einem solchen, einseitig eingespannten, Messstab findet hauptsächlich das Messprinzip der Detektion der Position durch Luftspaltveränderung einer von Wechselstrom durchflossenen Messspule Anwendung. Durch die einseitige Einspannung ist der starre Messstab vibrationsanfällig.
Ein anderer gattungsgemäßer Kraftsensor ist beispielsweise aus der DE 102 42 250 A1 bekannt. Hier ist ein, sich in einem äußeren zylindrischen Gehäuse befindlicher, starrer Messstab beidseitig eingespannt. Bei einer beidseitigen Einspannung ist die Lageveränderung des starren Messstabes in Bezug auf das äußere zylindrische Gehäuse des Kraftmessbolzens geringer, als bei einer einseitigen Einspannung. Es finden hier sowohl das Messprinzip der Detektion der Position durch Luftspaltveränderung einer von Wechselstrom durchflossenen Messspule als auch der Detektion der Position durch einen Hallsensor Anwendung. Ein beidseitig eingespannter starrer Messstab ist weniger anfällig für Vibrationen. Das Ausgangssignal des Sensors ist ebenfalls nichtlinear, aber nicht so stark, wie bei einem einseitig eingespannten Messstab. Der Kraftmessbolzen weist weiterhin beidseitig, neben dem Bereich an dem eine äußere Kraft F angreift, eine rotationssymmetrische Verjüngung auf dem äußeren zylindrischen Gehäuse auf. In den Querschnitten der 1 und 3 der DE 102 42 250 A ist die Ausgestaltung der Verjüngung auf dem äußeren zylindrischen Gehäuse klar zu erkennen. Durch die Verjüngung bildet der Kraftmessbolzen ein kleineres Widerstandsmoment. Dadurch wird der Sensor empfindlicher. Die Krafteinleitung findet in einem festen, nicht oder wenig deformierbaren Bereich satt. Die Form der Verjüngung ist jedoch nicht optimal. Ein Kraftsensor muss entsprechend der Anforderungen dauerfest sein. Trotzdem soll ein möglichst hoher und reproduzierbarer Signalpegel erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kraftsensor gelöst, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist.
Vorgeschlagen wird ein Kraftsensor, der besonders für eine elektrohydraulische Hubwerksregelung eines Ackerschleppers geeignet ist. Dieser Kraftsensor hat einen äußeren zylindrischen Teil mit einer Bohrung und einen in der Bohrung einseitig befestigten starren Messstab. Ein mittlerer Abschnitt des zylindrischen Teils ist als Krafteinleitungsabschnitt vorgesehen. Zwei äußere, axial von der Mitte des Krafteinleitungsabschnitts gleich weit entfernte Abschnitte, sind als Widerlagerabschnitte vorgesehen. Der starre Messstab ist im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts eingespannt. Durch die nahezu mittige Einspannung des Messstabes im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts des äußeren zylindrischen Teils und der damit einhergehenden kürzeren Länge gegenüber einer stirnseitigen Einspannung des Messstabes in den äußeren zylindrischen Teil hat der Messstab eine erheblich höhere Resonanzfrequenz, die vorteilhafterweise zu weniger Signalstörungen im System führt, zum anderen wird die Dauerfestigkeit des Kraftsensors, insbesondere am Krafteinleitungsabschnitt erhöht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wenn sich ausgehend vom Krafteinleitungsabschnitt in axialer Richtung nach beiden Seiten hin ein konischer Abschnitt mit abnehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils und anschließend ein konusförmiger Übergang mit zunehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils hin zum Widerlagerabschnitt erstreckt und der konische Abschnitt mit abnehmender Materialstärke länger ist, als der konusförmige Übergang mit zunehmender Materialstärke, dann nehmen die Spannungen im Material nicht nach außen hin ab sondern bleiben auf der Erstreckung des konischen Abschnitts nahezu konstant. Dadurch wird der konische Abschnitt auf nahezu seiner gesamten Länge verformt. Die maximal auftretenden Spannungen erhöhen sich nicht. Bei gleicher Dauerfestigkeit bzw. Biegewechselfestigkeit wird eine stärkere Auslenkung des mittleren Krafteinleitungsabschnitts erreicht. Die Form der Außenkontur lässt sich durch Simulation der Spannungsverläufe nach der finiten Elemente Methode optimieren. Die Fertigung der Form der Außenkontur des zylindrischen Teils benötigt kein Spezialwerkzeug sondern kann durch NC-Maschinen einfach hergestellt werden.
Beträgt das Verhältnis der Länge des konischen Abschnitts mit abnehmender Materialstärke zur Länge des konusförmigen Übergangs mit zunehmender Materialstärke zumindest 4/1, insbesondere mindestens 6/1 oder 8/1 oder 10/1 dann kann das Maximum an Durchbiegung des äußeren zylindrischen Teils und damit ein Maximum des Messsignals des Sensors erreicht werden. Das Ausgangssignal des Sensors ist nahezu linear. Eine Änderung des Messbereichs oder veränderte Anforderungen an die Dauerfestigkeit lassen sich leicht durch Neudefinition der Außenkontur erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Veränderung der Materialstärke an zumindest einem der Übergänge zwischen Krafteinleitungsabschnitt, konischem Abschnitt, konusförmigen Übergang und Widerlagerabschnitt stetig verläuft, vorzugsweise in der Form einer Rundung. Dadurch wird sichergestellt, dass der Sensor weiterhin dieselben Festigkeitseigenschaften, insbesondere eine hohe Dauerfestigkeit hat und es wird insbesondere Materialrissen vorgebeugt.
Wenn der starre Messstab eine konusförmige Form aufweist und insbesondere mit mindestens zwei Ansatzflächen für ein Einschraubwerkzeug versehen ist, dann kann der Messstab mit einem vorgeschriebenem Anzugsdrehmoment leicht in den äußeren zylindrischen Teil eingeschraubt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem nicht eingespannten Ende des starren Messstabs ein Permanentmagnet befestigt und in den Aufnahmeabschnitt des zylindrischen Teils ist ein Hallsensor eingesetzt. So kann der Sensor die Lageänderung des Permanentmagneten in Bezug zu einer Ebene radial zur Längsachse des äußeren zylindrischen Teils sehr genau detektieren.
Wird eine Platine mit einer Auswerteelektronik für den Hallsensor in einen Aufnahmeabschnitt des äußeren zylindrischen Teils des Sensors eingesetzt, kann der Sensor sehr kompakt und somit platzsparend das Messsignal auswerten, auf eine standardisierte Analog- oder Digitalschnittstelle umsetzen und einer übergeordneten Steuerung als Istwert zur Verfügung stellen. In vorteilhafter Weise dient der besagte Aufnahmeabschnitt gleichzeitig dem Schutz der Platine vor äußerer Verschmutzung und Feuchtigkeit, z. B. gemäß den Schutzarten IP67 und IP67K.
Wenn die Auswerteelektronik auf der Platine das Sensorsignal in ein analoges Strom-/Spannungssignal umwandelt, welches einem Kraftistwertsignal entspricht oder in ein digitales Kraftistwertsignal umsetzt, kann der Sensor leicht in einen übergeordneten Regelkreis eingebunden werden.
Besonders vorteilhaft ist es wenn die Auswerteelektronik auf der Platine eine Feldbusanschaltung, insbesondere eine CAN-Bus-Anschaltung beinhaltet. So kann der Sensor einfach und schnell in eine übergeordnete digitale elektrohydraulische Hubwerksregelung eingebunden werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein Schnittbild einer Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftsensors.
Gemäß der Figur besteht ein Kraftsensor 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus einem zylindrischen Teil 10, welches eine axiale Bohrung 15 aufweist und aus einem Stück gefertigt ist. Das zylindrische Teil 10 hat in der Mitte einen Krafteinleitungsabschnitt 20 und von der Mitte beidseitig axial nach außen gehend einen konischen Abschnitt 35, einen konischen Übergang 40 und einen Widerlagerabschnitt 30. Der konische Abschnitt 35 ist ein Abschnitt mit axial nach außen abnehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils 10, der konusförmige Übergang 40 ist ein Abschnitt mit axial nach außen zunehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils 10. Die Messkraft greift am Krafteinleitungsabschnitt 20 in der Mitte des zylindrischen Teils 10 an und wird nach außen über die zwei Widerlagerabschnitte 25, 30 auf zwei (nicht dargestellte) Lagerschalen verteilt. Die Änderung der Materialstärke an den Grenzen zwischen Krafteinleitungsabschnitt 20, konischem Abschnitt 35, konusförmigen Übergang 40 und Widerlagerabschnitt 25, 30 erfolgt in Form einer Rundung. Damit wird insbesondere durch Kraftwechselbeanspruchungen hervorgerufenen Materialrissen vorgebeugt. Zwei äußere, axial von der Mitte des Krafteinleitungsabschnitts 20 gleich weit entfernte Abschnitte, sind als Widerlagerabschnitte 25, 30 ausgebildet. Der konische Abschnitt 35 mit abnehmender Materialstärke ist länger als der konusförmige Übergang 40 mit zunehmender Materialstärke. Damit nehmen die Spannungen im Material nicht nach außen hin ab sondern bleiben auf der Erstreckung des konischen Abschnitts 35 nahezu konstant. Durch den konischen Abschnitt 35 mit abnehmender Materialstärke wird der konische Abschnitt 35 auf nahezu seiner gesamten Länge maximal zulässig verformt. Die maximal auftretenden Spannungen erhöhen sich nicht. Bei gleicher Dauerfestigkeit wird eine stärkere Auslenkung des mittleren Krafteinleitungsabschnitts 20 erreicht. Im Gegensatz dazu würde eine am Krafteinleitungsabschnitt angreifende Messkraft, bei einem zylindrischen anstelle eines konischen Abschnitts aufgrund der hohen Steifigkeit des zylindrischen Abschnitts hauptsächlich im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts eine Verformung bewirken. Die größte Belastung des Materials tritt dabei am Krafteinleitungsabschnitt auf und nimmt nach außen hin ab. Beim erfindungsgemäßen Kraftsensor 5 mit einem konischen Abschnitt 35 mit abnehmender Materialstärke jedoch wird über nahezu den gesamten konischen Abschnitt 35 eine Verformung erzielt. Die Aufsummation der Verformung über die Länge des konischen Abschnitts 35 sorgt für eine höhere Auslenkung des Krafteinleitungsabschnitts 20. Diese Auslenkung kann nahezu linear mit der eingeleiteten Kraft sein. Die maximal auftretende Spannung erhöht sich nicht. Die Herstellung der Außenkontur des zylindrischen Teils 10 benötigt kein Spezialwerkzeug sondern kann durch NC-Maschinen einfach hergestellt werden. Der fertigungstechnische Aufwand ist gering und erlaubt damit eine kostengünstige Fertigung. Die Form der Außenkontur lässt sich durch Simulation der Spannungsverläufe nach der finiten Elemente Methode optimieren. Im Inneren des zylindrischen Teils ist ein starrer Messstab 50 mittig eingespannt. Der Messstab 50 hat eine Konusform und weist zwei Ansatzflächen 55 für ein Einschraubwerkzeug auf. Damit ist der Messstab 50 mit einem vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment in den äußeren zylindrischen Teil 10 im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts 20 eingeschraubt. Durch die mittige Befestigung des Messstabes 50 in dem äußeren zylindrischen Teil 10 ist der Messstab 50 zum einen aufgrund seiner höheren Resonanzfrequenz weniger anfällig gegenüber Vibrationen, zum anderen wird die Dauerfestigkeit des Kraftsensors, insbesondere am Krafteinleitungsabschnitt 20 erhöht. Am nicht eingespannten Ende des Messstabs 50 ist ein Permanentmagnet 60 befestigt ist. Ein Hallsensor 65 ist in den Aufnahmeabschnitt 45 des zylindrischen Teils 10 eingesetzt und detektiert die Lageänderung des Permanentmagneten 60 in Bezug zu einer Ebene radial zur Längsachse des äußeren zylindrischen Teils 10. Durch die Einwirkung einer äußeren Kraft am Krafteinleitungsabschnitt 20 biegt sich der zylindrische Teil 10 des Sensors 5 so durch, dass der Permanentmagnet 60 eine Bewegung macht, die von dem darüber liegenden Hallsensor 65 detektiert wird. Die Bewegung liegt im Bereich von wenigen 0,1 mm. Eine Platine 70 mit einer Auswerteelektronik für den Hallsensor 65 ist in einen Aufnahmeabschnitt 45 des äußeren zylindrischen Teils 10 des Sensors 5 eingesetzt und setzt das Messsignal auf eine Standard-Analog- oder Digitalschnittstelle um. Das Messsignal wird damit einer übergeordneten Steuerung zu Verfügung gestellt oder kann leicht als Kraftistwert in einen Regelkreis eingebunden werden. Der Aufnahmeabschnitt 45 dient gleichzeitig dem Schutz der Platine 70 vor äußerer Verschmutzung und Feuchtigkeit, z. B. gemäß den Schutzarten IP67 und IP67K. Die Auswerteelektronik auf der Platine 70 kann auch eine Feldbusanschaltung, insbesondere eine CAN-Bus-Anschaltung beinhalten. Damit kann der Sensor in eine übergeordnete digitale elektrohydraulische Hubwerksregelung eingebunden werden.
Bezugszeichenliste

5: Kraftsensor
10: Zylindrisches Teil
15: Bohrung
20: Krafteinleitungsabschnitt
25: Widerlagerabschnitt
30: Widerlagerabschnitt
35: Konischer Abschnitt
40: Konusförmiger Übergang
45: Aufnahmeabschnitt
50: Messstab
55: Ansatzfläche für Einschraubwerkzeug
60: Permanentmagnet
65: Hallsensor
70: Platine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3515126 A1 [0003]
DE 10242250 A1 [0004]
DE 10242250 A [0004]

Claims

Kraftsensor, insbesondere geeignet für eine elektrohydraulische Hubwerksregelung eines Ackerschleppers, umfassend einen äußeren zylindrischen Teil (10) mit einer Bohrung (15) und einen in der Bohrung (15) einseitig befestigten Messstab (50) wobei ein mittlerer Abschnitt des zylindrischen Teils (10) als ein Krafteinleitungsabschnitt (20) vorgesehen ist und zwei äußere, axial von der Mitte des Krafteinleitungsabschnitts (20) gleich weit entfernte Abschnitte, als Widerlagerabschnitte (25, 30) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab (50) im Bereich des Krafteinleitungsabschnitts (20) eingespannt ist.
Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ausgehend vom Krafteinleitungsabschnitt (20) in axialer Richtung nach beiden Seiten ein konischer Abschnitt (35) mit abnehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils (10) und anschließend ein konusförmiger Übergang (40) mit zunehmender Materialstärke der Wandung des zylindrischen Teils (10) hin zum Widerlagerabschnitt (30) erstreckt und wobei der konische Abschnitt (35) mit abnehmender Materialstärke länger ist, als der konusförmige Übergang (40) mit zunehmender Materialstärke.
Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge des konischen Abschnitts (35) mit abnehmender Materialstärke zur Länge des konusförmigen Übergangs (40) mit zunehmender Materialstärke zumindest 4/1, insbesondere mindestens 6/1 oder 8/1 oder 10/1 beträgt.
Kraftsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Materialstärke an zumindest einem der Übergänge zwischen Krafteinleitungsabschnitt (20), konischem Abschnitt (35), konusförmigen Übergang (40) und Widerlagerabschnitt (30) stetig verläuft, vorzugsweise in der Form einer Rundung.
Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab eine konusförmige Form aufweist und insbesondere mit mindestens zwei Ansatzflächen für ein Einschraubwerkzeug versehen ist.
Kraftsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem nicht eingespannten Ende des Messstabs (50) ein Permanentmagnet (60) befestigt und ein Hallsensor (65) zur Detektion der Lageänderung des Permanentmagneten (60) in Bezug zu einer Ebene radial zur Längsachse des äußeren zylindrischen Teils (10) in einen Aufnahmeabschnitt (45) des besagten zylindrischen Teils (10) eingesetzt ist.
Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platine (70) mit einer Auswerteelektronik für den Hallsensor (65) in den Aufnahmeabschnitt (45) des äußeren zylindrischen Teils (15) des Sensors aufgenommen ist.
Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik auf der Platine (70) das Sensorsignal in ein analoges Strom- oder Spannungssignal umwandelt, welches einem Kraftistwertsignal entspricht.
Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik auf der Platine (70) das Sensorsignal in ein digitales Kraftistwertsignal umsetzt.
Kraftsensor nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik auf der Platine (70) eine Feldbusanschaltung, insbesondere eine CAN-Bus-Anschaltung beinhaltet, so dass der Sensor damit in eine übergeordnete digitale elektrohydraulische Hubwerksregelung eingebunden werden kann.