DE10242256A1

DE10242256A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10242256A1
Application number: DE10242256A
Authority: DE
Inventors: Konrad Wolf; Anton Dukart; Klaus Marx; Roland Schaller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: DE10242256B4

Abstract

Es wird ein Kraftsensor mit einem Befestigungselement zwischen einem Ober- und einem Untergestell vorgeschlagen, in dem eine Kraftmesszelle (4) zur Messung der Kräfte (F1, F2, F3) zwischen dem Ober- und dem Untergestell angeordnet ist. Die Kraftmesszelle (4) ist Bestandteil eines Kraftmessbolzens (1), der quer zur Hauptkrafteinleitungsrichtung zwischen dem Ober- und Untergestell angeordnet ist und mindestens einen radialen Spalt (5, 6, 7, 8) aufweist, dessen mit einem Sensor messbare Spaltbreite sich in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kräfte (F1, F2, F3) zwischen dem Ober- und dem Untergestell ändert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung von Kräften an einem Fahrzeugsitz, der unter Ausnutzung elektrischer oder elektromagnetischer Effekte ein elektrisches Signal abgibt, das einer auf den Kraftsensor wirkenden Druck-, Zug- oder Biegekraft entspricht, nach dem Oberbegriff 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. Im Bereich der Automobilelektronik sind beispielsweise solche Kraftsensoren einsetzbar, wobei die bisher verwendeten Kraftsensoren meistens relativ groß sind und der Herstellungsprozess relativ teuer ist.
Für einige wichtige elektronischen Systeme im Kraftfahrzeug, wie z.B. für Gurtrückhaltesysteme wird ein kleiner und kompaktbauender Kraftsensor benötigt. Gerade an den Verbindungsstellen zwischen den Komponenten in denen sich die Kraft konzentriert, sind Kraftmessbolzen von besonderem Interesse. So wird beispielsweise für die Sitzgewichtkraftmessung und deren Verteilung, die an der Anbindung zum Sitz gemessen wird, ein Kraftsensor benötigt, der in großen Stückzahlen preiswert zu fertigen ist. Aber auch in der Fertigungs- und Qualitätsmesstechnik benötigt man zunehmend genaue, statisch messende Kraftsensoren.
Die an sich bekannten klein bauenden Sensoren basieren meistens auf dem piezoelektrischen Wandlerprinzip und sind deswegen nur dynamisch zu betreiben. Statische Kraftsensoren werden oft als Biegefedern ausgeführt, die mit Dehnmessstreifen ausgestattet sind. Diese ergeben zwar sehr präzise Kraftsensoren; sie bauen jedoch meist groß und teuer. Magnetoelastische Sensoren basieren entweder auf dem Kreuzduktor-Prinzip, das besonders für Anwendungen geeignet ist, die bei hohen Temperaturen ohne Elektronik vor Ort auskommen müssen und nur einen kleinen Bauraum benötigen oder nach dem Torduktor-Prinzip, bei dem über zwei um 90° zueinander gedrehten mit Spulen bewickelten U-Kernen kraftabhängig die Magnetfeldverteilung berührungslos erfasst wird. Das Kreuzduktor-Prinzip hat den Nachteil, dass es nur kleine Nutzspannungen liefert, die, mit einem meist großen Offset beaufschlagt, nur schwer auswertbar sind. Außerdem können bei bewegten oder rotierenden Teilen diese Sensoren nicht oder nur mit großem zusätzlichen Aufwand eingesetzt werden. Das Torduktor-Prinzip erlaubt Kraftmessungen auch am rotierenden Teil, ist aber stark abstandssensitiv.
Für die Sitzgewichtsensierung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, besteht auch die Forderungen, dass die Sitzhöhe nicht erhöht wird und außerdem ist eine Überlasterkennung sehr wichtig. Aus der WO 00/16054 ist ein Messaufnehmer zur Bewegungserkennung in einem Fahrzeugsitz bekannt, bei dem zwischen einem die Sitzschale umfassenden Obergestell und einem am Fahrzeugboden, gegebenenfalls auch über einen Längs- und Höhenverstellungsmechanismus, befestigten Untergestell eine elastische Verformung eines Trageelements mit der Messzelle erfasst wird.
Vorteile der Erfindung
Ein Kraftsensor der eingangs beschriebenen Art mit einem Befestigungselement zwischen einem Ober- und einem Untergestell, in dem eine Kraftmesszelle zur Messung der Kräfte zwischen dem Ober- und dem Untergestell angeordnet ist, wird mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass, insbesondere für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz, die Kraftmesszelle Bestandteil eines Kraftmessbolzens ist, der quer zur Hauptkrafteinleitungsrichtung zwischen dem Ober- und dem Untergestell angeordnet ist. Der Bolzen weist mindestens einen radialen Spalt auf, dessen mit einem Sensor messbare Spaltbreite sich in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kräfte zwischen dem Ober- und dem Untergestell ändert.
Vorteilhaft bei dieser Erfindung ist insbesondere, dass die für die Befestigung des Sitzes an einer Schiene zur Höhen- und Längsverstellung angebrachte Schraube als Kraftmessbolzen auch für die Gewichtsmessung verwendet werden kann, wobei der gesamte Kraftfluss durch diese Kraftmessanordnung geführt werden kann. Die vier Befestigungsschrauben für den Fahrzeugsitz brauchen hierfür nur mit einfachen Mitteln so modifiziert werden, dass mit diesen die Sitzgewichtskraft und ev. auftretende Querkräfte gemessen werden können.
Der als Rohrbolzen gefertigte erfindungsgemäße Kraftmessbolzen ist durch vier radiale Schlitze und gegebenenfalls einen axialen Schlitz so aufgebaut, dass dadurch drei Messfedern als Teilringfedern zur Aufnahme der Druck- bzw. Zugkraft, z.B. am Fahrzeugsitz, vorhanden sind. Der Bolzen ist dabei in besonders vorteilhafter Weise zwischen dem Ober- und dem Untergestell derart angeordnet, dass eine senkrechte Kraft vom Obergestell auf eine äußere Messfeder geleitet ist, wobei sich der Bolzen mit einer andern äußeren Messfeder auf dem Untergestell abstützt.
Andererseits kann der Kraftmessbolzen zwischen dem Ober- und dem Untergestell auch derart angeordnet sein, dass sich der Bolzen mit den zwei äußeren Messfedern auf dem Untergestell abstützt. Somit ist hier eine bidirektionale Messung möglich, da die Sitzgewichtskraft über einen Hebel jeweils auf die innere Ringfeder der vier Kraftmessbolzen wirkt, während sich die Rohrbolzen jeweils über eine Zweipunktauflage zum Fahrzeugchassis hin auf dem unteren Bereich des Rohres abstützt. Liegt durch Gewichtsverlagerung oder über die Fahrdynamik eine Zugkraft an dem jeweiligen Bolzen an, dann werden die beiden äußeren Ringfedern belastet und die Gegenkraft drückt wieder auf den unteren Bereich des Rohres.
Der erfindungemäße Kraftmessbolzen ist somit als einfach aufzubauender Rohrbolzen zur Bestimmung des Insassengewichts in einem Fahrzeug und anderer Verbindungskräfte am Fahrzeugsitz einsetzbar und ermöglicht ein kleinbauendes statisches Messprinzip, das universell durch einen entsprechenden Querschnittsdurchmesser und eine entsprechende Ringgeometrie an verschiedene Messbereiche anpassbar ist. Darüber hinaus ist dieser Kraftmessbolzen aber auch universell für Messungen von Verbindungskräften zwischen zwei mechanischen Teilen verwendbar.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Bolzen mittels einer Abflachung im Bereich des anliegenden Ober- oder des Untergestells gegen ein Verdrehen in dem jeweiligen Gestell gesichert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sensor zur Messung der Spaltbreite im Bolzen aus einem Magneten und mindestens einem Hallelement, die im Bereich der Spalte derart angeordnet sind, dass eine Änderung der jeweiligen Spaltbreite eine Änderung des mit dem Hallelemente messbaren magnetischen Flusses bewirkt. Zum Beispiel bei einer Verwendung von Selten-Erde-Magneten kann mit einer entsprechenden Anordnung des jeweiligen Hallelements zu den Magneten eine ausreichend große, lineare Ansteuerung erreicht werden.
Das kraftproportionale Magnetfeld kann mit der Erfindung berührungslos im Luftspalt zwischen den Messfedern abgegriffen werden. Ferner ergibt sich eine gute Nullpunktstabilität des abstandsmessenden Hallelements, da dieses sich in dem magnetischen Nullpunkt befindet und eine starke Flussdichteänderung bereits durch eine geringe Auslenkung erzeugbar ist. Dieser erfindungsgemäße Magnetfeldsensor kann auch mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik voll integriert werden, wodurch sich eine einfache Zuleitung und eine kompakte und kostengünstige Bauweise ergibt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kraftsensors für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz werden anhand eines Kraftmessbolzens, der an einer Schraube zur Sitzbefestigung realisiert ist, in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Kraftmessbolzen, der mit einer Einpunktlagerung die Kräfte an einem Fahrzeugsitz erfassen kann und
2 einen Schnitt durch einen Kraftmessbolzen, der mit einer Zweipunktlagerung die Kräfte an einem Fahrzeugsitz erfassen kann.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Kraftmessbolzen 1 gezeigt, der als Schraube mit einem Gewinde 2 und einer hier nicht dargestellten Mutter und einem Anschlag 3 ein Befestigungselement für eine hier ebenfalls nicht gezeigte Sitzschale eines Kraftfahrzeuges an einem Untergestell an der Karosserie des Fahrzeugs darstellt. Der Bereich 4 des Kraftmessbolzens 1 ist als eine Kraftmesszelle zur Messung der Kräfte zwischen der Sitzschale und dem Untergestell ausgebildet, wobei der Kraftmessbolzen quer zur Hauptkrafteinleitungsrichtung der Kräfte F1 und F2 liegt.
In der 1 ist eine Einpunktlagerung der kraftübertragenden Elemente an der Kraftmesszelle 4 gezeigt, bei der beispielsweise die Sitzschale die Kraft F1 und das Untergestell gegenüberliegend die Kraft F2 in die Messzelle 4 über entsprechend durch die Schraubverbindung gehaltene Trägerteile einleitet. Aus 2 ist dagegen eine Zweipunktlagerung der Kraftmesszelle zu entnehmen, bei der die Sitzschale die Kraft F1 und das Untergestell die Kraft F2 und F3 beidseitig zur Kraft F1 in die Messzelle 4 einleitet.
Der Kraftmessbolzen 1 weist im Bereich der Kraftmesszelle 4 radiale Spalte 5, 6, 7, 8 und einen axialen Spalt 9 auf, deren Spaltbreite sich bei Belastung in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kräfte F1 und F2, bzw. F1 und F2, F3 zwischen der Sitzschale und dem Untergestell ändert.
Durch den zuvor beschriebenen Aufbau ergeben sich drei Messfedern 10, 11, 12 als Teilringfedern zur Aufnahme der Druck- bzw. Zugkräfte F1, F2 und F3. Der Kraftmessbolzen 1 nach der 1 ist dabei derart angeordnet, dass die Kraft F1 von der Sitzschale insbesondere auf die Messfeder 10 geleitet ist und sich der Kraftmessbolzen 1 insbesondere mit der Messfeder 12 auf dem Untergestell abstützt. Andererseits wird beim Ausführungsbeispiel nach der 2 die Kraft F1 von der Sitzschale insbesondere auf die mittlere Messfeder 11 geleitet ist und der Kraftmessbolzen 1 stützt sich insbesondere mit den Messfedern 10 und 12 auf dem Untergestell ab. Der Kraftmessbolzen 1 nach den 1 und 2 kann auch mittels einer Abflachung im Bereich 4 gegen ein Verdrehen in dem jeweiligen Gestell gesichert sein.
Die Sensorfunktion des Kraftmessbolzens 1 kann dadurch realisiert werden, dass zur Messung der Spaltbreite zwischen den Messfedern 10, 11 und 12 bzw. im axialen Spalt 9 mindestens ein Magnet und mindestens ein Hallelement im Bereich der Spalte 5, 6, 7, 8, 9 derart angeordnet sind, dass eine Änderung der jeweiligen Spaltbreite eine Änderung des mit dem Hallelement messbaren magnetischen Flusses bewirkt wird. Somit kann das kraftproportionale Magnetfeld mit der erfindungsgemäßen Anordnung berührungslos im jeweiligen Luftspalt zwischen den Messfedern 10, 11 und 12 abgegriffen werden.

Claims

Kraftsensor mit – einem Befestigungselement zwischen einem Ober- und einem Untergestell, in dem eine Kraftmesszelle (4) zur Messung der Kräfte (F1, F2, F3) zwischen dem Ober- und dem Untergestell angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kraftmesszelle (4) Bestandteil eines Kraftmessbolzens (1) ist, der quer zur Hauptkrafteinleitungsrichtung zwischen dem Ober- und dem Untergestell angeordnet ist und mindestens einen radialen Spalt (5, 6, 7, 8) aufweist, dessen mit einem Sensor messbare Spaltbreite sich in Abhängigkeit von der Größe und der Richtung der Kräfte (F1, F2, F3) zwischen dem Ober- und dem Untergestell ändert.
Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass – vier radiale Spalte (5, 6, 7, 8) angeordnet sind, durch die drei Messfedern (10, 11, 12) zur Aufnahme der im Kraftmessbolzen (1) auftretenden Druck- und/oder Zugkräfte (F1, F2, F3) gebildet sind.
Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zusätzlicher axialer Spalt (9) angeordnet ist.
Kraftsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kraftmessbolzen (1) zwischen dem Ober- und dem Untergestell derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Kraft (F1) vom Obergestell auf eine seitlich liegende Messfeder (10) geleitet ist, wobei sich der Kraftmessbolzen (1) mit einer anderen seitlichen Messfeder (12) auf dem Untergestell abstützt.
Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kraftmessbolzen (1) zwischen dem Ober- und dem Untergestell derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Kraft (F1) vom Obergestell auf die innere Messfeder (11) geleitet ist, wobei sich der Kraftmessbolzen (1) mit den zwei beidseitig dazu liegenden äußeren Messfeder (10, 12) auf dem Untergestell abstützt.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor zur Messung der Spaltbreite aus einem Magneten und mindestens einem Hallelement besteht, die im Bereich der Spalte (5, 6, 7, 8, 9) derart angeordnet sind, dass eine Änderung der jeweiligen Spaltbreite eine Änderung des mit dem Hallelement messbaren magnetischen Flusses bewirkt.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kraftmessbolzen (1) mittels einer Abflachung im Bereich (4) des anliegenden Ober- oder des Untergestells gegen ein Verdrehen in dem jeweiligen Gestell gesichert ist.
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kraftmessbolzen (1) mit dem Sensor zwischen einem einen Fahrzeugsitz tragenden Obergestell und dem am Fahrzeugchassis befestigten Untergestell angebracht ist.