DE10314449A1 - Sensoranordnung zur Kraftmessung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Detektion von mechanischen Kräften (F) mit mindestens einem magnetfeldabhängigen Sensorelement (3; 14; 16, 17) vorgeschlagen, bei dem das Ausgangssignal des Sensorelements (3; 14; 16, 17) von der Auslenkung eines mechanischen Bauteils (1; 12) im Magnetfeld aufgrund der Krafteinwirkung abhängt. Das mechanische Bauteil ist hier eine Feder (1; 12), die aufgrund der Krafteinwirkung ihre Lage im Magnetfeld ändert und die Bestandteil eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (14; 16, 17) sich im Kraftfluss der Bremszange befindet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Kraftmessung, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
  • Es ist beispielsweise für sich gesehen bekannt, dass an drehenden Teilen, die mit einem Wälzlager geführt sind, wie z.B. am Radlager eines Kraftfahrzeuges, verschiedene Messgrößen auftreten, welche von hoher Relevanz für die antreibenden Systeme und gegebenenfalls auch für die Bremssysteme sind. Die so gelagerten Bauteile sind oft Bestandteile von Antiblockiersystemen, Antischlupfregelungen oder sonstigen das Fahrverhalten oder die Fahrsicherheit positiv beeinflussenden Steuerungssystemen. Hierbei kann es von großer Bedeutung sein, Messdaten z.B. über die Drehzahl, die Kräfte, die von der Fahrbahn über das Rad auf das Fahrzeug übertragen werden, oder auch über die Beschleunigung und über die Bremskräfte zu erhalten.
  • Als Anwendungsfälle kommen hierbei insbesondere hydraulische Bremssysteme oder auch z.B. aus der DE 196 52 230 A1 bekannte elektro-mechanische Bremssysteme sowie ebenfalls an sich bekannte elektromechanische Bremssysteme mit Selbstverstärkung in Betracht. Solche elektromechanische Bremsen, speziell auch Scheibenbremsen, benötigen in der Regel Informationen über die aufgebrachte Normalkraft bei der Anpressung der Bremsbeläge an die Bremsscheibe. Dazu werden im allgemeinen geeignete Kraftsensoren verwendet.
  • Aus der DE 197 53 554 A1 ist ein solcher aktiver Magnetfeld-Kraftsensor bekannt, bei dem ein mit einer Messkraft beaufschlagtes magnetoelastisches Messelement vorhanden ist, welches in einem zirkularen Magnetfeld derart angeordnet ist, dass eine durch die Messkraft bewirkte Änderung des Magnetfeldes beispielsweise mit einem anisotropen magnetoresistiven Sensor (AMR-Sensor) ausgewertet werden kann.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine Sensoranordnung zur Detektion von mechanischen Kräften mit mindestens einem magnetfeldabhängigen Sensorelement der gattungsgemäßen Art wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass das mechanische Bauteil eine Feder ist, die aufgrund der Krafteinwirkung ihre Lage im Magnetfeld ändert. Bei einer bevorzugten Anwendung ist die Feder Bestandteil eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug und das mindestens eine Sensorelement befindet sich im Kraftfluss der Bremszange.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform befindet sich das mindestens eine Sensorelement auf einer Seite der Bremszange einer Scheibenbremse als Bremssystem und ein Elektromotor zur Erzeugung einer Zuspannkraft befindet sich auf der anderen Seite der Bremszange.
  • Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind das mindestens eine Sensorelement und ein Elektromotor zur Erzeugung einer Zuspannkraft auf einer Seite der Bremszange einer Scheibenbremse angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft ist es bei allen möglichen Ausführungsformen, wenn das mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensorelemente ein AMR- oder GMR-Sensor ist. Solche AMR- (Anisotrop Magneto Resistance) oder auch GMR- (Giant Magneto Resistance) Sensoren messen die Richtung der Feldlinien die durch das Sensorelement dringen. Dadurch kann auch der Versatz des Sensorelements in horizontaler Richtung zum Magnetpolübergang durch die Magnetfeldänderung an einem Magnet bestimmt werden.
  • Bevorzugt ist der Magnet zur Erzeugung des benötigten Magnetfeldes direkt neben dem Sensorelement angeordnet; es ist jedoch auch möglich, diese Magnete räumlich etwas abgesetzt anzuordnen, wobei lediglich die Feldlinien am Sensorelement vorbeigeführt werden müssen.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines AMR- oder GMR-Sensors in Verbindung mit einem federnden Element in einer elektromechanischen Bremse kann die Bremskraftsensierung einfach und kostengünstig erreicht werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass durch die Kombination eines federnden Elements mit einer Wegmessung ein Kraftsensor entsteht. Das federnde Element kann im Einsatz in einer Bremse vorzugsweise ein Teil des Bremssattels sein.
  • Zusammenfassend ergeben sich dabei Vorteile der Erfindung insbesondere durch das kostengünstige und kleinbauende Messprinzip bei dem die Genauigkeitsanforderungen des Abstands zwischen dem Magneten und dem Sensorelement unkritisch sind. Es können weiterhin durch die Kombination einer Feder mit dem Sensor nichtlineare Kennlinien erzeugt werden, wobei bei geringen Kräften größere Hübe und bei hohen Kräften geringere Hübe entstehen; dies wirkt sich positiv auf das Verhalten der Bremse aus, da bei hohen Bremsmomenten eine geringere Genauigkeit ausreichend ist, eine hohe Genauigkeit bei geringen Kräften jedoch zwingend erforderlich ist.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensoranordnungen als Kraftsensor werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipansicht einer mit einer Kraft beaufschlagten Feder die mit einem magnetfeldabhängigen Sensor zusammenwirkt,
  • 2 ein Bremssystems für ein Kraftfahrzeug mit einer Scheibebremse, bei der in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Sensorelement und ein Elektromotor zur Erzeugung der Zuspannkraft auf verschiedenen Seiten der Bremszange angeordnet sind,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, das in Abwandlung zur 1 zwei Sensorelemente aufweist und
  • 4 ein drittes abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit Sensorelementen, die auf der gleichen Seite der Bremszange wie der Elektromotor angeordnet sind.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist zur Erläuterung der Funktionsweise eine Skizze gezeigt, in der eine Feder 1 bei einer Beauf schlagung mit einer Kraft F einen Magneten 2 derart auslenkt, dass mit einem Sensorelement 3 als Kraftsensor eine Änderung des Magnetfeldes detektierbar ist. Solche Sensorelemente, beispielsweise in der zuvor erwähnten AMR- bzw. GMR- Technik, messen die Richtung der Feldlinien die durch das Sensorelement 3 dringen. Dadurch kann auch der Versatz des Sensorelements 3 in horizontaler Richtung zum Magnetpolübergang durch die Magnetfeldänderung am Magneten 2 bestimmt werden.
  • Das Prinzip der Erfindung kann vorzugsweise bei elektromechanischen selbstverstärkenden Bremsen an einer Bremsscheibe realisiert werden, wobei das Prinzip auch in einer klassischen elektromechanischen Bremse funktioniert. Die Art der Betätigung der Bremse ist hierbei allerdings nicht relevant. Das Sensorelement 3 dient dann zur Erfassung der Normalkraft F, mit der die Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe gedrückt werden. Der Weg x der Feder 1 ist von der anliegenden Kraft F und der Federkonstante c abhängig nach der Beziehung:
    Figure 00050001
  • Die anhand der 1 beschriebenen Elemente können gemäß 2 in das Bremssystem eines Kraftfahrzeuges integriert werden, wobei nur gewährleistet werden muss, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung im Kraftfluss einer Bremszange 9 mit einem selbstverstärkenden Lager 8 liegt. Dies kann an verschiedenen Stellen der Fall sein. Bei der Anordnung nach der 2 greifen Bremsbeläge 10 an eine Bremsscheibe 11 an, wobei ein Elektromotor 13 über eine Motorspindel 15 auf der einen Seite der Bremszange 9 und eine Feder 12 und ein AMR-Sensorelement 14 auf der anderen Seite der Bremszange 9 angeordnet ist.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach 3 sind im Unterschied zum Beispiel nach der 2 zwei AMR-Sensorelemente 16 und 17 symmetrisch zur Feder 12 angebracht.
  • Aus 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem die AMR-Sensorelemente 16 und 17 in der Abstützplatte einer selbstverstärkenden Bremse auf der gleichen Seite wie der Elektromotor 13 angebracht sind. Möglich sind noch weitere hier nicht dargestellte Ausführungsbeispiele, bei denen z.B. die Sensorelemente hinter dem Abstützlager einer klassischen elektromagnetischen Bremse angeordnet sind.

Claims (5)

  1. Sensoranordnung zur Detektion von mechanischen Kräften (F) mit mindestens einem magnetfeldabhängigen Sensorelement (3; 14; 16, 17), – wobei das Ausgangssignal des Sensorelements (3; 14; 16, 17) von der Auslenkung eines mechanischen Bauteils (1; 12) im Magnetfeld aufgrund der Krafteinwirkung abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass – das mechanische Bauteil eine Feder (1; 12) ist, die aufgrund der Krafteinwirkung ihre Lage im Magnetfeld ändert.
  2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Feder (12) Bestandteil eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug ist und das mindestens eine Sensorelement (14; 16, 17) sich im Kraftfluss der Bremszange (9) befindet.
  3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine Sensorelement (14; 16, 17) sich auf einer Seite der Bremszange (9) einer Scheibenbremse (11) als Bremssystem befindet und ein Elektromotor (13) zur Erzeugung einer Zuspannkraft sich auf der anderen Seite der Bremszange (9) befinden.
  4. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine Sensorelement (14; 16, 17) und ein Elektromotor (13) zur Erzeugung einer Zuspannkraft sich auf einer Seite der Bremszange (9) einer Scheibenbremse (11) als Bremssystem befinden.
  5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensorelement (3; 14; 15, 17) ein AMR- oder GMR-Sensor ist.
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