DE112018001492T5

DE112018001492T5 - Auf Magnetoelastizität beruhende Sensoranordnung

Info

Publication number: DE112018001492T5
Application number: DE112018001492.4T
Authority: DE
Inventors: Johannes Giessibl
Original assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Current assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: WO2018171937A1; JP6827558B2; CN110494727A; CN110494727B; US20190344631A1; EP3379222A1; JP2020511664A; US10696109B2; EP3379222B1; EP3601977B1; EP3601977A1; DE112018001492B4; US10940726B2; US20200298638A1

Abstract

Die Erfindung sieht eine Sensoranordnung zur Krafterfassung vor, wobei die Sensoranordnung Folgendes umfasst: einen ersten Abschnitt, der eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, einen zweiten Abschnitt, der eine dritte und eine vierte Durchgangsöffnung aufweist, und einen ersten Zapfen und einen zweiten Zapfen, die den ersten Abschnitt an den zweiten Abschnitt koppeln. Der erste und/oder der zweite Zapfen umfassen einen auf Magnetoelastizität beruhenden Sensor zum Ausgeben eines Signals, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von einer magnetisch polarisierten Region des Zapfens ausgeht. Der auf Magnetoelastizität beruhende Sensor umfasst mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor in einem zumindest teilweise hohlen Abschnitt des Zapfens, wobei der Feldsensor für eine Bestimmung einer Scherkraft in mindestens einer Richtung konfiguriert ist. Die Erfindung sieht ferner eine die Sensoranordnung umfassende Anhängerkupplung vor. Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Erfassen einer Last vor.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren, welche die Verwendung von Magnetfeldsensoren zum Messen einer Last beinhalten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine auf Magnetoelastizität beruhende Sensoranordnung, d.h. eine Sensoranordnung, die eine magnetoelastisch aktive Region umfasst, und eine diese Sensoranordnung enthaltende Anhängerkupplung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Richtung eines Lastvektors.
HINTERGRUND
In vielen Anwendungsfällen werden zum Erfassen einer Last Dehnungsmesser verwendet. Dehnungsmesser erfordern jedoch häufig eine strukturelle Schwächung der die Last leitenden Elemente. Häufig sind Lastmessungen ohne eine Beeinträchtigung der strukturellen Stabilität erforderlich.
Dies gilt besonders für Anhängerkupplungen. Des Weiteren besteht ein großer Bedarf an intelligenten Anhängerkupplungen, d.h. an Systemen, die einen Lastgewichtsmesser (der die Stützlast einer Anhängerkupplung misst), einen Schlepplast-Gewichtsverlagerungsalarm, einen Alarm bei unsicherer Anhängerlastverteilung, einen Fahrzeuggeschwindigkeitsbegrenzungshinweis, eine automatisierte Anhängerbremssteuerung (Regelkreis), einen Hinweis bei geringem/fehlendem Anhängerreifendruck sowie einen Hinweis zum Prüfen der Anhängerbremsen, eine Bremsregelung, eine Fahrzeugschaltsteuerung, eine Motorsteuerung und eine Stabilitätskontrolle vorsehen. Die vorstehend angeführten Funktionen erfordern die Messung von Schlepplasten und/oder Stützlasten der Anhängerkupplung.
Aus dem Stand der Technik bekannte Lastmesseinrichtungen für Anhängerkupplungen weisen bedeutende Mängel auf, z.B. die Komplexität der Mess- und Steuereinrichtungen sowie die Kosten der Sensoranordnung.
Als Alternative zu den weit verbreiteten Dehnungsmessern wurden den magnetoelastischen Effekt ausnutzende kontaktfreie Sensorarten entwickelt. Diese werden häufig für Drehmomentmessungen an Drehwellen in verschiedenen mechanischen Systemen angewendet. Die US 9,347,845 offenbart einen solchen magnetoelastischen Sensor. Die US 9,347,845 wird hierin vollumfänglich in Bezug genommen.
KU RZDARSTELLU NG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte auf Magnetoelastizität beruhende Sensoranordnung anzugeben, um wirksam Spannung und Dehnung in Systemen zu messen, die einen einer mechanischen Last ausgesetzten Abschnitt aufweisen. Die Erfindung sieht zudem ein Verfahren zum Bestimmen einer Richtung eines Lastvektors vor, der auf eine auf Magnetoelastizität beruhende Sensoranordnung wirkt.
Gemäß einem Aspekt kann eine Sensoranordnung zur Krafterfassung einen ersten Abschnitt umfassen, der eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung aufweist. Die Sensoranordnung kann ferner einen zweiten Abschnitt umfassen, der eine dritte und eine vierte Durchgangsöffnung aufweist. Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung können in Entsprechung zu der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung positioniert sein. Die Sensoranordnung kann ferner einen ersten Zapfen und einen zweiten Zapfen umfassen. Der erste Zapfen kann derart angeordnet sein, dass er sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung erstreckt, und der zweite Zapfen kann derart angeordnet sein, dass er sich durch die zweite und die vierte Durchgangsöffnung erstreckt, um den ersten Abschnitt an den zweiten Abschnitt zu koppeln. Der erste und/oder der zweite Zapfen können mindestens eine magnetoelastisch aktive Region umfassen, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen angebracht sein oder einen Teil davon bilden kann, dass mechanische Beanspruchung an dem Zapfen auf die magnetoelastisch aktive Region übertragen wird. Die magnetoelastisch aktive Region kann mindestens eine magnetisch polarisierte Region derart umfassen, dass eine Polarisation der magnetisch polarisierten Region mit Zunahme der aufgebrachten Beanspruchung zunehmend eine Schraubenform annehmen kann. Die Sensoranordnung kann ferner ein Magnetfeldsensormittel umfassen, das nahe der mindestens einen magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sein kann. Das Magnetfeldsensormittel kann dafür konfiguriert sein, ein Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der magnetisch polarisierten Region ausgehen kann. Das Magnetfeldsensormittel kann mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfassen, der dafür konfiguriert sein kann, eine Scherkraft in mindestens einer Richtung zu bestimmen. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor kann insbesondere so angeordnet sein, dass er eine vorab bestimmte und festgelegte räumliche Koordination mit dem Zapfen aufweist, wobei der Zapfen zumindest teilweise hohl sein kann. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor kann in einem Inneren des Zapfens angeordnet sein. Mittels der Sensoranordnung kann eine aufgrund einer mechanischen Last auf einen Zapfen aufgebrachte Beanspruchung wirksam gemessen werden. Gemäß Aspekten der Erfindung überwindet die Sensoranordnung die Mängel der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Insbesondere neigt die Sensoranordnung nicht zu Drift hinsichtlich der Messwerte und ist weniger fehleranfällig.
Gemäß einem weiteren Aspekt können der erste und/oder der zweite Zapfen der Sensoranordnung mindestens einen in einer X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert sein kann, eine Kraftkomponente Fx1 in einer Längsrichtung X zu erfassen, und/oder mindestens einen in einer Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen, der dafür konfiguriert sein kann, eine Kraftkomponente Fz1 in einer Vertikalrichtung Z zu erfassen. Die Längsrichtung X kann durch eine Längserstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts definiert sein. Die Vertikalrichtung Z kann im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung X und im Wesentlichen senkrecht zu der Querrichtung Y der Längserstreckung des mindestens einen Zapfens verlaufen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die erste Durchgangsöffnung und die dritte Durchgangsöffnung der Sensoranordnung derart konfiguriert sein, dass sie den ersten Zapfen formschlüssig umgeben. Eine formschlüssige Passung ermöglicht es, dass der Zapfen durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung im Wesentlichen starr befestigt ist. Dies bedeutet, dass der Zapfen in der ersten und dritten Durchgangsöffnung nahezu kein Spiel aufweist und dass die Genauigkeit der Kraftmessung verglichen mit einer Konfiguration, bei welcher der erste Zapfen in der ersten und dritten Durchgangsöffnung ein Spiel aufweist, vorteilhaft erhöht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der zweite Zapfen der Sensoranordnung von der zweiten Durchgangsöffnung formschlüssig umgeben sein und die vierte Durchgangsöffnung derart konfiguriert sein, dass der zweite Zapfen innerhalb der vierten Durchgangsöffnung einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist. Durch den zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad ist der zweite Zapfen unempfindlich in Bezug auf Scherkräfte, die in der Richtung des zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrads wirken. Dies bedeutet, dass die Bestimmung der Scherkraft entlang dieser Richtung vorteilhaft vereinfacht werden kann, da der Schereffekt ausschließlich an dem ersten Zapfen auftritt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrad in der Längsrichtung X verlaufen. Da der zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrad der Längsrichtung X entspricht, kann die Bestimmung der Scherkraft entlang dieser Richtung vorteilhaft vereinfacht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt können der erste und/oder der zweite Zapfen der Sensoranordnung eine erste magnetoelastisch aktive Region und eine zweite magnetoelastisch aktive Region umfassen. Die erste und die zweite magnetoelastisch aktive Region können in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen angebracht sein oder Teile davon bilden, dass mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen übertragen werden kann. Jede magnetoelastisch aktive Region kann eine magnetisch polarisierte Region umfassen. Insbesondere können die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein. Das Magnetfeldsensormittel kann mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfassen, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sein kann. Das Magnetfeldsensormittel kann dafür konfiguriert sein, ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetoelastisch aktiven Region ausgehen kann. Das Magnetfeldsensormittel kann mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfassen, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sein kann. Das Magnetfeldsensormittel kann dafür konfiguriert sein, ein zweites Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetoelastisch aktiven Region ausgehen kann. Auf diese Weise kann die Scherkraft bevorzugt in zwei entgegengesetzten Richtungen bestimmt werden, wodurch die Qualität der Bestimmung der Scherkraft verbessert wird. Durch diese „umgekehrte“ Konfiguration der Magnetfeldsensoren können die Scherrichtungen durch die magnetoelastisch aktiven Regionen bestimmt werden. Beispielsweise können die Richtungen unterscheidbar sein, falls die von dem ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor und dem zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor erhaltenen Messdaten differenziell verarbeitet werden.
Die differenzielle Auswertung der Signale verdoppelt bevorzugt das Signal, welches mit der aufgebrachten Beanspruchung korreliert wird. Da die Polarisation der ersten und zweiten magnetoelastisch aktiven Region entgegengesetzt ist, können theoretisch mögliche externe Felder kompensiert werden. Die Sensoranordnung gemäß dieser Ausführungsform kann empfindlicher und weniger fehleranfällig sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt können der erste und/oder der zweite Zapfen der Sensoranordnung mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und/oder mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und/oder mindestens einen in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und/oder mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen. Der mindestens eine in X-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor kann dafür konfiguriert sein, eine Kraftkomponente Fx1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X des zweiten Abschnitts zu erfassen. Der mindestens eine zweite in X-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor kann dafür konfiguriert sein, eine Kraftkomponente Fx2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X des zweiten Abschnitts zu erfassen. Der mindestens eine in Z-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor kann dafür konfiguriert sein, eine Kraftkomponente Fz1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen. Der mindestens eine zweite in Z-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor kann dafür konfiguriert sein, eine Kraftkomponente Fz2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen. Die Scherkraft kann bevorzugt in verschiedenen Richtungen bestimmt werden, die in Bezug auf einander senkrecht ausgerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Zapfen der Sensoranordnung den mindestens einen in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen. Bevorzugt kann der erste Zapfen dafür konfiguriert sein, ausschließlich auf eine entlang der Z-Richtung wirkende Scherkraft zu reagieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Zapfen der Sensoranordnung den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen und kann der zweite Zapfen der Sensoranordnung den mindestens einen in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen. Der erste Zapfen kann bevorzugt dafür konfiguriert sein, ausschließlich auf den Schereffekt entlang der X-Richtung zu reagieren, was die Scherkraftauswertung vereinfacht, wobei die Scherkraft entlang der vertikalen Z-Richtung auf beide Zapfen wirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Zapfen der Sensoranordnung den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen und kann der zweite Zapfen der Sensoranordnung den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfassen. Auf diese Weise sind beide Zapfen empfindlich gegenüber allen Scherkräften entlang der vertikalen Z-Richtung sowie entlang der längsgerichteten X-Richtung. Der erste und der zweite Zapfen können bevorzugt die verschiedenen Komponenten der Scherkraft an verschiedenen Positionen des Systems erfassen.
Das Magnetfeldsensormittel kann für eine Bestimmung einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente der auf den Zapfen aufgebrachten Last konfiguriert sein. Insbesondere können der mindestens eine erste in X-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor und der mindestens eine zweite in X-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor eine erste Gruppe von Sensoren bilden und können der mindestens eine erste in Z-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor und der mindestens eine zweite in Z-Richtung empfindliche Magnetfeldsensor eine zweite Gruppe von Sensoren bilden. Die erste Gruppe von Sensoren eignet sich zur Bestimmung einer Lastkomponente, die entlang der X-Achse gerichtet ist. Die zweite Gruppe von Sensoren erfasst eine Komponente der Last, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Komponente entlang der Z-Richtung verläuft. Folglich können die Richtung und der Wert der auf die Zapfen aufgebrachten Beanspruchung oder Kraft aus diesen Komponenten in diesem Koordinatensystem bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der zweite Abschnitt der Sensoranordnung eine Mittelwand umfassen, die sich in der Längsrichtung X und der Vertikalrichtung Z erstrecken kann. Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung können sich zudem durch die Mittelwand erstrecken. Durch die Mittelwand kann der erste Abschnitt durch die Scherkraft an einem zusätzlichen Angriffspunkt wirksam beeinflusst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt können der erste und/oder der zweite Zapfen der Sensoranordnung in vorab bestimmter Weise fest an dem ersten Abschnitt angebracht sein. Der erste und/oder der zweite Zapfen können bevorzugt in allen sechs Freiheitsgraden fest angebracht sein. Auf diese Weise ist die Bestimmung der Scherkräfte wirksam möglich, da die Zapfen in den Durchgangsöffnungen des ersten Abschnitts kein Spiel aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Abschnitt der Sensoranordnung eine Gabelform aufweisen. Die Gabelschenkel des ersten Abschnitts können die erste und die zweite Durchgangsöffnung umfassen. Der zweite Abschnitt der Sensoranordnung kann eine Rohrform aufweisen. Die Seitenwände des zweiten Abschnitts können die dritte und vierte Durchgangsöffnung umfassen. Der bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren können dafür konfiguriert sein, Kraftkomponenten von Scherkräften zu erfassen, die durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt in die Zapfen eingeleitet werden. Durch eine gabelartige Form des ersten Abschnitts und eine Rohrform des zweiten Abschnitts kann die Sensoranordnung vorteilhaft in einer länglichen Gelenkverbindung zweier Objekte umgesetzt werden, während die Zapfen in den Durchgangsöffnungen angeordnet sind und beide Objekte verbinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Abschnitt der Sensoranordnung eine Gabelform aufweisen. Die Gabelschenkel des ersten Abschnitts können die erste und die zweite Durchgangsöffnung umfassen. Die Mittelwand kann die dritte und vierte Durchgangsöffnung umfassen. Der bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren können dafür konfiguriert sein, Kraftkomponenten von Scherkräften zu erfassen, die durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt in die Zapfen eingeleitet werden. Insbesondere können die Seitenwände des zweiten Abschnitts Durchgangsöffnungen umfassen, die größer sein können als die dritte und die vierte Durchgangsöffnung, derart, dass die Scherkräfte durch Anlageflächen der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung in den Gabelschenkeln und Anlageflächen der dritten und der vierten Durchgangsöffnung in der Mittelwand in die Zapfen eingeleitet werden können. Durch die Anlageflächen kann die Energieübertragung zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt in vorteilhafter Weise konfiguriert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Anhängerkupplung eine Sensoranordnung umfassen, wobei es sich bei dem ersten Abschnitt um eine Kupplungsanordnung handelt, die dafür konfiguriert sein kann, an einem Autochassis angebracht zu werden, und wobei es sich bei dem zweiten Abschnitt um ein Aufnahmerohr handeln kann, das dafür konfiguriert sein kann, eine Zugstange oder alternativ eine Kupplungsstange oder einen Kugelkopf der Anhängerkupplung aufzunehmen Die Sensoranordnung ist bevorzugt dafür konfiguriert, die Kräfte einer Pkw-Anhängerkupplung zu erfassen, die Teil eines Straßen- oder Geländefahrzeugs sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann es sich bei dem ersten Abschnitt der Sensoranordnung um eine Haltegabel handeln, die zwei Gabelschenkel aufweist. Die Gabelschenkel können Ausnehmungen umfassen, die in Entsprechung zueinander ausgerichtet sind und die erste und zweite Durchgangsöffnung des ersten Abschnitts darstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann es sich bei dem ersten Abschnitt der Sensoranordnung um eine Haltegabel handeln, die zwei oder vier Gabelschenkel aufweist. Die Gabelschenkel können Ausnehmungen umfassen, die in Entsprechung zueinander ausgerichtet sind und die erste und zweite Durchgangsöffnung des ersten Abschnitts darstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt verzichtet die Sensoranordnung auf eine mechanische Kopplung oder Verbindung zwischen dem Magnetfeldsensormittel und dem zweiten Abschnitt. Dies eliminiert Fehlerquellen, die aus einem mechanischen Versagen dieser Verbindung resultieren. Die Sensoranordnung arbeitet selbst unter extremen Betriebsbedingungen zuverlässig. Die während Langzeitmessungen auftretende Drift der Messwerte ist verringert. Die Sensoranordnung gemäß Aspekten der Erfindung ist insofern vielseitig, als sie an bzw. in nahezu jedem rohrförmigen Abschnitt angewendet bzw. integriert werden kann, wobei es sich bei diesem beispielsweise um einen Teil einer Hydraulikeinheit eines Land-, See-, Schienen- oder Lufttransportfahrzeugs handeln kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Kräfte, die durch die Sensoranordnung erfassbar sind, nicht ausschließlich auf durch Scherbeanspruchung verursachte Scherkräfte beschränkt, sondern können auch durch Zugbeanspruchung oder Druckbeanspruchung verursacht sein, welche auf die magnetoelastische(n) Region(en) des ersten Zapfens und/oder des zweiten Zapfens der Sensoranordnung wirken. Mit anderen Worten, sowohl Scherbeanspruchung als auch Normalbeanspruchung können eine Änderung der Polarisation der magnetisch polarisierten Region induzieren, welche von der bzw. den magneto-elastisch aktiven Regionen ausgeht. Diese Polarisation kann durch das Magnetfeldsensormittel erfassbar sein, welches ein einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss in Richtung des polarisationsrichtungsempfindlichen Magnetfeldsensors entsprechendes Signal ausgeben kann, welches dafür konfiguriert sein kann, die wirkende Kraft zu bestimmen. Folglich kann die magnetoelastisch aktive Region empfindlich gegenüber allen Beanspruchungsarten sein. Die Ausführungsform kann insbesondere geeignet sein, falls der Zapfen nur einer einzigen Art von Beanspruchung ausgesetzt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann es sich bei den richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren um entweder Halleffekt-, magnetoresistive, Magnettransistor-, Magnetdioden-, MAGFET-Feldsensoren oder um Fluxgate-Magnetometer handeln. Diese Aspekte gelten bevorzugt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß einem weiteren Aspekt können jegliche Hydraulikkolben-, Kran-, Auto- und verschiedene andere Anwendungen, die Bolzen und Zapfen beinhalten, an denen Scherkräfte auftreten können, mit der Sensoranordnung gemäß Aspekten der Erfindung ausgestattet werden. Herkömmlicherweise sind Scherkraftsensoren, die Dehnungsmesser verwenden, so ausgelegt, dass sie gezielt geschwächt werden, um genug Verformung zu gewährleisten, um eine Messung der aufgebrachten Lasten zu ermöglichen. Die magnetoelastisch aktive Region der Sensoranordnung ermöglicht es jedoch, den Bolzen ohne Schwächungen und mit deutlich höherer Überlastungsfähigkeit zu konzipieren. Der die integrierte magnetoelastisch aktive Region aufweisende Lastzapfen ermöglicht es, Scherkräfte in Zapfen, Schrauben, Bolzen usw. zu erfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Richtung eines Lastvektors angegeben. Im Rahmen dieses Verfahrens ist eine Sensoranordnung gemäß Aspekten der Erfindung vorgesehen. Mit anderen Worten ist eine Sensoranordnung vorgesehen, die einen ersten Abschnitt umfassen kann, der eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung aufweist. Die Sensoranordnung kann ferner einen zweiten Abschnitt umfassen, der eine dritte und eine vierte Durchgangsöffnung aufweist. Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung können in Entsprechung zu der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung positioniert sein. Die Sensoranordnung kann ferner einen ersten Zapfen und einen zweiten Zapfen umfassen. Der erste Zapfen kann derart angeordnet sein, dass er sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung erstreckt, und der zweite Zapfen kann derart angeordnet sein, dass er sich durch die zweite und die vierte Durchgangsöffnung erstreckt, um den ersten Abschnitt an den zweiten Abschnitt zu koppeln. Der erste und/oder der zweite Zapfen können mindestens eine magnetoelastisch aktive Region umfassen, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen angebracht sein oder einen Teil davon bilden kann, dass mechanische Beanspruchung an dem Zapfen auf die magnetoelastisch aktive Region übertragen wird. Die magnetoelastisch aktive Region kann mindestens eine magnetisch polarisierte Region derart umfassen, dass eine Polarisation der magnetisch polarisierten Region mit Zunahme der aufgebrachten Beanspruchung zunehmend eine Schraubenform annehmen kann. Die Sensoranordnung kann ferner ein Magnetfeldsensormittel umfassen, das nahe der mindestens einen magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sein kann. Das Magnetfeldsensormittel kann dafür konfiguriert sein, ein Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der magnetisch polarisierten Region ausgehen kann. Das Magnetfeldsensormittel kann mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfassen, der dafür konfiguriert sein kann, eine Scherkraft in mindestens einer Richtung zu bestimmen. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor kann insbesondere so angeordnet sein, dass er eine vorab bestimmte und festgelegte räumliche Koordination mit dem Zapfen aufweist, wobei der Zapfen zumindest teilweise hohl sein kann. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor kann in einem Inneren des Zapfens angeordnet sein.
Des Weiteren können im Rahmen des Verfahrens gemäß einem weiteren Aspekt der erste Zapfen und der zweite Zapfen einer Last ausgesetzt werden. Messdaten des mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensors können verarbeitet werden, um eine Scherbeanspruchung und/oder eine Zug- oder Druckbeanspruchung zu bestimmen, die durch den zweiten Abschnitt und den ersten Abschnitt auf den ersten und/oder zweiten Zapfen 8, 9 aufgebracht wird.
Insbesondere kann eine Richtung einer Kraft F aus den Messdaten einerseits und der vorab bestimmten und bekannten räumlichen Koordination zwischen dem bzw. den richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren, dem ersten Zapfen, dem zweiten Zapfen und dem Lastpunkt bestimmt werden.
Die Kraft F wird über den zweiten Abschnitt 5 auf die Sensoranordnung ausgeübt.
Gleiche oder ähnliche Vorteile, die bereits in Bezug auf die eine magnetoelastisch aktive Region gemäß Aspekten der Erfindung umfassende Sensoranordnung genannt wurden, gelten in gleicher oder ähnlicher Weise für das Verfahren zum Bestimmen einer Richtung des Lastvektors, so dass hierauf nicht erneut eingegangen wird.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, wobei

1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Anhängerkupplung ist, die eine Sensoranordnung zur Krafterfassung umfasst,
2 eine vereinfachte Explosionsansicht der Anhängerkupplung ist,
3 eine vereinfachte perspektivische Explosionsansicht eines zweiten Abschnitts ist,
4 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist,
5a eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Zapfens ist,
5b eine weitere vereinfachte Querschnittsansicht des Zapfens ist,
6 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung zur Krafterfassung ist,
7 eine weitere vereinfachte Querschnittsansicht der Sensoranordnung ist,
8 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung zur Krafterfassung ist,
9 eine vereinfachte Seitenansicht einer Sensoranordnung ist, die einen ersten vereinfachten Lastfall erfasst,
10 eine vereinfachte Draufsicht einer Sensoranordnung ist, die einen zweiten vereinfachten Lastfall erfasst,
11 eine vereinfachte Draufsicht einer Sensoranordnung ist, die einen dritten vereinfachten Lastfall erfasst,
12 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz einer Last F zu erfassen,
13 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen,
14 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen,
15 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen, und
16 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung ist, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen.
17 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Anhängerkupplung, die eine Sensoranordnung zur Krafterfassung umfasst.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Anhängerkupplung, die eine Sensoranordnung 1 zur Krafterfassung gemäß Aspekten der Erfindung umfasst. 2 ist eine vereinfachte Explosionsansicht der Anhängerkupplung.
Die Sensoranordnung 1 zur Krafterfassung umfasst einen ersten Abschnitt 2 (Haltegabel), der eine erste Durchgangsöffnung 3 und eine zweite Durchgangsöffnung 4 aufweist, wobei ein zweiter Abschnitt 5 (Aufnahmerohr) eine dritte Durchgangsöffnung 6 und eine vierte Durchgangsöffnung 7 aufweist. Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 sind in Entsprechung zu der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 positioniert.
Der zweite Abschnitt definiert ein kartesisches Koordinatensystem, das eine Längsrichtung X, eine Querrichtung Y und eine Vertikalrichtung Z aufweist. Die Längsrichtung X erstreckt sich in der Längserstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts. Die Querrichtung Y erstreckt sich in einer senkrecht zu der Längsrichtung X verlaufenden Richtung und in einer horizontalen Ebene. Die Vertikalrichtung Z erstreckt sich in einer senkrecht zu der Längsrichtung X und der Querrichtung Y verlaufenden Richtung.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner einen ersten Zapfen 8 und einen zweiten Zapfen 9. Der erste Zapfen 8 ist derart angeordnet, dass er sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung 3, 6 erstreckt. Der zweite Zapfen 9 ist derart angeordnet, dass er sich durch die zweite und die vierte Durchgangsöffnung 4, 7 erstreckt. Der erste Abschnitt 2 ist über den ersten und den zweiten Zapfen 8, 9 an den zweiten Abschnitt 5 gekoppelt.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens eine magnetoelastisch aktive Region 10 (siehe 4), die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen 8, 9 angebracht ist oder einen Teil davon bildet, dass mechanische Beanspruchung des Zapfens 8, 9 auf die magnetoelastisch aktive Region übertragen wird.
Die magnetoelastisch aktive Region 10 umfasst mindestens eine magnetisch polarisierte Region derart, dass eine Polarisation der polarisierten Region mit Zunahme der aufgebrachten Beanspruchung zunehmend eine Schraubenform annimmt.
Der mindestens eine Zapfen 8, 9 umfasst ferner ein Magnetfeldsensormittel, das nahe der mindestens einen magnetoelastisch aktiven Region 10 angeordnet ist, um ein Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der magnetisch polarisierten Region ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor ist für eine Bestimmung einer Scherkraft in mindestens einer Richtung konfiguriert.
Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor L ist insbesondere so angeordnet, dass er eine vorab bestimmte und festgelegte räumliche Koordination mit dem jeweiligen Zapfen 8, 9 aufweist.
Der Zapfen 8, 9 umfasst den mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L und ist zumindest teilweise hohl. Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor L ist im Inneren des Zapfens 8, 9 angeordnet.
Die erste Durchgangsöffnung 3 und die dritte Durchgangsöffnung 6 sind derart konfiguriert, dass sie den ersten Zapfen 8 formschlüssig umgeben. Mit anderen Worten, der erste Zapfen 8 erstreckt sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung 3, 6, und der erste Zapfen 8 ist in mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden und mindestens zwei Translationsfreiheitsgraden durch Anlageflächen der Durchgangsöffnungen gehalten.
Der zweite Zapfen 9 ist von der zweiten Durchgangsöffnung 4 formschlüssig umgeben. Mit anderen Worten, der zweite Zapfen 9 erstreckt sich durch die zweite Durchgangsöffnung 4, und der zweite Zapfen 9 ist in mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden und mindestens zwei Translationsfreiheitsgraden durch Anlageflächen der zweiten Durchgangsöffnung 4 gehalten.
Die vierte Durchgangsöffnung 7 ist derart konfiguriert, dass der zweite Zapfen 9 (verglichen mit dem ersten Zapfen 8 in der dritten Durchgangsöffnung 6) innerhalb der vierten Durchgangsöffnung 7 einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist. Anders ausgedrückt, der zweite Zapfen 9 erstreckt sich durch die vierte Durchgangsöffnung 7, und der zweite Zapfen 9 ist in mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden und mindestens einem Translationsfreiheitsgrad durch Anlageflächen der Durchgangsöffnungen gehalten. Die Anzahl an Translationsfreiheitsgraden des zweiten Zapfens 9 in der vierten Durchgangsöffnung 7 beträgt einen mehr als die Anzahl an Translationsfreiheitsgraden des ersten Zapfens 8 in der dritten Durchgangsöffnung 6.
Bei dem zusätzlichen Freiheitsgrad handelt es sich um einen Translationsfreiheitsgrad, der sich in der Längsrichtung X erstreckt.
Der erste Abschnitt 2 weist eine Gabelform auf, wobei Gabelschenkel 11 des ersten Abschnitts die erste Durchgangsöffnung 3 und die zweite Durchgangsöffnung 4 umfassen.
Der zweite Abschnitt 5 weist eine Rohrform auf, wobei Seitenwände und/oder eine Mittelwand des zweiten Abschnitts 5 die dritte Durchgangsöffnung 6 und die vierte Durchgangsöffnung 7 umfassen.
Der richtungsempfindliche Magnetfeldsensor ist (bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren sind) dafür konfiguriert, Kraftkomponenten von Scherkräften zu erfassen, die durch den ersten Abschnitt 2 und den zweiten Abschnitt 5 in die Zapfen 8, 9 eingeleitet werden.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 sind (in allen sechs Freiheitsgraden) in einer vorab bestimmten Weise fest an dem ersten Abschnitt 2 angebracht. Bolzen 12 verschrauben die Zapfen 8, 9 (über Anbringungsflansche der Zapfen) an Gabelbeinen 11 des ersten Abschnitts 2.
Der zweite Abschnitt 5 umfasst eine Mittelwand 13, die sich in der Längsrichtung X und der Vertikalrichtung Z erstreckt, wobei sich die dritte Durchgangsöffnung 6 und die vierte Durchgangsöffnung 7 durch die Mittelwand 13 erstrecken.
Der erste Abschnitt 2 weist eine Gabelform auf, wobei die Gabelschenkel 11 des ersten Abschnitts 2 die erste und die zweite Durchgangsöffnung 3, 4 umfassen und wobei die Mittelwand die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 umfasst.
Der bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren L sind dafür konfiguriert, Kraftkomponenten von Scherkräften zu erfassen, die durch den ersten Abschnitt 2 und den zweiten Abschnitt 5 in die Zapfen 8, 9 eingeleitet werden.
Seitenwände 14 des zweiten Abschnitts 5 umfassen Durchgangsöffnungen in Seitenwänden, die größer sind als die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7, derart, dass die Scherkräfte durch Anlageflächen der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 in den Gabelbeinen 11 und Anlageflächen der dritten und der vierten Durchgangsöffnung 6, 7 in der Mittelwand 13 in die Zapfen 8, 9 eingeleitet werden.
Die Anhängerkupplung 100 umfasst die Sensoranordnung 1. Bei dem ersten Abschnitt 2 handelt es sich um eine Kupplungsanordnung, die an dem Chassis 101 eines Autos angebracht ist.
Bei dem zweiten Abschnitt 5 handelt es sich um ein Aufnahmerohr, das dafür konfiguriert ist, eine Zugstange 102 (Kupplungsstange, Kugelkopf) der Anhängerkupplung 100 aufzunehmen. Die Zugstange 102 kann teilweise in den zweiten Abschnitt 5 eingesetzt werden. Ein Zapfen 103 sichert die Zugstange 102 an dem zweiten Abschnitt 5.
3 ist eine vereinfachte Explosionsansicht eines zweiten Abschnitts. Der zweite Abschnitt 5 weist eine (extrudierte bzw. stranggepresste) Rohrform auf, die eine sich entlang der Längsrichtung X erstreckende vertikale Mittelwand umfasst.
Die Mittelwand 13 umfasst die dritte Durchgangsöffnung 6 und die vierte Durchgangsöffnung 7.
Die Mittelwand 13 kann in einen entsprechenden Schlitz in dem zweiten Abschnitt 5 eingeschweißt sein. Die Mittelwand 14 bildet hierdurch einen Teil des zweiten Abschnitts 5.
Der zweite Abschnitt 5 umfasst ferner eine Zugstangenbarriere 99. Die Zugstangenbarriere kann durch eine Anlagefläche der Mittelwand 13 gebildet sein. Alternativ kann die Zugstangenbarriere durch eine Anlagekante oder einen Bolzen/Zapfen gebildet sein, die sich (in einer im Wesentlichen radialen Richtung) in das Innere des rohrförmigen zweiten Abschnitts erstrecken. Die Zugstangenbarriere 99 verhindert, dass eine Zugstange den ersten und den zweiten Zapfen 8, 9 kontaktiert.
4 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung. Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 erstrecken sich durch die erste Durchgangsöffnung 3 und die zweite Durchgangsöffnung 4 in dem ersten Abschnitt 2 und durch die dritte Durchgangsöffnung 6 und die vierte Durchgangsöffnung 7 in dem zweiten Abschnitt 5.
Bei dem ersten und/oder dem zweiten Zapfen 8, 9 handelt es sich um einen zumindest teilweise hohlen Zapfen. Der hohle Zapfen kann durch eine vordere Abdeckung 15 und eine hintere Abdeckung 17 verschlossen sein. Die hintere Abdeckung 17 kann eine Kabeldurchführung vorsehen, um einen Zugang für Versorgungs- und/oder Signalleitung 17 zu gewährleisten.
Die Zapfen 8, 9 umfassen eine Vielzahl richtungsempfindlicher Feldsensoren L. Eine Leiterplatte 18 hält die richtungsempfindlichen Feldsensoren L.
Die Zapfen 8, 9 können einen oder mehrere Kragen 19 von vergleichsweise niedriger magnetischer Durchlässigkeit (verglichen mit dem hohlen Schaft der Zapfen 8, 9) umfassen, die derart angeordnet sind, dass die Positionen des einen oder der mehreren Kragen 19 im Wesentlichen einer oder mehrerer der Positionen der Durchgangsöffnungen 3, 4, 6, 7 in dem ersten und/oder dem zweiten Abschnitt entsprechen.
Alternativ können eine oder mehrere der Durchgangsöffnungen 3, 4, 6, 7 einen Kragen/eine Buchse 19 von vergleichsweise niedriger magnetischer Durchlässigkeit (verglichen mit dem hohlen Schaft der Zapfen 8, 9 umfassen).
Der erste Abschnitt 2 und der zweite Abschnitt 5 können dafür konfiguriert sein, einen Zwischenraum zwischen dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 5 vorzusehen. Der Zwischenraum kann ein Material von niedriger magnetischer Durchlässigkeit umfassen (verglichen mit dem hohlen Schaft der Zapfen 8, 9).
5a und 5b sind vereinfachte Querschnittsansichten eines ersten und/oder eines zweiten Zapfens 8, 9.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22.
Die erste magnetoelastisch aktive Region 21 ist in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen 8, 9 angebracht oder bildet Teile davon, dass eine auf den Zapfen 8, 9 aufgebrachte mechanische (Scher-) Beanspruchung zumindest teilweise auf die erste magnetoelastisch aktive Region 21 übertragen wird.
Die zweite magnetoelastisch aktive Region 22 ist in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen 8, 9 angebracht oder bildet Teile davon, dass eine auf den Zapfen 8, 9 aufgebrachte mechanische (Scher-) Beanspruchung zumindest teilweise auf die zweite magnetoelastisch aktive Region 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx1, Lz1, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 angeordnet ist, um ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx2, Lz2, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet ist, um ein zweites Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx1 in einer Längsrichtung X zu erfassen, die durch eine Längserstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts 5 definiert ist.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz1 in einer Vertikalrichtung Z zu erfassen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung X und senkrecht zu der Querrichtung Y der Längserstreckung des ersten und/oder des zweiten Zapfens 8, 9 verläuft.
Bevorzugt umfassen der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem jeweiligen Zapfen 8, 9 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8, 9 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L1, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L2, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet ist, um ein zweites Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen jeweiligen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, Lx12, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen jeweiligen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen jeweiligen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Das Sensormittel umfasst mindestens vier Magnetfeldsensoren L, die eine erste bis vierte Erfassungsrichtung aufweisen, wobei die Erfassungsrichtungen S und eine Schaftachse A (vergleiche 6 und 7) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der erste bis vierte Magnetfeldsensor sind entlang des Umfangs des Zapfens mit in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichen Abständen zueinander angeordnet.
Die mindestens eine magnetoelastisch aktive Region steht entlang eines Umfangs des jeweiligen Zapfens hervor, wobei die Region so magnetisiert ist, dass die Domänenmagnetisierungen in der magnetisch polarisierten Region in einer Umfangsrichtung des Elements verlaufen.
6 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Sensoranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Sensoranordnung 1 umfasst einen ersten Abschnitt 2, der über den Zapfen 8, 9 an einen zweiten Abschnitt 5 gekoppelt ist. Der erste Abschnitt 2 unterliegt einer ersten Scherkraft FS1, die nach links zeigt. Der zweite Abschnitt 5 ist einer zweiten, entgegengesetzten Scherkraft FS2 ausgesetzt, die nach rechts zeigt. Der Zapfen 8, 9 umfasst eine magnetoelastisch aktive Region 21, die am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 2, 5 angeordnet ist. Folglich unterliegt die aktive Region 21 Scherkräften, die bewirken, dass der von der magnetisch polarisierten Region der aktiven Region 21 ausgehende Magnetfluss zunehmend eine Schraubenform annimmt, wenn die Scherkräfte FS1, FS2 zunehmen. Das Sensormittel des Zapfens 8, 9 umfasst vier richtungsempfindliche Magnetfeldsensoren Lx1, Lx2, Lz1, Lz2, die entlang des Innenumfangs des Zapfens 8, 9 angeordnet sind.
Die Konfiguration der richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren Lx1, Lx2, Lz1, Lz2 wird unter Bezugnahme auf den in 7 gezeigten vereinfachten Querschnitt der Sensoranordnung 1 noch näher erläutert. Die Querschnittsebene ist so angeordnet, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu der Schaftachse A verläuft. Der erste richtungsempfindliche Sensor Lx1 und der dritte richtungsempfindliche Sensor Lx2 bilden eine erste Gruppe von Magnetfeldsensoren. Die zweite Gruppe von Sensoren besteht aus dem zweiten richtungsempfindlichen Sensor Lz1 und dem vierten richtungsempfindlichen Sensor Lz2. Die Erfassungsrichtung Sx1 des ersten Sensors Lx1 ist der dritten Erfassungsrichtung Sx2 des dritten Sensors Lx2 um 180° entgegengesetzt. Dies ist in der Figur mittels der gebräuchlichen Zeichen angegeben. Die erste Erfassungsrichtung Sx1 weist aus der Blattebene heraus, die dritte Erfassungsrichtung Sx2 weist in die Blattebene hinein. Ähnlich der ersten Gruppe von Sensoren Lx1, Lx2 sind auch die zweite Erfassungsrichtung Sz1 und die vierte Erfassungsrichtung Sz2 einander um 180° entgegengesetzt. Der zweite und der vierte Sensor Lz1, Lz2 sind entsprechend angeordnet. Wie mittels der gemeinhin bekannten Richtungszeichen angezeigt, weist die zweite Erfassungsrichtung Sz1 aus der Blattebene heraus, während die vierte Erfassungsrichtung Sz2 in die Blattebene hinein gerichtet ist.
Der zweite Sensor Lz1 (mit der zweiten Erfassungsrichtung Sz1) und der vierte Sensor Lz2 (mit der vierten Erfassungsrichtung Sz2) sind in dem vereinfachten Querschnitt der 7 gezeigt. Der erste Sensor Lx1 und die erste Erfassungsrichtung Sx1 sind dem vereinfachten Querschnitt der 7 lediglich zur Verdeutlichung der Konfiguration des Sensors hinzugefügt. Der erste Sensor Lx1 ist eigentlich nicht in einer gemeinsamen Ebene mit dem zweiten und dem vierten Sensor Sz1, Sz2 angeordnet, wie dies in dem Querschnitt der 7 gezeigt ist.
Wenn der Zapfen 8, 9 der ersten und der zweiten Scherbeanspruchungskraft FS1, FS2 ausgesetzt wird, werden die Signale der ersten Gruppe von Sensoren (welche den ersten und den dritten Sensor Lx1, Lx2 umfasst) analysiert, um eine erste Komponente einer die jeweiligen Scherbeanspruchungskräfte FS1, FS2 induzierenden Kraft F zu bestimmen. In einem kartesischen Koordinatensystem kann diese erste Komponente mit der X-Komponente Fx der aufgebrachten Kraft F identifiziert werden. Die Auswertung der Messwerte der Sensoren der zweiten Gruppe (d.h. des zweiten Sensors Lz1 und des vierten Sensors Lz2) ergibt einen Wert für eine zweite Komponente der Kraft F. Innerhalb desselben kartesischen Koordinatensystems wird diese zweite Kraft mit der Z-Komponente der Kraft F, d.h. der Kraftkomponente Fz, identifiziert.
8 ist ein Querschnitt einer magnetoelastischen Sensoranordnung 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der erste Abschnitt 2 umgibt den zweiten Abschnitt 5, der einer Kraft F ausgesetzt ist. Der Zapfen 8, 9 schneidet den ersten und den zweiten Abschnitt 2, 5 entlang der Schaftachse A. Der Zapfen 8, 9 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 261 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 262. Ähnlich den anderen Ausführungsformen der Erfindung sind diese in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen 8, 9 angebracht oder bilden einen Teil davon, dass die mechanische Beanspruchung auf die aktiven Regionen 261, 262 übertragen wird. Die aktiven Regionen 261, 262 sind in entgegengesetzter Richtung magnetisch polarisiert. Dies ist durch die erste Polarisation P61 der ersten aktiven Region 261 und die zweite Polarisation P62 der zweiten aktiven Region 262 veranschaulicht. Die magnetischen Polarisationen P61, P62 sind einander im Wesentlichen um 180° entgegengesetzt. Des Weiteren verlaufen sie im Wesentlichen senkrecht zu der Schaftachse A.
Ein erstes Paar Magnetfeldsensoren, das einen ersten Sensor L1 und einen zweiten Sensor L2 umfasst, ist so innerhalb des Zapfens 8, 9 angeordnet, dass dieses Sensorenpaar mit der ersten aktiven Region 261 zusammenwirkt. In ähnlicher Weise ist ein zweites Paar Magnetfeldsensoren, das einen ersten und einen zweiten Sensor L1* und L2* umfasst, so innerhalb des Zapfens 8, 9 angeordnet, dass dieses mit der zweiten aktiven Region 262 zusammenwirkt. Die Sensoren L1, L2 des ersten Paars bzw. die Sensoren L1*, L2* des zweiten Paars sind nahe der ersten bzw. der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 261, 262 angeordnet. Das erste Sensorpaar L1, L2 gibt ein erstes Signal S aus, das links unten in 8 als eine mit der ausgeübten Kraft F variierende elektrische Spannung V veranschaulicht ist. Das Signal S entspricht einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 261 ausgeht.
In ähnlicher Weise gibt das zweite Paar Magnetsensoren L1*, L2* ein zweites Signal S* aus, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 262 ausgeht. Auch bei diesem Signal S* handelt es sich um eine mit der ausgeübten Kraft F variierende elektrische Spannung V* (siehe rechts unten in 8). Die Neigung des zweiten Signals S* ist jedoch der des ersten Signals S entgegengesetzt. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) der magnetoelastischen Sensoranordnung ist für eine Bestimmung der eine Beanspruchung in dem bzw. den Zapfen 8, 9 erzeugenden Kraft F konfiguriert. Die Steuereinheit führt eine differenzielle Auswertung der Signale S und S* des ersten Sensorpaars L1, L2 und des zweiten Sensorpaars L1*, L2* durch. Diese differenzielle Auswertung verdoppelt bevorzugt die Empfindlichkeit des Signals, welches mit der aufgebrachten Beanspruchung korreliert wird. Da die Polarisation P61 und P62 der ersten und zweiten magnetoelastisch aktiven Region 261, 262 einander entgegengesetzt sind, werden theoretisch mögliche externe Felder kompensiert. Die magnetoelastische Sensoranordnung gemäß dieser Ausführungsform ist empfindlicher und weniger fehleranfällig.
Bevorzugt können alle Ausführungsformen der Erfindung mit der Sensorkonfiguration der 8 ausgestattet sein, welche getrennte, entgegengesetzt polarisierte aktive Regionen 261, 262 und zwei entsprechende Sätze, d.h. Paare, von Sensoren L1, L2 und L1*, L2* aufweist.
Des Weiteren kann die Ausführungsform der 8 mit der aus dem Lastzapfen in 6 oder 7 bekannten Sensorkonfiguration ausgestattet sein. Mit anderen Worten, die Sensorpaare L1, L2 und L1*, L2* können durch eine Sensorkonfiguration ersetzt sein, die vier Sensorpaare Lx11/Lx12, Lx21/Lx22, Lz11/Lz12, Lz21/Lz22 aufweist, was in 5 beispielhaft gezeigt ist. Gemäß dieser konkreten Ausführungsform der Erfindung können zusätzliche Kraftvektoren bestimmt werden.
9 ist eine vereinfachte Seitenansicht einer Sensoranordnung 1, die einen vereinfachten ersten Lastfall erfasst. Die Kraft F weist eine vertikale Kraftkomponente Fz in der Vertikalrichtung Z auf. Die Kraft F wird über den zweiten Abschnitt 5 auf die Sensoranordnung ausgeübt, genauer gesagt über die Kugelkupplung 104 der Zugstange 102.
Zum Bestimmen der Kraftkomponente Fz muss der folgende Satz von Gleichungen gelöst werden. $Fz * d 1 = Fz 1 * d 2$
$Fz * d3 = Fz2 * d 2$
$Fz = Fz 1 + Fz 2$
$d 1 = Fz1 * d2/ (Fz 1 + Fz 2)$
$d3 = Fz2 * d2/ (Fz 1 + Fz 2)$
F1 ist eine Reaktionskraft an dem ersten Zapfen 8, F2 ist eine Reaktionskraft an dem zweiten Zapfen 9. D2 ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 (d.h. deren Achsen). D1 ist der Abstand zwischen dem Lastpunkt (der Kugelkupplung) und dem zweiten Zapfen (d.h. dessen Achse). D3 ist der Abstand zwischen dem Lastpunkt und dem ersten Zapfen (d.h. dessen Achse).
10 ist eine vereinfachte Draufsicht einer Sensoranordnung, die einen vereinfachten zweiten Lastfall erfasst. Die Kraft weist eine quergerichtete Kraftkomponente Fy in der Querrichtung Y auf, die über den zweiten Abschnitt 5, genauer gesagt über die Kugelkupplung 104 der Zugstange 102, auf die Sensoranordnung 1 ausgeübt wird.
Die vierte Durchgangsöffnung 7 sieht einen Freiheitsgrad in der Längsrichtung X vor.
Die quergerichtete Kraftkomponente Fy erzeugt eine erste reaktive Kraft Fx2, die in der Längsrichtung X auf die erste magnetoelastisch aktive Region 21 des ersten Zapfens 8 wirkt, und eine zweite reaktive Kraft Fx1, die in der Längsrichtung X auf die zweite magnetoelastisch aktive Region 22 des ersten Zapfens 8 wirkt.
Zum Bestimmen der Kraftkomponente Fy muss der folgende Satz von Gleichungen gelöst werden. $Fy * d 3 = Fx 1 * d 2$
$Fy * d 3 = Fx2 * d 2$
$Fx 1 = - Fx 2$
11 ist eine vereinfachte Draufsicht einer Sensoranordnung, die einen vereinfachten dritten Lastfall erfasst. Die Kraft weist eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx in der Längsrichtung X auf, die über den zweiten Abschnitt 5, genauer gesagt über die Kugelkupplung 104 der Zugstange 102, auf die Sensoranordnung 1 ausgeübt wird.
Die vierte Durchgangsöffnung 7 sieht einen Freiheitsgrad in der Längsrichtung X vor.
Die längsgerichtete Kraftkomponente Fx erzeugt eine erste reaktive Kraft Fx2, die in der Längsrichtung X auf die erste magnetoelastisch aktive Region 21 des ersten Zapfens 8 wirkt, und eine zweite reaktive Kraft Fx1, die in der Längsrichtung X auf die zweite magnetoelastisch aktive Region 22 des ersten Zapfens 8 wirkt.
Zum Bestimmen der Kraftkomponente Fx muss die folgende Gleichung gelöst werden. $Fx = Fx 1 + Fx 2$
12 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz einer Last F zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Zapfen 8 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen 21, 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst ferner mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet ist, um ein zweites Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine Kraftkomponente Fz1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine Kraftkomponente Fz2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Bei dem zweiten Zapfen 9 handelt es sich um einen blanken Zapfen, d.h. der zweite Zapfen umfasst keine magnetoelastisch aktive Region und keine richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren.
Anders ausgedrückt, der erste Zapfen 8 umfasst mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11 und mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind innerhalb der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 des ersten Abschnitts 2 starr befestigt.
Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 können einen minimalen Zwischenraum zwischen den Anlageflächen des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 vorsehen.
13 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Zapfen 8 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen 21, 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten und dritten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, Lz11, die nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sind, um ein erstes Signal und ein drittes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst ferner mindestens einen zweiten und vierten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lz21, die nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet sind, um ein zweites Signal und ein viertes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz11 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz12 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx2 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx1 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz21 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz22 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Anders ausgedrückt, der erste Zapfen 8 umfasst mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11 und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21. Der zweite Zapfen 9 umfasst mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11 und mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind innerhalb der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 des ersten Abschnitts 2 starr befestigt.
Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 können einen minimalen Zwischenraum zwischen den Anlageflächen des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 vorsehen.
14 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Zapfen 8 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen 21, 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten und dritten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, Lz11, die nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sind, um ein erstes Signal und ein drittes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst ferner mindestens einen zweiten und vierten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lz21, die nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet sind, um ein zweites Signal und ein viertes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz11 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz12 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx2 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx1 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz21 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz22 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx10 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx20 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Die Konfiguration des zweiten Zapfens 9 ähnelt daher im Wesentlichen der Konfiguration des ersten Zapfens 8.
Anders ausgedrückt, der erste Zapfen 8 umfasst mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11 und mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21. Der zweite Zapfen umfasst mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11 und mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21.
Die erste und die zweite längsgerichtete Kraftkomponente Fx10, Fx20 sind jedoch vergleichsweise gering (beispielsweise resultierend aus Reibung zwischen der Anlagefläche der vierten Durchgangsöffnung 7 und dem zweiten Zapfen 9) oder im Wesentlichen Null. Dies ist eine direkte Folge des durch die vierte Durchgangsöffnung 7 im zweiten Abschnitt 5 vorgesehenen zusätzlichen Translationsfreiheitsgrads in der Längsrichtung X.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind innerhalb der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 des ersten Abschnitts 2 starr befestigt.
Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 können einen minimalen Zwischenraum zwischen den Anlageflächen des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 vorsehen.
15 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die dafür konfiguriert ist, eine vertikale Lastkomponente Fz, eine quergerichtete Lastkomponente Fy und eine längsgerichtete Lastkomponente Fx einer Last F zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Zapfen 8 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen 21, 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten und dritten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, Lz11, die nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet sind, um ein erstes Signal und ein drittes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst ferner mindestens einen zweiten und vierten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lz21, die nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet sind, um ein zweites Signal und ein viertes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz11 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz12 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx2 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx1 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz21 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz22 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx22 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx21 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Die grundsätzliche Konfiguration des ersten Zapfens 8 ähnelt daher im Wesentlichen der Konfiguration des in 14 gezeigten ersten Zapfens.
Die grundsätzliche Konfiguration des zweiten Zapfens 9 ähnelt im Wesentlichen der Konfiguration des ersten Zapfens 8.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind innerhalb der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 des ersten Abschnitts 2 starr befestigt.
Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 können einen minimalen Zwischenraum zwischen den Anlageflächen des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 vorsehen. Wahlweise kann die vierte Durchgangsöffnung 7 auch keinen minimalen Zwischenraum vorsehen, derart, dass der zweite Zapfen 9 starr innerhalb der dritten und der vierten Durchgangsöffnung 7 befestigt ist.
16 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die dafür konfiguriert ist, den ersten Lastfall, den zweiten Lastfall und den dritten Lastfall zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst eine erste magnetoelastisch aktive Region 21 und eine zweite magnetoelastisch aktive Region 22, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem ersten Zapfen 8 angebracht sind oder Teile davon bilden, dass eine auf den Zapfen 8 aufgebrachte mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen 21, 22 übertragen wird.
Jede magnetoelastisch aktive Region 21, 22 umfasst eine magnetisch polarisierte Region.
Die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 können einander im Wesentlichen entgegengesetzt sein.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetisch polarisierten Region 21 ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst ferner mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 angeordnet ist, um ein zweites Signal und ein viertes Signal auszugeben, die einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entsprechen, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region 22 ausgeht.
Der erste Zapfen 8 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz11 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 des ersten Zapfens 8 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz12 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region des ersten Zapfens 8 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der erste Zapfen 8 umfasst keine in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensoren.
Die grundsätzliche Konfiguration des ersten Zapfens 8 ähnelt daher im Wesentlichen der grundsätzlichen Konfiguration des in 12 gezeigten ersten Zapfens 8.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz11, Lz12, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz21 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lz21, Lz22, die dafür konfiguriert sind, eine vertikale Kraftkomponente Fz22 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst einen ersten und einen dritten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx11, L12, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx22 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region 21 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst ferner einen zweiten und einen vierten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor Lx21, Lx22, die dafür konfiguriert sind, eine längsgerichtete Kraftkomponente Fx21 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region 22 in der Längsrichtung X zu erfassen.
Der zweite Zapfen 9 umfasst daher grundsätzlich eine Konfiguration, die der in 15 gezeigten grundsätzlichen Konfiguration des zweiten Zapfens 9 im Wesentlichen ähnelt.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind innerhalb der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 des ersten Abschnitts 2 starr befestigt.
Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 können einen minimalen Zwischenraum zwischen den Anlageflächen des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten und dem zweiten Zapfen 8, 9 vorsehen. Wahlweise kann die vierte Durchgangsöffnung 7 auch keinen minimalen Zwischenraum vorsehen, derart, dass der zweite Zapfen 9 starr innerhalb der dritten und der vierten Durchgangsöffnung 7 befestigt ist.
17 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Anhängerkupplung, die eine Sensoranordnung zum Erfassen (von Komponenten) einer Kraft F umfasst. Die Sensoranordnung 1 zum Erfassen einer Kraft F umfasst einen ersten Abschnitt 2 (Anbringungsanordnung, Haltegabel), der eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung 3, 4 aufweist.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner einen zweiten Abschnitt 5 (Anhängekupplung, Zughaken), der eine dritte und eine vierte Durchgangsöffnung 6, 7 aufweist. Die dritte und die vierte Durchgangsöffnung 6, 7 sind in Entsprechung zu der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung 3, 4 positioniert.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner einen ersten Zapfen 8 und einen zweiten Zapfen 9. Der erste Zapfen 8 ist derart angeordnet, dass er sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung 3, 6 erstreckt. Der zweite Zapfen 9 ist derart angeordnet, dass er sich durch die zweite und die vierte Durchgangsöffnung 4, 7 erstreckt.
Der erste Abschnitt 2 ist über den ersten und den zweiten Zapfen 8, 9 an den zweiten Abschnitt 5 gekoppelt.
Der erste und/oder der zweite Zapfen 8, 9 umfassen mindestens eine magnetoelastisch aktive Region 10, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen 8, 9 angebracht ist oder einen Teil davon bildet, dass mechanische Beanspruchung an dem Zapfen auf die magnetoelastisch aktive Region übertragen wird.
Die magnetoelastisch aktive Region 10 umfasst mindestens eine magnetisch polarisierte Region derart, dass eine Polarisation der polarisierten Region mit Zunahme der aufgebrachten Beanspruchung zunehmend eine Schraubenform annimmt.
Der mindestens eine Zapfen 8, 9 umfasst ferner ein Magnetfeldsensormittel, das nahe der mindestens einen magnetoelastisch aktiven Region 10 angeordnet ist, um ein Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der magnetisch polarisierten Region ausgeht.
Das Magnetfeldsensormittel umfasst mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L, der für eine Bestimmung einer Scherkraft in mindestens einer Richtung konfiguriert ist.
Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor L ist so angeordnet, dass er eine vorab bestimmte und festgelegte räumliche Koordination mit dem Zapfen 8, 9 aufweist.
Der den mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor L umfassende Zapfen 8, 9 ist zumindest teilweise hohl.
Der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor L ist im Inneren des Zapfens 8, 9 angeordnet.
Der erste und der zweite Zapfen 8, 9 sind im Wesentlichen entlang der Vertikalrichtung Z angeordnet. Die Zapfen 8, 9 erstrecken sich in der Querrichtung Y.Die Längsrichtung verläuft senkrecht zu der Vertikalrichtung Z und der Querrichtung Y, um das kartesische Koordinatensystem zu definieren. Das Gleichungssystem, das zu lösen ist, um die jeweiligen Lastkomponenten zu bestimmen, muss entsprechend geändert werden.
Weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung (die in Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden) können auch für diese Ausführungsform gelten.
Die Sensoranordnung 1 ist Teil einer Anhängerkupplung 100. Der erste Teil 2 ist dafür konfiguriert, an dem Chassis eines Pkws angebracht zu werden. Der zweite Teil 5 sieht einen Kugelkopf 104 vor, der zur Kopplung mit einem Anhänger vorgesehen ist.
Bei den richtungsempfindlichen Sensoren L kann es sich um Vektorsensoren handeln. Insbesondere können Halleffekt-, magnetoresistive, Magnettransistor-, Magnetdioden-, MAGFET-Feldsensoren oder Fluxgate-Magnetometer-Sensoren angewendet werden. Dies gilt bevorzugt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Die Sensoranordnung zur Krafterfassung gemäß Aspekten der Erfindung ist vorteilhaft auf Lasterfassung bei Anhängerkupplungen, Lasterfassung bei landwirtschaftlichem Gerät und/oder Lasterfassung in Baumaschinen anwendbar.
Auch wenn bestimmte vorliegend bevorzugte Ausführungsformen der offenbarten Erfindung hier konkret beschrieben wurden, versteht ein Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung, dass Variationen und Modifikationen der verschiedenen hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist vorgesehen, dass die Erfindung nur in dem durch die beiliegenden Ansprüche und die anwendbaren Rechtsvorschriften vorgegebenen Maße eingeschränkt sein soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9347845 [0005]

Claims

Sensoranordnung zur Krafterfassung, umfassend: einen ersten Abschnitt, der eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, einen zweiten Abschnitt, der eine dritte und eine vierte Durchgangsöffnung aufweist, wobei die dritte und die vierte Durchgangsöffnung in Entsprechung zu der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung positioniert sind, wobei die Sensoranordnung ferner einen ersten Zapfen und einen zweiten Zapfen umfasst, wobei der erste Zapfen derart angeordnet ist, dass er sich durch die erste und die dritte Durchgangsöffnung erstreckt, und der zweite Zapfen derart angeordnet ist, dass er sich durch die zweite und die vierte Durchgangsöffnung erstreckt, um den ersten Abschnitt an den zweiten Abschnitt zu koppeln, wobei der erste und/oder der zweite Zapfen Folgendes umfasst: mindestens eine magnetoelastisch aktive Region, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen angebracht ist oder einen Teil davon bildet, dass mechanische Beanspruchung an dem Zapfen auf die magnetoelastisch aktive Region übertragen wird, wobei die magnetoelastisch aktive Region mindestens eine magnetisch polarisierte Region derart umfasst, dass eine Polarisation der polarisierten Region mit Zunahme der aufgebrachten Beanspruchung zunehmend eine Schraubenform annimmt, sowie ein Magnetfeldsensormittel, das nahe der mindestens einen magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der magnetisch polarisierten Region ausgeht, wobei das Magnetfeldsensormittel mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfasst, der für eine Bestimmung einer Scherkraft in mindestens einer Richtung konfiguriert ist, wobei der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor insbesondere so angeordnet ist, dass er eine vorab bestimmte und festgelegte räumliche Koordination mit dem Zapfen aufweist, und wobei der den mindestens einen richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfassende Zapfen zumindest teilweise hohl ist und der mindestens eine richtungsempfindliche Magnetfeldsensor im Inneren des Zapfens angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite Zapfen Folgendes umfassen: mindestens einen in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx1 in einer Längsrichtung X zu erfassen, die durch eine Längserstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts definiert ist, und/oder mindestens einen in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz1 in einer Vertikalrichtung Z zu erfassen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung X und senkrecht zu der Querrichtung Y der Längserstreckung des ersten und/oder des zweiten Zapfens verläuft.
Sensoranordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die erste Durchgangsöffnung und die dritte Durchgangsöffnung derart konfiguriert sind, dass sie den ersten Zapfen formschlüssig umgeben.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zapfen von der zweiten Durchgangsöffnung formschlüssig umgeben ist und die vierte Durchgangsöffnung derart konfiguriert ist, dass der zweite Zapfen innerhalb der vierten Durchgangsöffnung einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine zusätzliche Freiheitsgrad einen Translationsfreiheitsgrad umfasst, der sich in der Längsrichtung X erstreckt.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Zapfen eine erste magnetoelastisch aktive Region und eine zweite magnetoelastisch aktive Region umfassen, die in solcher Weise unmittelbar oder mittelbar an dem Zapfen angebracht sind oder Teile davon bilden, dass die mechanische Beanspruchung auf die magnetoelastisch aktiven Regionen übertragen wird, wobei jede magnetoelastisch aktive Region eine magnetisch polarisierte Region umfasst, wobei insbesondere die magnetische Polarisation der ersten magnetoelastisch aktiven Region und die magnetische Polarisation der zweiten magnetoelastisch aktiven Region einander im Wesentlichen entgegengesetzt sind, und wobei das Magnetfeldsensormittel mindestens einen ersten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfasst, der nahe der ersten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein erstes Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der ersten magnetisch polarisierten Region ausgeht, und das Magnetfeldsensormittel mindestens einen zweiten richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor umfasst, der nahe der zweiten magnetoelastisch aktiven Region angeordnet ist, um ein zweites Signal auszugeben, das einem durch Beanspruchung erzeugten Magnetfluss entspricht, der von der zweiten magnetisch polarisierten Region ausgeht.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, wobei der erste und/oder der zweite Zapfen Folgendes umfassen: mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X zu erfassen, und/oder mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fx2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Längsrichtung X zu erfassen, und/oder mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz1 in der ersten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen, und/oder mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, der dafür konfiguriert ist, eine Kraftkomponente Fz2 in der zweiten magnetoelastisch aktiven Region in der Vertikalrichtung Z zu erfassen.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, wobei der erste Zapfen den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, wobei der erste Zapfen den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfasst und wobei der zweite Zapfen den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, wobei der erste Zapfen den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfasst und wobei der zweite Zapfen den mindestens einen ersten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen zweiten in X-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor, den mindestens einen ersten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor und den mindestens einen zweiten in Z-Richtung empfindlichen Magnetfeldsensor umfasst.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt eine Mittelwand umfasst, die sich in der Längsrichtung X und der Vertikalrichtung Z erstreckt, wobei sich die dritte und die vierte Durchgangsöffnung durch die Mittelwand erstrecken.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Zapfen in einer vorab bestimmten Position an dem ersten Abschnitt fest angebracht sind.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt eine Gabelform aufweist, wobei Gabelschenkel des ersten Abschnitts die erste und die zweite Durchgangsöffnung umfassen, und wobei der zweite Abschnitt eine Rohrform aufweist, wobei Seitenwände des zweiten Abschnitts die dritte und die vierte Durchgangsöffnung umfassen, wobei der bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren dafür konfiguriert sind, Kraftkomponenten von durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt in die Zapfen eingeleiteten Scherkräften zu erfassen.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, soweit von Anspruch 11 abhängig, wobei der erste Abschnitt eine Gabelform aufweist, wobei die Gabelschenkel des ersten Abschnitts die erste und die zweite Durchgangsöffnung umfassen, und wobei die Mittelwand die dritte und die vierte Durchgangsöffnung umfasst, wobei der bzw. die richtungsempfindlichen Magnetfeldsensoren dafür konfiguriert sind, Kraftkomponenten von durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt in die Zapfen eingeleiteten Scherkräften zu erfassen, wobei insbesondere Seitenwände des zweiten Abschnitts Durchgangsöffnungen in Seitenwänden umfassen, die größer sind als die dritte und die vierte Durchgangsöffnung, derart, dass die Scherkräfte durch Anlageflächen der ersten und der zweiten Durchgangsöffnung in den Gabelbeinen und Anlageflächen der dritten und der vierten Durchgangsöffnung in der Mittelwand in die Zapfen eingeleitet werden.
Anhängerkupplung, welche die Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei es sich bei dem ersten Abschnitt um eine Kupplungsanordnung handelt, die dafür konfiguriert ist, an einem Autochassis angebracht zu werden, und wobei es sich bei dem zweiten Abschnitt um einen Zughaken oder ein Aufnahmerohr handelt, das dafür konfiguriert ist, eine Zugstange der Anhängerkupplung aufzunehmen.