DE10307978A1 - Force measurement device for determining the force applied to brake shoes or blocks, has a disk-shaped force sensor with a resistive measurement bridge - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf die Bremsklötze eines Kraftfahrzeugs ausgeübten Kraft, welche aus dehnungsempfindlichen Messwiderständen, die geometrieabhängige elektrische Widerstandswerte aufweisen und einem dehnbaren Kraftaufnehmer aufgebaut ist, wobei die dehnungsempfindlichen Messwiderstände auf der Oberfläche des dehnbaren Kraftaufnehmers aufgebracht sind und die in den Kraftaufnehmer eingeleitete Kraft über dessen Dehnung eine Dehnung der dehnungsempfindlichen Messwiderstände verursacht.The invention relates to a device for determining a force, for example one from an actuator on the brake blocks exercised in a motor vehicle Force resulting from strain sensitive measuring resistors geometry-dependent have electrical resistance values and an extensible force transducer is built up, with the strain-sensitive measuring resistors the surface of the stretchable force transducer are applied and in the force transducer initiated force over whose elongation causes an elongation of the strain-sensitive measuring resistors.
Ein Vorrichtung zur Bestimmung einer
Kraft der eingangs genannten Art ist aus der
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass der Kraftring bei dessen Anwendung als Sensors in einer Kraftfahrzeugbremse, als zusätzliches Bauteil in die Bremse integriert werden muss. Dieses Bauteil muss sehr nah an den thermisch stark belasteten Bauteilen der Bremse positioniert werden. Durch Verschmutzungen auf der Oberfläche des Kraftringes und thermische Belastungen der Messstreifen können bedeutende Messfehler entstehen. Darüber hinaus weist der Kraftring nach dem Stand der Technik eine relativ komplexe äußere Form auf.A disadvantage of this device is that the force ring when used as a sensor in a motor vehicle brake, as an additional Component must be integrated into the brake. This component must be very positioned close to the thermally heavily loaded components of the brake become. Due to dirt on the surface of the force ring and thermal Loads on the measuring strips can significant measurement errors arise. In addition, the power ring a relatively complex external shape according to the prior art on.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft der eingangs genannten Art anzugeben, die als Teil von ohnehin im Kraftfluss vorhandnen Bauelementen einfach ausgebildet werden kann und die leicht vor thermischen Belastungen und vor Verschmutzungen geschützt werden kann.The invention is based on the object a device for determining a force of the aforementioned Specify the type that is part of the power flow anyway Components can be easily formed and easily before thermal loads and be protected from contamination can.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der dehnbare Kraftaufnehmer scheibenförmig ausgebildet ist.According to the invention the object is achieved in that the stretchable force transducer is disc-shaped.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Kraftaufnehmer als einfaches, rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet ist. Ein solches Bauteil ist in der Regel im Kraftfluss von kraftübertragenden Baugruppen ohnehin vorhanden, was die Integration eines weiteren Bauteils im Kraftfluss unnötig macht.The invention has the advantage that the force transducer as a simple, rotationally symmetrical component is trained. Such a component is usually in the power flow of power transmission Assemblies available anyway, which is the integration of another Component unnecessary in the power flow makes.
Bei einer ersten Weiterbildung sind die dehnungsempfindlichen Messwiderstände auf der Oberfläche des Kraftaufnehmers auf mindestens zwei zum Mittelpunkt des scheibenförmigen Kraftaufnehmers konzentrischen Kreisen angeordnet. Bei dieser Anordnung der Messwiderstände ergibt sich ein besonders gutes Messsignal.At a first training course the strain sensitive measuring resistors on the surface of the Force transducer on at least two to the center of the disk-shaped force transducer arranged in concentric circles. With this arrangement of the measuring resistors results a particularly good measurement signal.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist der scheibenförmige Kraftaufnehmer eine zentrales Loch auf. Dies hat den Vorteil, dass eine weiteres Bauteil, zum Beispiel die Spindel einer elektromechanischen Kraftfahrzeugbremse, durch das zentrale Loch durchgreifen kann und so die notwendigen Kräfte dem kraftübertragenden System zuleiten kann. Durch eine vorteilhafte Anpassung des Durchmessers des zentralen Lochs kann das Dehnungsverhalten des Kraftaufnehmers beeinflusst werden.In one embodiment of the invention shows the disc-shaped Force transducers have a central hole. This has the advantage that another component, for example the spindle of an electromechanical Motor vehicle brake, can reach through the central hole and so the necessary powers the power transmission System can deliver. Through an advantageous adjustment of the diameter the central hole can affect the elongation behavior of the force transducer to be influenced.
Bei einer Weiterbildung ist eine erste Gruppe dehnungsempfindlicher Messwiderstände auf einem zum zentralen Loch konzentrischen inneren Kreis auf dem Kraftaufnehmer angeordnet und eine zweite Gruppe dehnungsempfindlicher Messwiderstände ist auf einem zum zentralen Loch konzentrischen äußeren Kreis auf dem Kraftaufnehmer angeordnet, wobei benachbarte Messwiderstände der jeweiligen Gruppe äquidistant angeordnet sind. Die Anordnung der Messwiderstände auf zwei konzentrischen Kreisen erzeugt einen besonders deutlichen Messeffekt, da die Widerstände bei Belastung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers auf dem inneren Kreis signifikant anders gedehnt werden als die auf dem äußern Kreis.In the case of further training, one is first group of strain-sensitive measuring resistors on one to the central one Hole concentric inner circle arranged on the force transducer and a second group of strain sensitive measuring resistors is on an outer circle concentric to the central hole on the force transducer arranged, with adjacent measuring resistors of the respective group equidistant are arranged. The arrangement of the measuring resistors on two concentric Circles create a particularly clear measurement effect, since the resistances at Load of the force transducer according to the invention stretched significantly differently on the inner circle than that on the outer circle.
Bei einer nächsten Weiterbildung sind mindestens vier dehnungsempfindliche Messwiderstände zu mindestens einer elektrischen Messbrücke verschaltet. Elektrische Brückenschaltungen liefern sehr genaue Messergebnisse, da schon eine kleine Änderung des elektrischen Widerstandswertes eines zur Brücke gehörenden Messwiderstandes zu einer deutlich messbaren Verstimmung der Messbrücke führt.At a next training are at least four strain-sensitive measuring resistors to at least one electrical measuring bridge connected. Electric bridge circuits deliver very precise measurement results, since there is a small change the electrical resistance value of a measuring resistor belonging to the bridge leads to a clearly measurable detuning of the measuring bridge.
Bei einer nächsten Ausführungsform erfolgt die Krafteinleitung konzentrisch im Bereich des Lochs des Kraftaufnehmers und die Kraftausleitung erfolgt konzentrisch im Bereich des äußeren Randes des Kraftaufnehmers. Auf Grund der symmetrischen Belastung des Kraftaufnehmers ergeben sich optimale Dehnungswerte, wobei der Kraftaufnehmer sehr hohe Kräfte aufnehmen kann.In a next embodiment, the force is applied concentric in the area of the hole of the force transducer and the force is diverted concentric in the area of the outer edge of the Force transducer. Due to the symmetrical load on the load cell there are optimal elongation values, with the load cell very much high forces can record.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Kraftaufnehmer einstückig mit einer Hülse ausgebildet. Da zum Beispiel in der elektromechanischen Kraftfahrzeugbremse ohnehin ein Führungselement, das aus einer gelochten Scheibe und einer Hülse aufgebaut ist, benötigt wird, ist es vorteilhaft den scheibenförmigen Abschnitt des Führungselements als Kraftaufnehmer auszubilden und in Kombination mit den Messwiderständen eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft zu schaffen.In one possible embodiment the force transducer is in one piece with a sleeve educated. For example, in the electromechanical motor vehicle brake anyway a leadership element that is made up of a perforated disc and a sleeve, it is advantageous the disc-shaped Section of the guide element to be designed as a force transducer and in combination with the measuring resistors To create a device for determining a force.
Bei einer Ausführungsform sind die dehnungsempfindlichen Messwiderstände auf ein dehnbares, scheibenförmiges Substrat aufgebracht, dessen Durchmesser vorzugsweise kleiner oder gleich dem des Kraftaufnehmers ist und das konzentrisch auf dem Kraftaufnehmer angeordnet und fest mit diesem verbunden ist. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Messwiderstände zunächst mit einem Substrat, das zum Beispiel als dünne Folie ausgebildet sein kann, verbunden werden und dann zusammen mit dem Substrat auf den Kraftaufnehmer aufgebracht werden. Zum einen ist es vorstellbar, dass das Substrat beim Verbindungsprozess mit dem Kraftaufnehmer erhalten bleibt und fortan eine Zwischenschicht zwischen den Messwiderständen und dem Kraftaufnehmer bildet. Zum anderen ist es aber auch möglich das Substrat, zum Beispiel in einem Einbrennprozess, thermisch zu vernichten, wobei die Messwiderstände wiederum direkt mit dem Kraftaufnehmer in Verbindung kommen. Aus diesen Möglichkeiten kann der Fachmann den Umständen nach auswählen.In one embodiment, the strain-sensitive measuring resistors are applied to an expandable, disk-shaped substrate, the diameter of which is preferably less than or equal to that of the force transducer and which is arranged concentrically on the force transducer and firmly attached to it sem is connected. It can be advantageous if the measuring resistors are first connected to a substrate, which can be formed, for example, as a thin film, and then applied to the force transducer together with the substrate. On the one hand, it is conceivable that the substrate is retained during the connection process with the force transducer and from then on forms an intermediate layer between the measuring resistors and the force transducer. On the other hand, it is also possible to thermally destroy the substrate, for example in a baking process, the measuring resistors in turn coming into direct contact with the force transducer. The person skilled in the art can choose from these possibilities according to the circumstances.
Alternativ dazu sind die dehnungsempfindlichen Messwiderstände direkt auf dem Kraftaufnehmer aufgebracht. Da der Kraftaufnehmer in der Regel aus metallischem Material besteht, ist bei dieser Ausgestaltung zuvor eine Isolationsschicht auf dem Metall zu bilden. Dies gelingt zum Beispiel in einem sogenannten Verzunderungsprozess, bei dem unter Anwendung von Sauerstoff und hohen Temperaturen eine Metalloxidschicht auf der Metalloberfläche entwickelt wird. Eine Solche Metalloxidschicht bildet eine gut haftende Isolationsschicht, mit der die Messwiderstände innig verbindbar sind.Alternatively, they are strain sensitive Sense resistors applied directly to the force transducer. Because the force transducer usually consists of metallic material, is in this embodiment to form an insulation layer on the metal beforehand. This succeeds for example in a so-called scaling process, in which a layer of metal oxide using oxygen and high temperatures on the metal surface is developed. Such a metal oxide layer forms a well-adhering one Insulation layer with which the measuring resistors can be intimately connected.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kraftaufnehmer aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht. Stahl oder Stahllegierungen besitzen eine hervorragende Dehnbarkeit und der zuvor beschriebene Verzunderungsprozess kann bei diesen Metallen sehr gut durchgeführt werden.It is particularly advantageous if the force transducer is made of steel or a steel alloy. Steel or steel alloys have excellent ductility and the scaling process described above can with these Metals performed very well become.
Bei einer Ausgestaltung ist der Stahl oder die Stahllegierung thermisch härtbar. Thermisch härtbare Stähle verändern bei der thermischen Behandlung ihre Dehnbarkeit, was vorteilhaft bei der Herstellung der Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft eingesetzt werden kann.In one configuration, the steel is or the steel alloy is thermally hardenable. Thermally hardenable steels change at the thermal treatment its elasticity, which is advantageous in used to manufacture the device for determining a force can be.
Bei eine Weiterbildung sind die dehnungsempfindlichen Messwiderstände formschlüssig mit dem Substrat und/oder dem Kraftaufnehmer verbunden. Dazu können zum Beispiel Ausnehmungen auf dem Substrat vorhanden sein, in die eine Widerstandspaste eingebracht wird, die dann in einem thermischen Prozess zum Messwiderstand ausgehärtet wird. Durch die Ausnehmungen ist ein wohldefiniertes Volumen mit Widerstandspaste befüllbar und nach dem Aushärten der Paste besteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und/oder dem Kraftaufnehmer und den Messwiderständen. Dadurch werden genau definierte Widerstandswerte erreicht und die Messwiderstände können sich kaum vom Substrat und/oder dem Kraftaufnehmer lösen.In the case of further training, those that are sensitive to stretching are Sense resistors form-fitting connected to the substrate and / or the force transducer. You can do this at Example recesses may be present on the substrate, in the one Resistance paste is introduced, which is then in a thermal Process for measuring resistance is cured. Through the recesses a well-defined volume can be filled with resistance paste and after curing the paste is form-fitting Connection between the substrate and / or the force transducer and the measuring resistors. This achieves precisely defined resistance values and the Sense resistors can can hardly separate from the substrate and / or the force transducer.
Es ist vorteilhaft, wenn die dehnungsempfindlichen Messwiderstände und/oder die die Messwiderstände verbindenden elektrischen Leitungen auf das Substrat und/oder den Kraftaufnehmer in Dickschichttechnik aufgebracht sind. Alternativ dazu sind die dehnungsempfindlichen Messwiderstände und/oder die die Messwiderstände verbindenden elektrischen Leitungen auf das Substrat und/oder den Kraftaufnehmer in Dünnschichttechnik aufgebracht. Sowohl die Dickschichttechnologie als auch die Dünnschichttechnologie sind moderne Verfahren, mit denen in einfacher Weise Leiterbahnen und Widerstände in guter Qualität auf planaren Oberflächen hergestellt werden können.It is beneficial if the stretch sensitive Sense resistors and / or the measuring resistors connecting electrical lines on the substrate and / or Force transducers are applied in thick-film technology. alternative for this are the strain-sensitive measuring resistors and / or the electrical connecting the measuring resistors Lines to the substrate and / or the force transducer using thin-film technology applied. Both thick-film technology and thin-film technology are modern processes with which conductor tracks can be easily carried out and resistors in good quality made on planar surfaces can be.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Hülse aus Stahl oder einer Stahllegierung. Auch bei der Hülse können die Dehnbarkeits- und Festigkeitseigenschaften von Stahl vorteilhaft genutzt werden. Wenn die Wandstärke der Hülse größer oder gleich der Dicke des scheibenförmigen Kraftaufnehmers ist, erfolgt die Dehnung in erster Linie im Kraftaufnehmer und die Hülse behält ihre Form unverändert bei. Dies ermöglicht eine sehr genaue Kraftmessung.In one configuration, the Sleeve out Steel or a steel alloy. The ductility and Strength properties of steel can be used to advantage. If the wall thickness the sleeve bigger or equal to the thickness of the disc-shaped Is force transducer, the expansion takes place primarily in the force transducer and the sleeve reserves their shape unchanged at. this makes possible a very accurate force measurement.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt die Krafteinleitung konzentrisch über einen zusätzlichen Ring, wobei der Ring einen keilförmigen Querschnitt aufweist und die Keilform derart gewählt ist, dass sich der Kraftaufnehmer nur bis zu der vom keilförmigen Ring vorgegebenen Grenze dehnen kann. Diese Anordnung ermöglicht einen sehr effektiven Überlastungsschutz für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft, da sich der Kraftaufnehmer ab einer bestimmten Belastung vollständig an den keilförmigen Querschnitt des Ringes anlegt und nicht weiter durchgebogen werden kann.With an advantageous further education the force is applied concentrically via an additional one Ring, the ring being a wedge-shaped Has cross section and the wedge shape is selected such that the force transducer only up to that of the wedge-shaped Ring can stretch predetermined limit. This arrangement enables one very effective overload protection for the device according to the invention to determine a force, since the force transducer certain load completely on the wedge-shaped Cross-section of the ring creates and not be bent further can.
Bei einer nächsten Ausgestaltung ist der Kraftaufnehmer und/oder das Substrat durch radiale Begrenzungen in mehrere gleich große Sektoren unterteilt, wobei je ein Messwiderstand auf dem inneren und ein weiter Messwiderstand auf dem äußern Kreis zentral in jedem Sektor angeordnet ist und mindestens ein auf dem inneren Kreis angeordneter Messwiderstand mit mindestens einem auf dem äußeren Kreis angeordneten Messwiderstand zu einer elektrischen Messbrücke verbunden ist. Vorteilhaft dabei ist, dass mit dieser Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraft jede mögliche Dehnung des scheibenförmigen Kraftaufnehmers genau vermessen werden kann.In a next embodiment, the force transducer and / or the substrate by radial boundaries in several the same size Sectors divided, each with a measuring resistor on the inner and another measuring resistor on the outer circle centrally in each Sector is arranged and at least one arranged on the inner circle Measuring resistor with at least one measuring resistor arranged on the outer circle to an electrical measuring bridge connected is. It is advantageous that with this device to determine a force, every possible stretch of the disk-shaped force transducer can be measured precisely.
Vorteilhaft ist es, wenn auf dem Kraftaufnehmer und/oder auf dem Substrat ein weitere Messwiderstand angeordnet ist, der die Temperatur auf dem Kraftaufnehmer und/oder auf dem Substrat misst. Mit einem Messwert für die auf dem Kraftaufnehmer und/oder auf dem Substrat herrschende Temperatur kann eine Temperaturdrift der Messbrücke wirkungsvoll kompensiert werden.It is advantageous if on the Force transducer and / or another measuring resistor on the substrate is arranged, the temperature on the force transducer and / or on the substrate. With a measured value for that on the force transducer and / or temperature prevailing on the substrate can cause a temperature drift the measuring bridge be compensated effectively.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist auf dem dehnbaren Kraftaufnehmer eine Glasschicht mit einem hohen elektrischen Widerstand aufgebracht und die dehnungsempfindlichen Messwiderstände sind auf der Glasschicht angeordnet. Eine Glasschicht lässt sich leicht und kostengünstig auf einen metallischen Kraftaufnehmer aufschmelzen und sie bildet eine elektrisch sehr dichte Widerstandsschicht. Kurzschlüsse der Messwiderstände zu dem geerdeten Kraftaufnehmer werden hierdurch wirkungsvoll verhindert.In a further embodiment, a glass layer with a high electrical resistance is applied to the stretchable force transducer and the strain-sensitive measuring resistors are arranged on the glass layer. A glass layer can be melted easily and inexpensively onto a metallic force transducer and it forms an electrically very dense resistance layer. Short circuits of the measuring resistors to the earthed This effectively prevents force transducers.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren erläutert werden. Diese zeigen inThe invention leaves numerous embodiments to. One of these is said to be based on that shown in the drawings Figures explained become. These show in
Es ist aber auch denkbar, dass die
auf dem äußeren Kreis
Untereinander werden die Messwiderstände
Die dehnungsempfindlichen Messwiderstände
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Vorrichtung
Eine solche Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers
Im Fall der elektromechanischen Bremse wird
der Hydraulikzylinder durch ein Kugelgewindetrieb
Um den Anpressdruck der Bremsklötze
Die zu dieser Regelung notwendige
Verschaltung der dehnungsempfindlichen Widerstände
Für
dieses Ausführungsbeispiel
wurde die Verschaltung zur Wheatstoneschen Messbrücke
Wird jedoch eine Kraft in den Kraftaufnehmer
Die
In
Auch die Ausgestaltung nach
Ein ähnliches Prinzip ist in
In allen bisher betrachteten Ausführungsbeispielen
ist davon ausgegangen worden, dass die dehnungsempfindlichen Messwiderstände
Mit dem Kraftaufnehmer
Darüber hinaus ist auf dem Kraftaufnehmer
- 1.1.
- Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraftcontraption to determine a force
- 2.Second
- KraftaufnehmerLoad cell
- 3.Third
- dehnungsempfindlicher Messwiderstandstrain-sensitive measuring resistor
- 4.4th
- Loch im Kraftaufnehmerhole in the load cell
- 5.5th
- innerer Rand des Kraftaufnehmersinternal Edge of the force transducer
- 6.6th
- äußerer Rand des Kraftaufnehmersouter edge of the force transducer
- 7.7th
- Hülseshell
- 8.8th.
- innerer Kreisinternal circle
- 9.9th
- äußerer Kreisouter circle
- 10.10th
- Messbrückemeasuring bridge
- 11.11th
- Krafteinleitungapplication of force
- 12.12th
- KraftausleitungKraftausleitung
- 13.13th
- elektrischen Leitungenelectrical cables
- 14.14th
- Dicke des scheibenförmigen Kraftaufnehmersthickness of the disc-shaped load cell
- 15.15th
- Elektromotorelectric motor
- 16.16th
- erstes Zahnradfirst gear
- 17.17th
- zweites Zahnradsecond gear
- 18.18th
- Wellewave
- 19.19th
- KugelgewindetriebBall Screw
- 20.20th
- Schwimmsattelfloating caliper
- 21.21st
- Kragen an der Hülsecollar on the sleeve
- 22.22nd
- Fußfoot
- 23.23rd
- Bremsklotzbrake pad
- 24.24th
- Bremsscheibebrake disc
- 25.25th
- Messwertreading
- 26.26th
- Signalverarbeitungsignal processing
- 27.27th
- Treiberstufedriver stage
- 28.28th
- Bremssignal von Fahrzeugführerbrake signal from driver
- 29.29th
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 30.30th
- Wheatstonesche MessbrückeWheatstone measuring bridge
- 31.31st
- MasseDimensions
- 32.32nd
- Spannungsquellevoltage source
- 33.33rd
- Messpunktemeasuring points
- 34.34th
- Ring mit keilförmigem Querschnittring with wedge-shaped cross-section
- 35.35th
- Unterlegringwasher
- 36.36th
- krafteinleitendes Elementpowerful introductory element
- 37.37th
- Absatzparagraph
- 38.38th
- Ring mit quadratischem Querschnittring with a square cross section
- 39.39th
- Substratsubstratum
- 40.40th
- Spaltgap
- 41.41st
- weiterer MesswiderstandAnother measuring resistor
- 42.42nd
- radiale Begrenzungradial limit
- 43.43rd
- Sektorsector
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