DE102017211741A1 - force sensor - Google Patents

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force
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DE102017211741.9A
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Andreas Schirling
Georg Halasy-Wimmer
Peter Schack
Irina Kisser
Chen Zhang
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Continental Automotive Technologies GmbH
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Continental Teves AG and Co OHG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor (1) zur Verwendung in einem Fahrzeugbremssystem, aufweisend einen elastischen Verformungskörper (2) mit einem sensorischen Mittel (6) zum Erfassen einer auf den Verformungskörper (2) wirkenden Kraft, wobei der Verformungskörper (2) zu einer Längsachse des Verformungskörpers (2) senkrechte, gegenüberliegende Seiten mit Kraftaufnahmebereichen (5) aufweist, wobei die Kraftaufnahmebereiche (5) der gegenüberliegenden Seiten umfänglich zueinander versetzt sind sowie eine Verwendung und eine Anordnung eines solchen Kraftsensors (1).The invention relates to a force sensor (1) for use in a vehicle brake system, comprising an elastic deformation body (2) having a sensory means (6) for detecting a force acting on the deformation body (2), the deformation body (2) being directed to a longitudinal axis of the body Deformation body (2) has vertical, opposite sides with force receiving areas (5), wherein the force receiving areas (5) of the opposite sides are circumferentially offset from each other and a use and arrangement of such a force sensor (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor zur Verwendung in einem Fahrzeugbremssystem, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem vorteilhafte Verwendungen des Kraftsensors gemäß den Ansprüchen 11 und 12.The invention relates to a force sensor for use in a vehicle brake system, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to advantageous uses of the force sensor according to claims 11 and 12.

Das Projekt, das zu dieser Patentanmeldung führte, wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizont 2020“ im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 636592 gefördert.The project that led to this patent application was by the European Union research and innovation program "Horizon 2020" under Grant Agreement No 636592 promoted.

Die Regelgröße jedes elektronisch geregelten Fahrzeugbremssystems ist das Bremsmoment. Da das Bremsmoment bzw. die entsprechende Bremskraft sehr hoch und schwierig zu messen ist, wird dieses bzw. diese gewöhnlicherweise nicht gemessen sondern modelliert.The controlled variable of each electronically controlled vehicle braking system is the braking torque. Since the braking torque or the corresponding braking force is very high and difficult to measure, this or this is usually not measured but modeled.

Es sind Vorrichtungen mit Kraftsensor zur Kontrolle eines Installationsmoments an Schraubverbindungen bekannt, die ein Signal ausgeben sobald das gewünschte Installationsmoment über- bzw. unterschritten wird. Zwar lassen sich solche Vorrichtungen in der Regel bauraumsparend ausführen, für die hohen Anforderungen an Robustheit und Messgenauigkeit bei der Messung eines Bremsmoments in einem Fahrzeugbremssystem sind solche Vorrichtungen jedoch völlig ungeeignet. Andere Moment- bzw. Kraftsensoren sind dagegen meist nicht kompakt, genau oder robust genug.There are known devices with force sensor for controlling an installation torque on screw that output a signal as soon as the desired installation torque is exceeded or fallen below. Although such devices can generally be designed to save space, such devices are completely unsuitable for the high demands on robustness and measurement accuracy in the measurement of a braking torque in a vehicle brake system. Other torque or force sensors, however, are usually not compact, accurate or robust enough.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kraftsensor und/oder eine Kraftsensoranordnung anzugeben, der bzw. die kompakt, robust und/oder kostengünstig ist und eine präzise Messung erlaubt.It is therefore an object of the invention to provide a force sensor and / or a force sensor arrangement, which is or compact, robust and / or inexpensive and allows precise measurement.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is solved by the features of the independent claim. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Unter einer Längsachse des Verformungskörpers wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise eine virtuelle Achse verstanden, die den Verformungskörper mittig schneidet und parallel zur Kraftmessrichtung verläuft. Besonders bevorzugt ist der Verformungskörper zu der Längsachse achsensymmetrisch.For the purposes of the invention, a longitudinal axis of the deformation body is preferably understood to be a virtual axis which cuts the deformation body in the middle and runs parallel to the direction of force measurement. Particularly preferably, the deformation body is axisymmetric to the longitudinal axis.

Bevorzugt sind die Kraftaufnahmebereiche dazu ausgebildet bzw. so angeordnet, dass sie Auflagekräfte aufnehmen.Preferably, the force receiving areas are formed or arranged so that they receive bearing forces.

Unter auf zwei gegenüberliegenden Seiten umfänglich zueinander versetzten Kraftaufnahmebereichen wird im Sinne der Erfindung bevorzugt verstanden, dass Kraftaufnahmebereiche auf den gegenüberliegenden Seiten nicht gemeinsam auf einer zur Längsachse parallelen Linie angeordnet sind, sondern entlang jedes beliebigen Umfangs um die Längsachse zueinander versetzt angeordnet sind. Besonders bevorzugt wird der Begriff versetzter Kraftaufnahmebereiche im Sinne der Erfindung und in diesem Zusammenhang so verstanden, dass Kraftaufnahmebereiche auch dann zueinander versetzt sind, wenn sich diese überlappen, also nur die geometrischen Mittelpunkte der Kraftaufnahmebereiche zueinander versetzt sind.Under two mutually opposite sides circumferentially offset force receiving areas is preferably understood in the context of the invention that force receiving areas are not arranged on the opposite sides together on a line parallel to the longitudinal axis, but are arranged offset along any desired circumference about the longitudinal axis to each other. Particularly preferred is the term offset force receiving areas in the context of the invention and in this context understood that force receiving areas are offset from each other even if they overlap, so only the geometric centers of the force receiving areas are offset from one another.

Vorzugsweise handelt es sich bei den zwei gegenüberliegenden Seiten um Außengrundflächen, besonders bevorzugt die Grundflächen eines Zylinders oder mittig gelochten Zylinders, der die grundlegende Form des Verformungskörpers bildet.Preferably, the two opposite sides are outer base surfaces, more preferably the base surfaces of a cylinder or centrally perforated cylinder, which forms the basic shape of the deformation body.

Bevorzugt weist der Verformungskörper mehrere Kraftaufnahmebereiche pro Seite, besonders bevorzugt auf beiden Seiten gleich viele Kraftaufnahmebereiche, ganz besonders bevorzugt vier Kraftaufnahmebereiche, auf.Preferably, the deformation body has a plurality of force receiving areas per side, particularly preferably on both sides of the same number of force receiving areas, very particularly preferably four force receiving areas on.

Vorzugsweise sind die Kraftaufnahmebereiche auf den gegenüberliegenden Seiten so angeordnet, dass eine auf eine Seite des Verformungskörpers wirkende Kraft auf die andere Seite des Verformungskörpers als Scherkraft übertragen wird. Besonders bevorzugt ist das sensorische Mittel innerhalb des Verlaufs dieser Scherkraft angeordnet. Dazu können beispielsweise die Begrenzungen der Kraftaufnahmebereiche der gegenüberliegenden Seiten sowie das sensorische Mittel in einer Ebene bzw. Linie angeordnet sein.Preferably, the force receiving areas on the opposite sides are arranged so that a force acting on one side of the deformation body force is transmitted to the other side of the deformation body as a shearing force. Particularly preferably, the sensory agent is arranged within the course of this shear force. For this purpose, for example, the boundaries of the force receiving areas of the opposite sides and the sensory means may be arranged in a plane or line.

Es ist zweckmäßig, dass der Verformungskörper an einer Außenfläche wenigstens ein Dehnungsmesselement aufweist. Die an der Außenfläche auftretende Materialdehnung ist als Eingangsgröße zur Messung der Kraft besonders geeignet, da praktisch kaum Messverfälschungen auftreten. Sie lässt sich mit einem Dehnungsmesselement besonders kostengünstig und ohne Umwege erfassen.It is expedient that the deformation body has at least one strain gauge element on an outer surface. The material expansion occurring on the outer surface is particularly suitable as an input variable for measuring the force, since virtually no measurement distortions occur. It can be detected with a strain gauge particularly cost-effective and without detours.

Es ist bevorzugt, dass der Verformungskörper eine durchdringende runde Öffnung oder Mittelbohrung, insbesondere die Form einer mittig gelochten Scheibe, insbesondere Ringscheibe aufweist. Dies dient der besseren Montierbarkeit in Kombination mit Schraubverbindungen.It is preferred that the deformation body has a penetrating round opening or central bore, in particular the shape of a centrally perforated disk, in particular annular disk. This serves for better mountability in combination with screwed connections.

Vorzugsweise weist der Verformungskörper eine Außenkontur mit mehreren Kanten, insbesondere parallelen Kanten auf. Besonders bevorzugt sind die Kanten entlang eines Umfangs um eine Längsachse des Verformungskörpers in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Somit weist der Verformungskörper an der Außenkontur mehrere Flächen mit einer einfachen geometrischen Form auf, an denen eine Messung auf einfache Weise möglich ist.Preferably, the deformation body has an outer contour with a plurality of edges, in particular parallel edges. Particularly preferably, the edges are arranged along a circumference around a longitudinal axis of the deformation body at uniform intervals. Thus, the deformation body on the outer contour with several areas a simple geometric shape on which a measurement is possible in a simple manner.

Bevorzugt sind die Kraftaufnahmebereiche hervorstehend oder erhaben ausgebildet. Somit wirkt die Kraft nur auf die vorgesehenen Flächen.Preferably, the force receiving areas are formed protruding or raised. Thus, the force acts only on the intended areas.

Es ist bevorzugt, dass die Kraftaufnahmebereiche auf jeweils jeder der gegenüberliegenden Seiten auf einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Verteilung der Kraft verläuft dadurch gleichmäßig.It is preferable that the force receiving portions on each of the opposite sides lie on a common plane. The distribution of the force is thus uniform.

Es ist bevorzugt, dass das sensorische Mittel zwischen, insbesondere mittig zwischen zwei umfänglich zueinander versetzten Kraftaufnahmebereichen angeordnet ist.It is preferred that the sensory means is arranged between, in particular centrally between two circumferentially offset force receiving areas.

Es ist bevorzugt, dass das sensorische Mittel dazu ausgebildet ist, Scherkräfte aufzunehmen. Die Scherkraft, die beispielsweise durch in Umfangsrichtung zueinander versetzte Kraftaufnahmebereiche zwischen diesen wirkt, gibt direkt die auf die Kraftaufnahmebereiche wirkende Kraft wieder.It is preferred that the sensory means is adapted to receive shear forces. The shear force acting therebetween, for example, by circumferentially offset force-receiving regions between them directly reflects the force acting on the force-receiving regions.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Kraftaufnahmebereiche jeweils durch von der Längsachse ausgehend radial verlaufende Ränder begrenzt.According to a further preferred embodiment of the invention, the force receiving areas are each limited by starting from the longitudinal axis radially extending edges.

Es ist bevorzugt, dass die Ränder in Umfangsrichtung in eine konkave Abrundung des Verformungskörpers übergehen. Dies ermöglicht einen sprungfreien bzw. weichen Kraftfluss.It is preferred that the edges in the circumferential direction merge into a concave rounding of the deformation body. This allows a jump-free or soft power flow.

Vorzugsweise weist der Kraftsensor eine Auswerteelektronik auf, die dazu ausgebildet ist, ein Signal auszugeben, das die von dem Kraftsensor erfasste Kraft wiedergibt, wobei die Auswerteelektronik in einem Gehäuse angeordnet ist, das von einem umfänglich um den Kraftsensor gespannten elastischen Ring getragen wird.Preferably, the force sensor has evaluation electronics which are designed to output a signal which reproduces the force detected by the force sensor, the evaluation electronics being arranged in a housing which is carried by an elastic ring clamped circumferentially around the force sensor.

Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Kraftsensor für verschiedenste Anwendungen anwendbar. Bevorzugt ist eine Anwendung zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung und/oder zur Messung von Veränderungen einer Kraft und/oder einem Drehmoment, insbesondere zur Bestimmung eines Beladungszustands eines Fahrzeugs oder zur Bestimmung eines Bremsmoments.In principle, the force sensor according to the invention can be used for a wide variety of applications. Preferred is an application for measuring force and / or torque and / or for measuring changes in a force and / or torque, in particular for determining a load state of a vehicle or for determining a braking torque.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass der Kraftsensor zwischen einem Achsschenkel und einer Halterung einer Scheibenbremse oder zwischen einem Schraubenkopf und einem Achsschenkel einer Scheibenbremse oder in einem Befestigungsauge einer Halterung einer Scheibenbremse angeordnet ist. So kann beispielsweise ein Bremsmoment präzise erfasst und für eine oder mehrere regeltechnische Funktionen genutzt werden. Durch die Auswertung der Messung kann eine Information über den Fahrbahnzustand und/oder die Dicke eines Bremsbelags der Bremse und/oder die Geschwindigkeit gewonnen und entsprechend reagiert werden.A further advantageous application possibility is that the force sensor is arranged between a steering knuckle and a holder of a disc brake or between a screw head and a steering knuckle of a disc brake or in a fastening eye of a holder of a disc brake. For example, a braking torque can be precisely detected and used for one or more control functions. By evaluating the measurement, information about the road condition and / or the thickness of a brake pad of the brake and / or the speed can be obtained and reacted accordingly.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe mit einer Kraftsensoranordnung gelöst, die neben dem Kraftsensor eine Schraubverbindung aufweisend zumindest eine Schraube zur mechanischen Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil aufweist, wobei der Kraftsensor zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist und die Schraube entlang ihres Umfangs umschließt.According to a further aspect of the invention, the object is achieved with a force sensor arrangement which, in addition to the force sensor, has a screw connection comprising at least one screw for mechanical connection between a first and a second component, wherein the force sensor is arranged between the first and the second component and the Surrounds screw along its circumference.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil eine Radachse eines Fahrzeugs und das zweite Bauteil ein Achsschenkel eines Fahrzeugrades. Da die wirkenden Kräfte zwischen diesen Bauteilen konstruktionsbedingt über eine bestimmte Stelle geleitet werden müssen, ist eine Messung dort besonders präzise und unverfälscht möglich.In a first preferred embodiment, the first component is a wheel axle of a vehicle and the second component is a steering knuckle of a vehicle wheel. Since the forces acting between these components must be passed through a specific location due to the design, a measurement is possible there in a particularly precise and unadulterated manner.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil eine Halterung einer Scheibenbremse und das zweite Bauteil ein Achsschenkel eines Fahrzeugrades. Da die wirkenden Kräfte auch bei diesen Bauteilen konstruktionsbedingt über eine bestimmte Stelle geleitet werden müssen, ist eine Messung dort besonders präzise und unverfälscht möglich.In a second preferred embodiment, the first component is a holder of a disc brake and the second component is a steering knuckle of a vehicle wheel. Since the forces acting on these components also have to be passed through a certain point due to the design, a measurement is possible there particularly precisely and unadulterated.

Vorzugsweise weist die Kraftsensoranordnung wenigstens zwei Schrauben mit je einem Kraftsensor auf. Alternativ kann einer der Kraftsensoren durch einen Abstandshalter ersetzt werden. Durch die Symmetrie ist eine noch präzisere Messung möglich.The force sensor arrangement preferably has at least two screws, each with one force sensor. Alternatively, one of the force sensors can be replaced by a spacer. Due to the symmetry an even more precise measurement is possible.

Bevorzugt ist der Kraftsensor durch ein mit dem ersten oder zweiten Bauteil verbundenen zylinderförmigen Befestigungsstück axial gesichert, wobei das Befestigungsstück an einem zylinderförmigen Rand umklappbare Laschen aufweist.The force sensor is preferably axially secured by a cylindrical attachment piece connected to the first or second component, the attachment piece having flaps which can be folded over at a cylindrical edge.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Aus Platzgründen sind dabei manche der Darstellungen in einer für den Fachmann klaren Weise beschnitten bzw. Komponenten zum besseren Verständnis ausgeblendet.The invention will be described in more detail with reference to drawings. For reasons of space, some of the representations are cropped in a manner that is clear to the person skilled in the art, or components are hidden for better understanding.

Es zeigen in schematischer DarstellungIt show in a schematic representation

1 einen erfindungsgemäßen Kraftsensor, 1 a force sensor according to the invention,

2 eine erfindungsgemäße Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor, 2 a force sensor arrangement or force sensor according to the invention,

3 eine weitere erfindungsgemäße Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor, 3 a further force sensor arrangement or force sensor according to the invention,

4 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor, 4 a spatial representation of a force sensor arrangement or force sensor according to the invention,

5 eine weitere räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor aus 4, 5 a further spatial representation of the force sensor assembly according to the invention or force sensor 4 .

6 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, 6 a spatial representation of a force sensor arrangement or force sensor according to the invention according to a further embodiment,

7 eine weitere räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor aus 6, 7 a further spatial representation of the force sensor assembly according to the invention or force sensor 6 .

8 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, 8th a spatial representation of a force sensor arrangement or force sensor according to the invention according to a further embodiment,

9 eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor aus 8, 9 a spatial representation of the force sensor assembly according to the invention or force sensor 8th .

10 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, 10 a spatial representation of a force sensor arrangement according to the invention according to a further embodiment,

11 eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoranordnung bzw. Kraftsensor aus 10. 11 a spatial representation of the force sensor assembly according to the invention or force sensor 10 ,

Die 1 zeigt einen Kraftsensor 1 in einem schematisch durch Pfeile veranschaulichten Belastungszustand. Der Kraftsensor 1 weist einen Verformungskörper 2 mit einer näherungsweise zylinderförmigen, bzw. durch eine Mittelbohrung 4 ringförmigen Grundform auf. Abweichend von einer Zylinderform ist jedoch der Verformungskörper 2 entlang des Außenumfangs in mehrere gleichmäßig große radiale Außenflächen 3 gegliedert so dass die Außenkontur mehreckig, in diesem Ausführungsbeispiel mit acht Ecken bzw. Kanten und acht Außenflächen 3, ausgeführt ist. Die Mittelbohrung 4 ist so ausgeführt dass diese eine Schraube oder einen Verbindungsstift aufnehmen kann. Eine Ausführung des Verformungskörpers 2 ohne Mittelbohrung 4 kann in manchen Anwendungsfällen jedoch ebenso zweckmäßig sein.The 1 shows a force sensor 1 in a loading state schematically illustrated by arrows. The force sensor 1 has a deformation body 2 with an approximately cylindrical, or through a central bore 4 annular basic shape. Deviating from a cylindrical shape, however, is the deformation body 2 along the outer circumference into a plurality of equally large radial outer surfaces 3 articulated so that the outer contour polygonal, in this embodiment with eight corners or edges and eight outer surfaces 3 , is executed. The center hole 4 is designed so that it can accommodate a screw or a connecting pin. An embodiment of the deformation body 2 without center hole 4 However, in some applications, it may also be appropriate.

Zur Aufnahme von Kräften sind in Richtung der Längsachse, in der 1 mit z bezeichnet, auf beiden Seiten des Verformungskörpers 2 Kraftaufnahmebereiche 5 ausgebildet. Die Kraftaufnahmebereiche 5 lassen sich beispielsweise herstellen, indem Teile der jeweiligen Oberfläche des Verformungskörpers 2 umfänglich in definierten Abständen durch spanende Bearbeitung abgesenkt werden.To absorb forces are in the direction of the longitudinal axis, in the 1 denoted by z, on both sides of the deformation body 2 Force receiving areas 5 educated. The power receiving areas 5 For example, can be prepared by parts of the respective surface of the deformation body 2 be lowered circumferentially at defined intervals by machining.

Die Kraftaufnahmebereiche 5 sind auf den gegenüberliegenden Seiten so zueinander versetzt, dass jedem Kraftaufnahmebereich 5 auf der gegenüberliegenden Seite ein abgesenkter Bereich gegenüber steht. Mit anderen Worten sind die Kraftaufnahmebereiche 5 umlaufend zwischen beiden Seiten alternierend angeordnet. Die Kanten bzw. Ecken der Außenkontur begrenzen die verschiedenen Außenflächen 3 so, dass jede Außenfläche 3 an einem halben Kraftaufnahmebereich 5 auf der einen und an einem halben Kraftaufnahmebereich 5 auf der anderen Seite des Verformungskörpers 2 angrenzt.The power receiving areas 5 are offset on the opposite sides to each other so that each force receiving area 5 on the opposite side is a lowered area opposite. In other words, the force receiving areas 5 circumferentially arranged alternately between the two sides. The edges or corners of the outer contour limit the various outer surfaces 3 so that every outer surface 3 at a half force absorption area 5 on one side and on half a force absorption area 5 on the other side of the deformation body 2 borders.

Die Kraftaufnahmebereiche 5 können die Kraftübertragung zwischen zwei Komponenten messen, indem die eine Seite mit der einen und die andere Seite mit der anderen Komponente flächig mit den jeweiligen Kraftaufnahmebereichen 5 angelegt oder eingespannt wird. Bei einem Fahrzeugbremssystem kann so eine Kraft gemessen werden, die zu einem Bremsmoment proportional ist. Der Kraftsensor 1 kann dazu, ähnlich einer Unterlegscheibe, in eine Schraubverbindung integriert werden.The power receiving areas 5 For example, the force transmission between two components can be measured by making one side with one side and the other side with the other component flat with the respective force receiving areas 5 created or clamped. In a vehicle braking system, such a force can be measured, which is proportional to a braking torque. The force sensor 1 can be integrated into a screw connection, similar to a washer.

Im dargestellten Belastungszustand wirkt zu einem großen Teil eine Normalkomponente einer durch dünne Kraftpfeile dargestellten Kraft auf die jeweiligen Kraftaufnahmebereiche 5 auf der in der Zeichnung obenliegend dargestellten Seite des Verformungskörpers 2. Die entsprechende Gegenkraft, durch dicke Kraftpfeile dargestellt, wirkt in die Gegenrichtung auf die jeweiligen Kraftaufnahmebereiche 5 auf der in der Zeichnung untenliegend dargestellten Seite des Verformungskörpers 2. Es versteht sich, dass in diesem Zusammenhang der Begriff Kraft gleichbedeutend mit Flächenkraft bzw. Kraftfeld verstanden werden kann.In the illustrated load condition acts to a large extent a normal component of a force represented by thin force arrows on the respective force receiving areas 5 on the side of the deformation body shown overhead in the drawing 2 , The corresponding opposing force, represented by thick force arrows, acts in the opposite direction on the respective force receiving areas 5 on the bottom of the drawing shown in the drawing of the deformation body 2 , It is understood that in this context the term force can be understood as equivalent to surface force or force field.

Die entgegengesetzten Kräfte führen zu einer Scherbeanspruchung des Verformungskörpers 2, die durch ein auf einer radialen Außenfläche 3 mittig angeordnetes sensorisches Mittel 6 erfasst werden kann. Der Kraftfluss verläuft dabei schräg bzw. diagonal entlang der Außenfläche 3.The opposite forces lead to a shear stress of the deformation body 2 passing through a on a radially outer surface 3 centrally located sensory agent 6 can be detected. The power flow runs obliquely or diagonally along the outer surface 3 ,

Sensorische Mittel 6 können anders als im gezeigten Ausführungsbeispiel auf mehr als einer Außenfläche 3, beispielsweise auf jeder zweiten Außenfläche 3, oder auf allen Außenflächen 3 entlang des Umfangs angeordnet sein. Die sensorischen Mittel 6 können dabei über eine Brückenschaltung miteinander verbunden sein. Die elektronische Kontaktierung des sensorischen Mittels 6, beispielsweise zur Energieversorgung oder zur Übertragung von Messsignalen ist in der 1 der Übersicht halber nicht dargestellt. Als sensorisches Mittel 6 kommt ein Dehnungsmessstreifen zum Einsatz. Um neben der Normalkomponente auch andere Komponenten der wirkenden Kraft besser messen zu können, ist es möglich, weitere Dehnungsmesselemente mit einer anderen Ausrichtung auf der jeweiligen Außenfläche 3 anzuordnen. Neben Dehnmesselementen sind jedoch ohne weiteres auch andere verformungssensitive Sensoren zweckmäßig.Sensory means 6 can, unlike in the illustrated embodiment on more than one outer surface 3 on every second outer surface, for example 3 , or on all external surfaces 3 be arranged along the circumference. The sensory means 6 can be connected to each other via a bridge circuit. Electronic contacting of the sensory agent 6 For example, for power supply or transmission of measurement signals is in the 1 not shown for clarity. As a sensory agent 6 a strain gauge is used. In order to be able to better measure other components of the acting force in addition to the normal component, it is possible to use other strain gauges with another Orientation on the respective outer surface 3 to arrange. In addition to strain gauge but other deformation-sensitive sensors are readily appropriate.

Der Kraftsensor 1 ist in der Lage statische sowie dynamische Belastungen bzw. Kräfte zu messen. Mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteelektronik 7 kann die Messgröße in ein Signal gewandelt und beispielsweise zur Regelung eines Fahrzeugbremssystems genutzt werden.The force sensor 1 is able to measure static and dynamic loads or forces. With the help of a suitable evaluation electronics 7 The measured variable can be converted into a signal and used, for example, to control a vehicle brake system.

Der Kraftsensor 1 kann als vorgefertigtes Sensorelement in einen Bremsenträger eines Fahrzeugbremssystems eingesetzt und mit dem Anschraubpunkt eines Achsschenkels 20 bzw. Radträgers mittels üblicher Halteschrauben verbunden werden. Mittels Verpressen, Schrauben oder Schweissen lässt sich der Kraftsensor 1 sichern. Als weiteres Beispiel von vielen Anwendungsmöglichkeiten kann der Kraftsensor 1 zwischen einem Achsschenkel 20 und einer Halterung 10 einer Scheibenbremse oder zwischen einem Schraubenkopf und einem Achsschenkel 20 einer Scheibenbremse eingesetzt werden.The force sensor 1 can be used as a prefabricated sensor element in a brake carrier of a vehicle brake system and with the attachment point of a steering knuckle 20 or wheel carrier are connected by means of conventional retaining screws. The force sensor can be pressed, screwed or welded 1 to back up. As another example of many applications, the force sensor 1 between a steering knuckle 20 and a holder 10 a disc brake or between a screw head and a steering knuckle 20 a disc brake can be used.

Bei der in 2 gezeigten Anordnung ist der Kraftsensor 1 an der Verschraubung bzw. Schraube einer Halterung 10 einer Scheibenbremse angeordnet, mit der die Halterung 10 an einem Achsschenkel 20 eines Fahrzeugs befestigt ist. Durch Kontakt eines Bremsbelages mit einer Bremsscheibe 30 der Scheibenbremse entsteht ein Kraftfluss, der durch den Kraftsensor 1 bzw. den elastischen Verformungskörper 2 verläuft. Auf die Darstellung des an der Halterung 10 befestigten und auf die Bremsscheibe 30 gerichteten Bremsbelages wurde verzichtet. Der Kraftsensor 1 ist dabei so konfiguriert, dass er nur axiale Kräfte misst.At the in 2 The arrangement shown is the force sensor 1 on the screw or screw of a holder 10 a disc brake arranged with the bracket 10 on a steering knuckle 20 a vehicle is attached. By contact of a brake pad with a brake disc 30 The disc brake creates a force flow through the force sensor 1 or the elastic deformation body 2 runs. On the appearance of the on the holder 10 fastened and on the brake disc 30 directed brake lining was waived. The force sensor 1 is configured so that it only measures axial forces.

Der Kraftsensor 1 ist zwischen den beiden Bauteilen in einem Spalt 11 angeordnet. Der Spalt 11 umfasst nur die eine von zwei Schraubverbindungen 12, an der der Kraftsensor 1 angeordnet ist. Somit besteht auf einer Seite eine Kontaktfläche zwischen der Halterung 10 und dem Achsschenkel 20, auf der anderen Seite ist der Kraftsensor 1 den Bauteilen zwischengeordnet.The force sensor 1 is between the two components in a gap 11 arranged. The gap 11 includes only one of two screw connections 12 at which the force sensor 1 is arranged. Thus, there is a contact surface between the holder on one side 10 and the steering knuckle 20 on the other side is the force sensor 1 interposed between the components.

Die Bremskraft und das daraus resultierende Bremsmoment verteilen sich je nach Drehrichtung 31 der Bremsscheibe 30, also im Normalfall der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Bei der in 2 durch einen Pfeil an der Bremsscheibe 30 veranschaulichten Drehrichtung 31 steigt die Bremskraft an der Kontaktfläche zwischen der Halterung 10 und dem Achsschenkel 20 an und sorgt an der Seite mit dem Kraftsensor 1 für eine von dem Kraftsensor 1 messbare Entlastung. Bei entgegengesetzter Drehrichtung 31 der Bremsscheibe 30 kehren sich Be- und Entlastung um. Da der messbare Kraftbetrag gleich ist, reicht eine Messstelle, um die Bremskraft und damit auch das Bremsmoment zu erfassen.The braking force and the resulting braking torque are distributed depending on the direction of rotation 31 the brake disc 30 , So usually the direction of movement of the vehicle. At the in 2 by an arrow on the brake disc 30 illustrated direction of rotation 31 the braking force increases at the contact surface between the holder 10 and the steering knuckle 20 and provides on the side with the force sensor 1 for one of the force sensor 1 measurable discharge. In the opposite direction of rotation 31 the brake disc 30 Relief and relief turn around. Since the measurable amount of force is the same, a measuring point is sufficient to detect the braking force and thus also the braking torque.

Da der einseitige Spalt 11 die Struktur der Halterung 10 schwächt, kann es notwendig sein diesen beispielsweise durch entsprechende Dimensionierung an anderer Stelle zu modifizieren und so die Schwächung auszugleichen. Alternativ kann, wie in 3 gezeigt, der Spalt 11 durchgehend ausgeführt und ein Abstandshalter oder ein zweiter Kraftsensor, bspw. an der zweiten Schraubverbindung 12, angeordnet werden. Ein entsprechender Abstandshalter kann auch integral an der Halterung 10 ausgebildet sein.Because the one-sided gap 11 the structure of the bracket 10 weakens, it may be necessary to modify this example by appropriate dimensioning elsewhere and so compensate for the weakening. Alternatively, as in 3 shown the gap 11 executed continuously and a spacer or a second force sensor, for example. At the second screw 12 , to be ordered. A corresponding spacer may also be integral with the holder 10 be educated.

Aus der schematischen Darstellung der 4 und 5 ist ersichtlich, wie der Kraftsensor 1 montagefreundlich an der Halterung 10 befestigt sein kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kraftsensor 1 an die Halterung 10 angeschweißt. Die Schweißnaht verläuft an der teilzylindrischen Außenseite eines Kraftaufnahmebereichs 5 oder mehrerer Kraftaufnahmebereiche 5. Dadurch wird verhindert, dass die Kraftübertragung und damit die Messung verfälscht oder gestört wird.From the schematic representation of 4 and 5 can be seen as the force sensor 1 Easy to install on the bracket 10 can be attached. In this embodiment, the force sensor 1 to the holder 10 welded. The weld runs on the part-cylindrical outer side of a force receiving area 5 or more force receiving areas 5 , This prevents that the power transmission and thus the measurement is corrupted or disturbed.

Die 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Kraftsensor 1 mit Hilfe eines zylinderförmigen Befestigungsstücks 13 axial gesichert ist, wobei das Befestigungsstück 13 an einem zylinderförmigen Rand umklappbare Laschen 14 aufweist. Das Befestigungsstück 13 ist in einer Nut der Halterung 10 gegen Verdrehung gesichert. Eine Auswerteelektronik 7 zur Verarbeitung der Messsignale des Kraftsensors 1 ist in einem Gehäuse angeordnet, das von einem umfänglich um den Kraftsensor 1 gespannten elastischen Ring 15 getragen wird.The 6 and 7 show a further embodiment in which the force sensor 1 with the help of a cylindrical attachment piece 13 axially secured, wherein the attachment piece 13 on a cylindrical edge hinged tabs 14 having. The attachment piece 13 is in a groove of the bracket 10 secured against rotation. An evaluation electronics 7 for processing the measuring signals of the force sensor 1 is disposed in a housing that is circumferentially around the force sensor 1 strained elastic ring 15 will be carried.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 8 sind die Verformungskörper 2 bzw. Kraftsensoren 1 integriert in der Halterung 10 ausgebildet. Dies ist beispielsweise durch entsprechendes Gießen oder Fräsen der Halterung 10 möglich. Es ist dabei möglich die sensorischen Mittel 6 nur an einem oder an beiden Verformungskörpern 2 anzuordnen. Die 9 zeigt eine zusätzliche Perspektive, wobei die Auswerteelektronik 7 hier ohne das Gehäuse und den elastischen Ring 15 dargestellt ist.In the embodiment of the 8th are the deformation bodies 2 or force sensors 1 integrated in the holder 10 educated. This is for example by appropriate casting or milling of the holder 10 possible. It is possible the sensory means 6 only on one or both deformation bodies 2 to arrange. The 9 shows an additional perspective, with the transmitter 7 here without the case and the elastic ring 15 is shown.

10 veranschaulicht schematisch eine Anordnung des Kraftsensors 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei ist der Kraftsensor 1 an einer Schraubverbindung 12a bzw. Schraube einer Halterung 10a angeordnet, die in 10 als Box dargestellt und als mechanische Anbindung des Achsschenkels 20 an eine Fahrzeugradachse 21 ausgebildet ist. Der Achsschenkel 20 trägt ein drehbar gelagertes Fahrzeugrad 40. Über einen weiteren Arm des Achsschenkels 20 ist dieser mechanisch mit dem Fahrzeugchassis verbunden, ebenfalls als Box dargestellt. An diesem Arm ist ein Feder-/Dämpfersystem angeordnet, auf dessen Darstellung in der 10 der Übersicht halber verzichtet wurde. 10 schematically illustrates an arrangement of the force sensor 1 according to a further embodiment. Here is the force sensor 1 on a screw connection 12a or screw a bracket 10a arranged in 10 shown as a box and as a mechanical connection of the steering knuckle 20 to a vehicle wheel axle 21 is trained. The steering knuckle 20 carries a rotatably mounted vehicle wheel 40 , About another arm of the steering knuckle 20 this is mechanically with connected to the vehicle chassis, also shown as a box. On this arm, a spring / damper system is arranged on the representation in the 10 has been omitted for the sake of clarity.

Die mechanische Anbindung des Achsschenkels 20 an die Fahrzeugradachse 21 ist hier mittels einer Verschraubung realisiert, so dass die Last in Form des Fahrzeugeigengewichts und der Zuladung über diese Verschraubung geleitet wird. 11 zeigt dabei die Anordnung des Kraftsensors 1, der zwischen dem Achsschenkel 20 und dem Eingriff des Schraubengewindes in das Gegengewinde der Fahrzeugradachse 21 angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Last in Form des Fahrzeugeigengewichts und der Zuladung in axialer Richtung vollständig messbar. Der Kraftsensor 1 ist auch hier dazu ausgebildet nur axiale Kräfte zu messen. Mittels einer Auswerteelektronik 7 kann so die axial zur Auflagefläche des Fahrzeugrades 40 wirkende Kraft, also die Radaufstandskraft, bestimmt werden. Beispielsweise lässt sich eine Überbeladung des Fahrzeugs oder eine ungleichmäßige Ladungsverteilung erkennen und genau quantifizieren. Um die Unfallgefahr zu reduzieren, die sich aus einer Falsch- oder Überbeladung, insbesondere bei Lieferwägen, ergibt, kann dem Fahrer ein entsprechendes Warnsignal, zum Beispiel mittels einer optischen Einrichtung, übermittelt werden oder bei starker Fehlbeladung das Losfahren mittels einer entsprechenden Einrichtung ganz verhindert werden. Eine entsprechende optische Einrichtung kann beispielsweise in Form einer Waageanzeige ausgeführt sein, die die linke und rechte und/oder vordere und hintere Beladung separat kennzeichnet und/oder das Ladegewicht numerisch anzeigt.The mechanical connection of the steering knuckle 20 to the vehicle wheel axle 21 is realized here by means of a screw, so that the load in the form of the vehicle's own weight and the payload is passed through this screw. 11 shows the arrangement of the force sensor 1 that is between the steering knuckle 20 and the engagement of the screw thread in the mating thread of the vehicle wheel axle 21 is arranged. In this way, the load in the form of the vehicle's own weight and payload in the axial direction is completely measurable. The force sensor 1 is also designed here to measure only axial forces. By means of evaluation electronics 7 so can the axial to the bearing surface of the vehicle wheel 40 acting force, so the Radaufstandskraft be determined. For example, an overcharge of the vehicle or an uneven charge distribution can be detected and accurately quantified. In order to reduce the risk of accidents resulting from a false or overloading, especially in delivery trucks, the driver can be sent a corresponding warning signal, for example by means of an optical device, or in case of heavy incorrect loading, the starting by means of a corresponding device can be completely prevented , A corresponding optical device can be embodied, for example, in the form of a balance display, which identifies the left and right and / or front and rear loads separately and / or displays the load weight numerically.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizont 2020“ im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 636592 [0002] European Union research and innovation program "Horizon 2020" under Grant Agreement No 636592 [0002]

Claims (15)

Kraftsensor (1) zur Verwendung in einem Fahrzeugbremssystem, aufweisend einen elastischen Verformungskörper (2), aufweisend mindestens ein sensorisches Mittel (6) zum Erfassen einer auf den Verformungskörper (2) wirkenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (2) Kraftaufnahmebereiche (5) aufweist, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten umfänglich zueinander versetzt angeordnet sind.Force sensor ( 1 ) for use in a vehicle braking system, comprising an elastic deformation body ( 2 ), comprising at least one sensory agent ( 6 ) for detecting a on the deformation body ( 2 ) acting force, characterized in that the deformation body ( 2 ) Force receiving areas ( 5 ), which are arranged on two opposite sides circumferentially offset from each other. Kraftsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper an einer Außenfläche (3) wenigstens ein Dehnungsmesselement aufweist.Force sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the deformation body on an outer surface ( 3 ) has at least one strain gauge. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (2) eine durchdringende runde Öffnung oder Mittelbohrung (4), insbesondere die Form einer mittig gelochten Scheibe, insbesondere Ringscheibe aufweist.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the deformation body ( 2 ) a penetrating round opening or central bore ( 4 ), in particular the shape of a centrally perforated disc, in particular annular disk. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (2) eine Außenkontur mit mehreren Kanten, insbesondere parallelen Kanten aufweist.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the deformation body ( 2 ) has an outer contour with a plurality of edges, in particular parallel edges. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahmebereiche (5) hervorstehend oder erhaben ausgebildet sind.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the force receiving areas ( 5 ) are formed protruding or raised. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahmebereiche (5) auf jeweils jeder der gegenüberliegenden Seiten auf einer gemeinsamen Ebene liegen. Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the force receiving areas ( 5 ) are located on each of the opposite sides on a common plane. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sensorische Mittel (6) zwischen, insbesondere mittig zwischen zwei umfänglich zueinander versetzten Kraftaufnahmebereichen (5) angeordnet ist.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensory agent ( 6 ) between, in particular centrally between two mutually circumferentially offset force receiving areas ( 5 ) is arranged. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sensorische Mittel (6) dazu ausgebildet ist, Scherkräfte aufzunehmen.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensory agent ( 6 ) is adapted to absorb shear forces. Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1) eine Auswerteelektronik (7) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Signal auszugeben, das die von dem Kraftsensor (1) erfasste Kraft wiedergibt, wobei die Auswerteelektronik (7) in einem Gehäuse angeordnet ist, das von einem umfänglich um den Kraftsensor gespannten elastischen Ring (15) getragen wird.Force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor ( 1 ) an evaluation ( 7 ) adapted to output a signal corresponding to that of the force sensor ( 1 ) detected force, the transmitter ( 7 ) is disposed in a housing which is supported by a resiliently stretched around the force sensor elastic ring ( 15 ) will be carried. Verwendung eines Kraftsensors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung und / oder zur Messung von Veränderungen einer Kraft und/oder einem Drehmoment, insbesondere zur Bestimmung eines Beladungszustands eines Fahrzeugs oder zur Bestimmung eines Bremsmoments.Use of a force sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims for force and / or torque measurement and / or for measuring changes in a force and / or torque, in particular for determining a load state of a vehicle or for determining a braking torque. Kraftsensoranordnung aufweisend einen Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Schraubverbindung (12, 12a) aufweisend zumindest eine Schraube zur mechanischen Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1) zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist und die Schraube entlang ihres Umfangs umschließt. Force sensor arrangement comprising a force sensor according to one of the preceding claims, a screw connection ( 12 . 12a ) comprising at least one screw for the mechanical connection between a first and a second component, characterized in that the force sensor ( 1 ) is disposed between the first and the second component and surrounds the screw along its circumference. Kraftsensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil eine Fahrzeugradachse (21) ist und das zweite Bauteil ein Achsschenkel (20) eines Fahrzeugrades (40) ist.Force sensor arrangement according to claim 11, characterized in that the first component is a vehicle wheel axle ( 21 ) and the second component is a steering knuckle ( 20 ) of a vehicle wheel ( 40 ). Kraftsensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil eine Halterung (10) einer Scheibenbremse ist und das zweite Bauteil ein Achsschenkel (20) eines Fahrzeugrades (40) ist.Force sensor arrangement according to claim 11, characterized in that the first component is a holder ( 10 ) is a disc brake and the second component is a steering knuckle ( 20 ) of a vehicle wheel ( 40 ). Kraftsensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoranordnung wenigstens zwei Schrauben mit je einem Kraftsensor (1) aufweist.Force sensor arrangement according to claim 13, characterized in that the force sensor arrangement comprises at least two screws each having a force sensor ( 1 ) having. Kraftsensoranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor durch ein mit dem ersten oder zweiten Bauteil verbundenen zylinderförmigen Befestigungsstück (13) axial gesichert ist, wobei das Befestigungsstück (13) an einem zylinderförmigen Rand umklappbare Laschen (14) aufweist.Force sensor arrangement according to one of claims 11 to 14, characterized in that the force sensor by a connected to the first or second component cylindrical attachment piece ( 13 ) is secured axially, wherein the attachment piece ( 13 ) on a cylindrical edge folding tabs ( 14 ) having.
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