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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einen Kraftmesselement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus
DE 37 02 271 A1 ist ein Biegekraftaufnehmer bekannt. Aus der Offenlegungsschrift
US 4,424,717 A ist außerdem ein gattungsgemäßes Kraftmesselement bekannt, das einen Doppelbiegebalken aufweist, wobei an einem der zwei Biegebalken zwei Dehnungsmessstreifen zur Kraftmessung angeordnet sind. Aus der Offenlegungsschrift
DE 100 09 168 A1 ist weiterhin ein Kraftmesselement bekannt, mit einem Einfachbiegebalken, dem ein magnetisches Messsystem zugeordnet ist. Ein weiterer Einfachbiegebalken mit einem optischen Messsystem ist aus der Offenlegungsschrift
DE 37 26 857 A1 bekannt. Ein Doppelbiegebalken mit einem kapazitiven Messsystem ist aus der Offenlegungsschrift
US 4,846,294 A bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftmesselement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass das Biegeelement einen Doppelbiegebalken aufweist, der pro Balken eine Federform verwirklicht, wobei der Doppelbiegebalken einseitig eingespannt ist und die Krafteinleitung senkrecht zur Längsrichtung des Doppelbiegebalkens erfolgt. Damit ist die Dehnungsverteilung bei Belastung in Kraftmessrichtung optimal. Außerdem wird die Bauform minimiert. In den anderen Raumrichtungen ist das Kraftmesselement durch die gewählte Form unempfindlich gegen Zerstörung durch Belastungen, die nicht in Kraftmessrichtungen wirken. Die Federform ist dabei so ausgeführt, dass die Dehnungsverteilung und Kraftmessrichtung optimal ist. D. h., es kann eine große Auslenkung erreicht werden, ohne dass der Werkstoff mechanisch versagt. Als ein Versagenskriterium kann hierbei beispielsweise die elastische Dehnungsgrenze oder die Dauerlastfestigkeit verwendet werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Kraftmesselements möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Doppelbiegebalken aus quadratischen oder rechteckigen oder kreisförmigen oder semikreisförmigen Ursprungsmaterialien gefertigt werden kann. Die Federform kann mit einem Durchbruch und mit einem zur Federmitte hin verjüngenden Keil hergestellt werden. Die Federform selber ist so optimiert, dass Momente und Querkräfte eine weitestgehend gleichmäßige Spannungsverteilung an der Oberfläche unter Lasteinwirkung in Messrichtung bewirken. Dazu ist die Federform in der Form eines sich zur Mitte hin verjüngenden Doppelkeils ausgeführt, welche eine gleichmäßige Verteilung der Dehnungsmaxima bewirkt. Die Anschlussradien sind in der Form angepasst und stellen einen in ihrer Dehnungsverteilung optimierten Kurvenverlauf dar, der einen besonders gleichmäßigen Übergang vom hochbelasteten Bereich in das gering gedehnte Ursprungsmaterial ermöglicht. Die doppelkeilförmige Federform bewirkt eine sehr gleichmäßige Verteilung der im Federbereich wirkenden maximalen Dehnungen. Damit wird insbesondere bei Kraftmessung, bei der die Auslenkung bzw. der Weg gemessen wird, für eine vorgegebene Kraft ein maximaler Weg erreicht, ohne dass die im Material zulässige Dehnung überschritten wird. Um diese optimale Verteilung der Dehnungen zu erreichen, sind die geometrischen Parameter des Kraftmesselements aufeinander abzustimmen. Dabei können beispielsweise finite Elementerechnungen eingesetzt werden. Bei Federn aus Ursprungsmaterialien mit rechteckigem oder semikreisförmigen Querschnitt können die äußeren Verjüngungen entfallen. Wesentlich ist, dass die Feder im Mittenbereich sich gleichförmig verjüngt. Leichte Abweichung von der geraden Form können noch eine weitere, wenn auch nur geringe Verbesserung der Spannungsverteilung erbringen. Auch Übergänge können entsprechend angepasst werden. Wesentlich hierbei ist, dass diese Form näherungsweise eine elliptischen Form entspricht, die ohne oder nahezu ohne sprungartige Änderung der Steigung in die Feder bzw. in den Ansatz des Ursprungsmaterials übergeht.
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Als Messsystem wird vorteilhafter Weise ein Wegsensor verwendet. Der Wegsensor kann vorteilhafter Weise im Drehpunkt der Verkippungsbewegung angeordnet sein. Dies ermöglicht, dass bei der Belastung des Biegebalkens mit einem Moment in x-Richtung der Sensor nur um die x-Achse gedreht wird, es erfolgt jedoch keine Auslenkung in z-Richtung und damit ergibt sich kein unerwünschtes Messsignal bei Belastung des Biegebalkens mit einem Drehmoment um die x-Achse. Der Doppelbiegebalken selbst ermöglicht eine Unterdrückung der Querkräfte Fx und Fy und der Momente Mz und My, da er unter diesen Belastungen erheblich steifer ist.
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Als Wegsensor kann eine induktive Messung verwendet werden, beispielsweise durch Verwendung eines Hall-Elements, wobei dabei eine magnetfelderzeugende Referenz und als magnetfeldsensitives Element das Hall-Element verwendet werden kann. Alternativ ist es noch möglich, optisch oder kapazitiv zu messen. Die Krafteinleitung kann vorzugsweise über eine Hülse erfolgen. Ansonsten ist es vorteilhaft, die Kraft am Ende des Biegebalkens einzuleiten. Der Wegsensor kann durch stabförmige Verlängerungen von den Balkenenden an den optimalen Messort geführt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Wegsensor über eine Befestigung an der Hülse und einen Stab am eingespannten Balkenanfang an den optimalen Messort zu führen.
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Die Ausführungsform des Biegebalkens kann bei dem Messprinzip auch eine andere Federform sein, nicht notwendigerweise eine Doppelfeder, so dass eine einfache oder drei oder mehr parallele Federn mit diesen erfindungsgemäßen Messprinzip möglich sind. Die beschriebene Momentenunempfindlichkeit gegenüber Mx existiert durch die Wahl des optimalen Orts für das Wegmesssystem auch in diesen Fällen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine erste schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
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2 eine erste schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements in Perspektive,
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3 eine zweite perspektivische Darstellung des Kraftmesselement,
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4 verschiedene Querschnittsformen des Kraftmesselements,
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5a und b zwei weitere Seitenansichten des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
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6 eine Form des Übergangs der Federform,
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7 eine perspektivische Darstellung des Kraftmesselements mit Hervorhebungen von Hochdehnungsbereichen,
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8 eine weitere Seitenansicht des Kraftmesselements mit einem Wegsensor,
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9 eine Seitenansicht des Kraftmesselements mit einer Hülse,
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10 ein Dreifach-Federsystem und
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11 ein Einfach-Federsystem.
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Beschreibung
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Bei bekannten Kraftsensoren, die die Biegung eines Biegeelements nutzen, sind Dehnmessstreifen oder piezoresistive Strukturen zur Messung der Dehnung des Biegeelements appliziert bzw. wird die Auslenkung von Biegeelementen mit wegmessenden Systemen erfasst. Bekannte Formen der Biegeelemente sind s- oder stabförmige Elemente. Diese Elemente haben allerdings einen konstanten Querschnitt. Nachteilig an diesen Formen ist die ungleichmäßige Dehnungsverteilung bei Belastung in Messrichtung und damit einhergehend eine große Bauform.
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Erfindungsgemäß wird eine Federform vorgeschlagen, die eine optimale Dehnungsverteilung bei Belastung in Kraftmessrichtung ermöglicht. Dadurch wird die Bauform minimiert, während in den anderen Richtungen das Kraftmesselement durch die gewählte Form unempfindlich gegen Zerstörung durch Belastungen ist.
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Das Kraftmesselement soll inbesondere in Kraftfahrzeugen zur Anwendung gelangen. Dabei ist vorzugsweise ein Einsatz als Gewichtsmesssensoren in den Fahrzeugsitzen gedacht.
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1 zeigt in einer Seitenansicht das erfindungsgemäße Kraftmesselement 14. Das Kraftmesselement 14 weist einen Durchbruch 16 auf, der in Längsrichtung von zwei Federn 12 und 13, die hier Biegebalken sind, umgeben ist. Die Kraft wird am Ende des Biegebalkens am Ort 15 in z-Richtung eingeleitet. In 1 ist in einem Koordinatensystem angegeben, dass die z-Richtung quer zum Biegebalken 14 ist, während die Längsrichtung durch die y-Achse dargestellt ist. Der Doppelbiegebalken 14 ist an einer Wand 17 einseitig eingespannt, beispielsweise durch eine Fügetechnik oder durch eine Verschraubung. Im Durchbruch sind zwei gegenüber stehende Halbbalken angeordnet, auf denen das Messsystem 10 sitzt. Es wird hier beispielhaft ein Wegsensor verwendet, bei dem beispielsweise ein Hall-Sensor als Messelement und ein Magnet als Referenz verwendet wird. Es sind weitere Sensoren alternativ oder zusätzlich möglich. Dazu zählen beispielsweise Dehnmessstreifen.
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Durch die Strichelung ist angegeben, was bei Krafteinleitung in z-Richtung passiert. Die nicht eingespannte Seite des Doppelbiegebalkens wird nach unten gedrückt, so dass das Messsystem 10 auf den Halbbalken eine Wegänderung sensiert. Die Wegänderung ist hier mit dem Kleinbuchstaben s bezeichnet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Doppelbiegebalkens. Der Doppelbiegebalken 21 ist an der Stelle 20 eingespannt, entweder wie oben dargestellt durch ein Gewinde oder durch ein stoffliches Fügen oder durch ein Weiterführen des Rundmaterials aus dem der Biegebalken gefertigt ist. Die Federformen 23 und 24 um den Durchbruch herum sind hier keilförmig und verjüngen sich zu ihrer Mitte hin. Der Doppelbiegebalken weist hier einen kreisförmigen Querschnitt 22 auf. Die Wegsensoranordnung wird hier wie auch im folgenden der Einfachheit halber weggelassen.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Doppelbiegebalkens. Der Doppelbiegebalken 30 ist wiederum an der Stelle 31 eingespannt und weist hier einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt 32 auf. Um den Durchbruch 33 sind wiederum die Federformen 34 und 35 angeordnet, die sich auch hier keilförmig zu Mitte hin verjüngen.
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4 erfasst die verschiedenen Querschnitte für den Doppelbiegebalken zusammen. In 4a ist der rechteckige Querschnitt angegeben, wobei der quadratische Querschnitt eine Sonderform dieses Querschnitts ist. In 4b ist der kreisförmige Querschnitt angegeben und in 4c der elliptische. In 4d ist ein semikreisförmiger Querschnitt gegeben, d. h. der Querschnitt weist Kreisbögen auf, aber auch gerade Begrenzungslinien.
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5a zeigt eine weitere Seitenansicht des erfindungsgemäßen Biegebalkens. Eine weitere ist auch in 5b angegeben. Durch die Seitenansichten sind hier Symmetrieachsen 50 gezeichnet. Es wird hier im besonderen auf die Federform eingegangen und die Parameter mit denen die Federform bestimmt wird. Angegeben sind hier äußere Verjüngungen I und II sowie innere Verjüngungen III und IV. Diese Verjüngungen laufen zur Mitte der Federn jeweils zu. An der oberen Feder sind die Mittelpunkte durch R1 für den äußeren und R2 für den inneren gekennzeichnet. Auch die Übergänge 54, 55 in den Ecken des Durchbruchs 53 sind hier derart optimiert, dass die Spannungsverteilung gleichmäßig verteilt wird. Die Übergänge sind hier mit S1, S2, S3 und S4 gekennzeichnet, wobei auf die Details in 6 eingegangen wird.
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5b zeigt den Doppelbiegebalken erneut in der Seitenansicht, wobei hier weitere Parameter zur Bestimmung des Doppelbiegebalkens, insbesondere der Federform angegeben sind. Mit d1 wird der Durchmesser der Feder an der dünnsten Stelle also in der Mitte, dort wo sie sich maximal verjüngt hat, angegeben. d2 bezeichnet einen Durchmesser im äußeren Bereich der Feder, wo er also möglichst dick ist. α1 bezeichnet einen Verjüngungswinkel wie auch α2. Der Parameter h1 zeigt den maximalen Abstand der Innenseite des Durchbruchs an der dünnsten Stelle zur Symmetrieachse an. Die Optimierung erfolgt mittels einer Optimierung am Rechner, insbesondere unter zur Hilfenahme einer finiten Elementeberechnung.
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6 zeigt nun die Form des Übergangs der Federform. Dabei sind die Übergänge S1, S2, S3 und S4 derart optimiert, dass an der Stelle 60 der Übergang in das Ursprungsmaterial, das ist das Rohmaterial ohne Steigungssprung vonstatten geht. Weiterhin ist der Übergang derart optimiert, dass an der Stelle 61 der Übergang in die Feder also in den Balken ebenfalls ohne Steigungssprung vonstatten geht. Damit ergibt sich insgesamt eine elliptische Form des Durchbruches mit den Durchmessern A und B. Das eine Ellipse zustande kommt, verlangt das Durchmesser A kleiner denn Durchmesser B ist. Die Form kann mathematisch angenähert werden als Spline, polynomisch, parabolisch, mittels zweier verschieden großer Radienstücke, eventuell mit kleinen Geradenstücken dazwischen, oder direkt als eine elliptische Funktion. Die Gestaltung ohne Steigungssprung ermöglicht eine platzsparende Bauform, da keine Spannungskonzentrationen durch zu große Dehnungen auftreten.
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7 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Doppelbiegebalken 70 mit eingezeichneten Spannungsverteilungen bei einer eingeleiteten Kraft. Die Kraft 71 wird am Ende des Biegebalkens am freien Ende eingeleitet. Am Ort 74 ist der Biegebalken einseitig eingespannt. Die Stelle 73 zeigt beispielhaft einen Übergang vom Hochdehnungsbereich in dem Bereich geringer Dehnung ohne Dehnungssprünge. Der Dehnungsverlauf für die restlichen Übergänge 75 ist in der gewählten Darstellung nicht sichtbar, er verläuft aber ebenfalls ohne Dehnungssprung. An den Stellen 72 erkennt man eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen in der Feder. Die doppelkeilförmige Federform bewirkt eine sehr gleichförmige Verteilung der im Federbereich wirkenden maximalen Dehnungen. Bei Einleitung der Kraft in umgekehrter Richtung wirken die maximalen Dehnungen mit einer gleichmäßigen Verteilung an den Bereichen 76. Damit wird insbesondere bei Kraftmessprinzipien, die die Auslenkung bzw. den Weg messen, für eine vorgegebene Kraft ein maximaler Weg erreicht, ohne dass die im Material zulässige Dehnung überschritten wird. Wesentlich ist, dass die Feder im Mittenbereich sich gleichförmig verjüngt.
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8 zeigt eine Unabhängigkeit des Doppelbiegebalkens 80 bei einer Momenteneinleitung um die x-Achse, das ist in die Papierfläche hinein, da sich der Biegebalken unter diesem Drehmoment in der Position 81 bewegt, ohne dass es zu einem Versatz am Meßort 85 kommt. Dies wird durch die geeignete Positionierung des Meßortes 85 erreicht. Der Meßort 85 wird mittels eines am Balkenende angebrachten Stabes 83 so positioniert, dass eine Auslenkung am Balkenende durch ein Moment kein Versatz am Meßort erzeugt. Damit wird der Wegsensor im Durchbruch kein Signal erzeugen. Es liegt daher eine Entkopplung gegenüber dem Moment Mx vor. Statt Stabformen können auch andere konstruktive Formen gewählt werden, die eine entsprechende Positionierung des Meßortes gewährleisten. Die Positionierungsstelle kann bei der vorgeschlagenen sich verjüngenden Feder mittels FEM-Simulationen gefunden werden. Für einfache Federformen kann dies mittels analytischer Rechnungen geschehen.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform in der Seitenansicht. Hier wird eine Hülse verwendet. Der Doppelbiegebalken 90 weist hier eine zusätzliche Hülse 92 zur Krafteinleitung auf. Die Kraft Fz wird in diesem Fall auf den Hülsenbereich 93 aufgebracht. Die Kraft Fz Ersatz und das Moment Mx Ersatz = Fz·1 dienen nur zur Betrachtung dieses Lastfalles und wirken nicht gemeinsam sondern alleine als Ersatzkraft und Ersatzmoment zur Erklärung des Entkopplungseffektes. Das heißt die Verformung des Biegeelements für den Lastfall Fz alleine und den Ersatzlastfall Fz Ersatz mit dem Moment Mx Ersatz ist in der theoretischen Betrachtung gleich (praktisch mögen sich z. B. durch Fertigungsungenauigkeiten leichte Abweichungen ergeben). Die gestrichelte Linie zeigt die Veränderung des Doppelbiegeelements unter dem Lastfall Fz alleine bzw. unter dem Ersatzlastfall FzErsatz mit dem Moment MxErsatz. Es kommt erneut zu einem Versatz, der von der Messeinrichtung 91 erfasst wird, also den Wegsensor. Das Moment, das durch die Einleitung der Kraft über die Hülse eingebracht wird, wird über die vorgeschlagene Anordnung jedoch unterdrückt. Dies gilt nach dem in der Mechanik bekannten Superpositionsprinzip, nachdem einzelne Lastfälle miteinander kombiniert werden können und sich die Auslenkungen linear addieren lassen. Dies gilt nur für kleine Auslenkungen, von denen aber hier ausgegangen wird. D. h. also, dass die Auslenkungen des Lastfall Fz Ersatz mit Mx Ersatz gemeinsam als Summe der Lastfälle, Fz Ersatz wirkt alleine, und Mx Ersatz wirkt alleine, gesehen werden kann. Nach der vorherigen Erklärung zu 8 bewirkt Mx Ersatz damit am Meßort 85 keine Auslenkung Fz Ersatz aber sehr wohl eine Auslenkung in z-Richtung am Meßort, die der durch Fz entspricht. D. h. die Einleitung des Kraftsignales ist unabhängig von der Position der Kraft Fz, solange diese senkrecht zur Hülsenachse wirkt. Dies gilt natürlich nur, wenn der Meßort entsprechend mittels FEM oder mittels analytischer Rechungen in den Ort gelegt worden ist, der gegenüber dem Moment Mx Ersatz unempfindlich ist.
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10 zeigt, dass das Messprinzip mit dem Wegsensor auch bei einer Dreifachfeder funktioniert. Auch hier wird auf den Biegebalken am freien Ende die Kraft Fz eingeleitet. In der mittleren Feder befindet sich in einer Freiarbeitung der Wegsensor 100 mit den in 8 beschriebenen Stäben, die hier ebenso anwendbar sind wie bei einer einfachen Feder, was in 11 gezeigt wird. Das Messsystem 100 zur Messung der Auslenkung in z-Richtung befindet sich einer Freiarbeitung in der mittleren Feder.
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11 zeigt den Einsatz bei einer einfachen Feder 110, die auch hier in Freiarbeitung das Messsystem 111 mit Stäben, wie zu 8 beschrieben, aufweist. 11 zeigt die Seitenansicht und die Draufsicht.
