DE10242250A1

DE10242250A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10242250A1
Application number: DE2002142250
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Es wird ein Kraftsensor vorgeschlagen, bei dem Bereich eines Kraftmessbolzens (1; 20) unter Einwirkung einer äußeren Kraft (F) im Feld eines Sensors (4, 5; 10, 11) in ihrer Lage so verändert werden, dass am Sensor (4, 5; 10, 11) ein elektrisches Signal abnehmbar ist. Ein äußeres zylindrisches Teil (2) an dem die Kraft (F) eingreift, liegt einem inneren zylindrischen Teil (3), das den Sensor (4, 5; 10, 11) aufweist, in einem vorgegebenen Abstand gegenüber. Beidseitig neben dem Bereich, an dem die Kraft (F) eingreift, sind außen rotationssymmetrische Verjüngungen (6, 7) auf dem äußeren zylindrischen Teil (2) angebracht, so dass unter einer Krafteinwirkung (F) eine Abstandsverringerung detektierbar ist. Der Sensor kann aus Spulen (4, 5) oder Hallsensoren (10, 11) aufgebaut sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung von Kräften an mechanischen Bauteilen eines Kraftfahrzeuges, der unter Ausnutzung elektrischer oder elektromagnetischer Effekte ein elektrisches Signal abgibt, das einer auf den Kraftsensor wirkenden Druck-, Zug- oder Biegekraft entspricht, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Auf vielen Gebieten der Mechanik werden Kraftsensoren benötigt, die auch an relativ unzugänglichen Stellen an Geräten oder Aggregaten eine genaue Bestimmung der Zug- und/oder Druckkräfte ermöglichen sollen. Ein der Kraftmessung entsprechendes elektrisches Signal sollte für weitere Auswerte- oder Regelprozesse zur Verfügung stehen. Beispielsweise werden oft für Anhänger und sonstige Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, für Ackerschlepper oder ähnliche Fahrzeuge oder auch im Industriegebrauch häufig Kraftmessbolzen benötigt, die entweder nur den Betrag der Kraft oder Richtung und Betrag in zwei Richtungen angeben.

Häufig werden hier Kraftsensoren angewandt, die auf einem magnetoelastischen Messprinzip (Torduktor) beruhen. Beispielsweise ist in der DE 198 21 381 A1 beschrieben, dass bei einer Torsion einer Achse oder Welle eine Veränderung der Permeabilität und damit eine Induktivitätsänderung an einer in diesem Bereich befindlichen induktiven Anordnung messbar ist. Hier anwendbare Messprinzipien sind z.B. auch aus dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf 1967, Seite 238 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Ein als Kraftmessbolzen ausgeführter Kraftsensor der eingangs beschriebenen Art, bei dem Bereiche des Kraftmessbolzens unter Einwirkung einer äußeren Kraft im Feld eines Sensors in ihrer Lage so verändert werden, so dass am Sensor ein elektrisches Signal abnehmbar ist, weist in vorteilhafter Weise ein äußeres zylindrisches Teil, an dem die Kraft eingreift, und ein inneres zylindrisches Teil auf, das den eigentlichen Sensor trägt. Die beiden zylindrischen Teile liegen sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüber und das äußere Teil weist beidseitig neben dem Bereich, an dem die Kraft eingreift, außen eine rotationssymmetrische Verjüngung auf, so dass unter einer Krafteinwirkung eine Abstandsverringerung aufgrund einer Durchbiegung des äußeren Teils detektierbar ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ist ein kostengünstiger Aufbau des Kraftsensors möglich und dieser Kraftmessbolzen kann durch seine zylindrische Konstruktion auf einfache Weise z.B. auch in der Kupplung eines Fahrzeugs angebracht werden, wodurch insgesamt ein großer Einsatzbereich vorhanden ist.

Die Auslenkung des äußeren zylindrischen Teils kann mit den meisten bekannten Wegsensoren ermittelt werden. Besonders vorteilhaft für eine reine Betragsermittlung der Kraft ist es jedoch, wenn volumenhaft die Wegänderung integriert wird. Der Sensor ist dazu vorzugsweise als Messspule aufgebaut, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist und deren elektromagnetische Eigenschaften sich mit einer Abstandsveränderung zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Kraftmessbolzens verändern.

Diese Messtechnik basiert nicht wie die üblicherweise hier angewandten Sensorprinzipien auf dem magnetoelastischen Messprinzip, z.B. als Torduktor, sondern auf der Durchbiegung des Messbolzens in Abhängigkeit von der Last, die außen im Bereich der Messspule eingeleitet wird. Dafür ist der erfindungsgemäße Kraftmessbolzen, wie zuvor erwähnt, an zwei Stellen rotationssymmetrisch verjüngt, und bildet daher ein kleineres Wiederstandsmoment. Die Krafteinleitung findet somit in einem festen nicht oder wenig deformierbaren Bereich statt. Die maximale Auslenkung ist dabei so dimensioniert, dass die maximal mögliche Durchbiegung in dem Bereich der Messspule beispielsweise ca. 1,5 mm betragen kann. Bei größeren Auslenkungen legt sich der Kraftmessbolzen an den inneren Zylinder an und die Federsteifigkeit nimmt erheblich zu. Somit ist ein automatischer Überlastschutz vorhanden.

Besonders vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform ein Spulenmessprinzip, das für die Messung kleiner Wege prädestiniert ist und sich sehr kostengünstig realisieren lässt. Die Messspule ist dabei mit der Referenzspule zu einem Spannungsteiler verschaltet, wobei die Referenzspule in einem nicht von der Krafteinleitung beeinträchtigten Bereich am inneren Teil des Kraftmessbolzens angeordnet ist. Beide Spulen sind in Reihe an die Wechselspannungsquelle geschaltet, wobei die Messspannung an der Messspule abnehmbar ist. Der Abstand des äußeren Zylin ders zur Messspule ändert sich dabei mit der Kraft und die Referenzspule dient nur der Temperatur- sowie der Material- und Parameterkompensation.

Dieser Spulenspannungsteiler wird in vorteilhafter Weise aus einer harmonischen Strom- oder Spannungsquelle betrieben und ermöglicht somit ein relativ störunempfindliches Differenzmessverfahren. Die Spannung am Spannungsteiler kann dann entweder mit einem Gleichrichter und mit einem Filter aufbereitet werden oder durch phasenempfindliche Gleichrichtung besonders schmalbandig bezüglich der Frequenz ausgewertet werden. Weiterhin kann diese Anordnung auch mit einer relativ niedrigen Frequenz betrieben werden, bei ca. 1kHz–10kHz, oder als Wirbelstrommessverfahren bei ca. 200kHz–10MHz. Vorteilhaft ist auch eine Kombination aus beiden Messverfahren, wodurch man eine Signalredundanz erhält.

Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht der Sensor aus mindestens einem am inneren Zylinder angebrachten Hallelement oder Hall-IC, dem jeweils ein Permanentmagnet benachbart ist, womit ein sog. Reluktanzverfahren realisierbar ist. Dabei kann beispielsweise mit zwei Hall-IC's sowohl der Betrag wie auch die Kraftrichtung bestimmt werden. Werden zum Beispiel vier Hall-Sensoren auf dem Umfang des inneren Teils verteilt angeordnet, so kann auch eine Differenzschaltung aufgebaut werden.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kraftsensors als Kraftmessbolzen für die Erfassung der Kräfte an einem zylindrischen Fahrzeugteil werden in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen Kraftmessbolzen mit einer Mess- und einer Referenzspule als Sensor,

2 ein Schaltbild der Spulen nach der 1 mit einem Filter zur Signalauswertung und

3 einen Schnitt durch einen Kraftmessbolzen mit einer Anordnung aus Hall-Ic's als Sensor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1 ist ein Kraftmessbolzen 1, beispielsweise als Kraftsensor für die Erfassung der Kräfte an einer Kupplung in einem Kraftfahrzeug, gezeigt, bei dem eine zu messende äußere Kraft F auf ein äußeres zylindrischen Teil 2 einwirkt. An einem inneren zylindrischen Teil 3 ist der eigentliche Sensor, der hier aus einer Messspule 4 und einer Referenzspule 5 besteht, angeordnet. Die beiden Teile 2 und 3 liegen sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüber.

Das äußere zylindrische Teil 2 ist beidseitig neben dem Bereich, an dem die Kraft F eingreift, in Bereichen 6 und 7 rotationssymmetrisch verjüngt, so dass unter einer Krafteinwirkung F eine Abstandsverringerung zum Teil 3 detektierbar ist. Hierbei wird das äußere Teil 2 im Feld der Messspule 4, die dazu mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist, in seiner Lage so verändert, dass an der Messspule 4 aufgrund der Feldbeeinträchtigung ein elektrisches Signal abnehmbar ist. Die Referenzspule 5 ist in einem nicht von der Krafteinleitung F beeinträchtigten Bereich am inneren Teil 3 des Kraftmessbolzens 1 angeordnet.

Aus einem Schaltbild nach 2 ist zu entnehmen, dass die beiden Spulen 4 und 5 in Reihe an eine Wechsel spannungsquelle 8 angeschaltet sind, wobei die Messspannung an der Messspule 4 abnehmbar ist und mit einem nachge schalteten phasenempfindlichen Gleichrichter G und einem Kondensator C als Filter 9 aufbereitet wird.

Bei einem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Kraftsensors 20 sind, in Abwandlung zur 1, für eine Auswertung der Abstandsänderung zischen den Teilen 2 und 3 mit einem Reluktanzverfahren vier auf dem Umfang des zylindrischen Teils 3 verteilte Hallsensoren angebracht, von denn hier Sensoren 10 und 11 sichtbar sind. Die Hallsensoren 10 und 11 weisen hierzu jeweils einen Permanentmagnet 12 und ein Hall-IC 13 auf. Dabei kann schon mit zwei Sensoren 10 und 11, sowohl der Betrag wie auch die Richtung der Kraft F bestimmt werden. Verwendet man vier Hall-IC's, so kann auch eine Differenzschaltung aufgebaut werden.

Claims

Kraftsensor mit einem Kraftmessbolzen, bei dem – Bereiche des Kraftmessbolzens (1; 20) unter Einwirkung einer äußeren Kraft (F) im Feld eines Sensors (4,5;10,11) in ihrer Lage so verändert werden, dass am Sensor (4,5;10,11) ein elektrisches Signal abnehmbar ist und bei dem – ein äußeres zylindrisches Teil (2), an dem die Kraft (F) eingreift, einem inneren zylindrischen Teil (3), das den Sensor (4,5;10,11) aufweist, in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegt und beidseitig neben dem Bereich, an dem die Kraft (F) eingreift, außen eine rotationssymmetrische Verjüngung (6,7) auf dem äußeren zylindrischen Teil (2) angebracht ist, so dass unter einer Krafteinwirkung (F) eine Abstandsverringerung detektierbar.
Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, dass – der Sensor eine Messspule (4) ist, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist und deren elektromagnetischen Eigenschaften sich mit einer Abstands veränderung zwischen dem inneren (3) und dem äußeren Teil (2) des Kraftmessbolzens (1;20) verändern.
Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Referenzspule (5) in einem nicht von der Krafteinleitung (F) beeinträchtigten Bereich am inneren Teil (3) des Kraftmessbolzens (1,20) angeordnet ist und dass die beiden Spulen (4,5) in Reihe an eine Wechselspannungsquelle (8) geschaltet sind, wobei die Messspannung an der Messspule (4) abnehmbar ist.
Kraftsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messspannung mit einem nachgeschalteten phasenempfindlichen Gleichrichter (G) aufbereitet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messspannung mit einem dem phasenempfindlichen Gleichrichter (G) nachgeschalteten Kondensator (C) als Filter (9) aufbereitet ist.
Kraftsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wechselspannung eine niedrige Frequenz im Bereich von ca. 1 kHz bis 10 kHz oder für ein Wirbelstrommessverfahren eine Frequenz von 200 kHz bis 10 MHz oder ein Gemisch von beiden Frequenzbereichen aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (10,11) aus mindestens einem am inneren Teil (3) angebrachten Hallelement oder Hall-IC (13) besteht, dem jeweils ein Permanentmagnet (12) benachbart ist.
Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – vier Hall-Sensoren (10,11) auf dem Umfang des inneren Teils (3) verteilt angeordnet sind.