DE19720641A1 - Kraftsensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor der unter Aus
nutzung elektromagnetischer Effekte ein elektrisches Si
gnal abgibt, das einer auf den Kraftsensor wirkenden
Druck- oder Zugkraft entspricht, nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs.
Auf vielen Gebieten der Mechanik werden Kraftsensoren be
nötigt, die auch an relativ unzugänglichen Stellen an Ge
räten oder Aggregaten eine genaue Bestimmung der Zug-
und/oder Druckkräfte ermöglichen. Ein der Kraftmessung
entsprechendes elektrisches Signal sollte für weitere
Auswerte- oder Regelprozesse zur Verfügung stehen. Im Be
reich der Automobilelektronik, der Fertigungs- und Quali
tätsmeßtechnik sind beispielsweise solche Kraftsensoren
einsetzbar. Die bisher verwendeten Kraftsensoren sind
meistens relativ groß und der Herstellungsprozeß ist re
lativ teuer.
Im Bereich der Automobiltechnik werden beispielsweise zur
Messung der Radbremskraft in fortschrittlichen Bremssy
stemen Zug- und Druckkraftsensoren benötigt, welche sehr
kompakt und kostengünstig aufgebaut sind und eine sichere
Funktion auch in einem Temperaturbereich bis 300°C erfül
len.
Es ist aus der Fachliteratur (W. Göpel/Boll, "Magnetic
Sensors", Volume 5, Seiten 130 bis 143, 1989, VCH-Verlag,
Weinheim) bekannt, daß als Meßprinzipien für einen
Kraftsensor der magnetoelastische Effekt in einem Spulen
kern zur Erzeugung eines Meßsignals herangezogen werden
kann. Solche Spulenanordnungen in einem magnetoelasti
schen Kern arbeiten nach dem an sich bekannten Kreuzduc
tor- oder Pressductor-Prinzip, wobei diese Anordnungen
in der Regel relativ groß bauen und eine gute Funktion in
hohen Temperaturbereichen nicht gewährleistet ist. Die
bekannten Kreuzductorausführungen für einen Kraftsensor
basieren auf einer sehr aufwendigen Wickeltechnik der
Spulen (sog. gefädeltes wickeln) und relativ teuren
Blechpaketen als Spulenkerne, die aus einer großen Anzahl
von Einzelblechen paketiert sind.
Ein Kraftsensor der eingangs beschriebenen Art ist mit
den erfindungsgemäßen Merkmalen des Kennzeichens des
Hauptanspruchs dadurch vorteilhaft, daß durch den spezi
ellen Sensoraufbau die Spulen mit handelsüblichen Wickel
maschinen kostengünstig in einfach herzustellende Wick
lungsnuten eingewickelt werden können. Es ist somit keine
aufwendige und teure Fädelwickeltechnik mehr erforder
lich.
Der Spulenkern mit seinen magnetoelastischen Eigenschaf
ten ist gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise aus
einem Vollmaterial gefertigt wodurch keine Blechpaketie
rung mehr erforderlich ist. Dieser eventuell auch ab
schließend voll- oder einsatzgehärtete oder geglühte Spu
lenkern kann in seiner gesamten Geometrie mit einer NC-
Maschine gefräst werden bzw. mit einem Sinterverfahren
hergestellt werden. Vorteilhafte Materialien sind bei
spielsweise Chrom-Nickel (18 CrNi 8 oder 14 NiCr 18) oder
Nickel-Eisen (NiFe 50/50) bzw. Permenorm 5000H2.
Die gleichen Herstellungsverfahren können auch für einen
den Spulenkern umgebenden Mantel angewandt werden. Durch
diese spezielle Ausbildung und das verwendete Material
mit einem hohen Dauerwechselfestigkeitswert (entspricht
der dauernden mechanischen Wechselbeanspruchung) wird in
vorteilhafter Weise die Forderung nach einer einwandfrei
en Funktion in einem Temperaturbereich von -40°C bis
300°C erfüllt.
Die erfindungsgemäßen Umlaufnuten begrenzen in vorteil
hafter Weise die Zugspannungswerte bei der Maximalkraft
in den Ecken der Wicklungen auf den zulässigen Wechselfe
stigkeitswert. Ohne die erfindungsgemäßen Nuten müßte
der Kraftsensor, bei gleichem Kraftbereich, wesentlich
größer ausgeführt werden.
Insgesamt werden mit dem erfindungsgemäßen Kraftsensor
und seinen in den Unteransprüchen angegebenen Weiterbil
dungen eine weitgehend lineare Druckkraftkennlinie, eine
kleine Hysterese, ein hoher Temperaturbereich, ein klei
ner Temperaturgang, eine hohe Schüttelfestigkeit sowie
ein großer Kraftmeßbereich bei kleinster Bauform er
reicht. Eine Stiftbefestigung mit einer Steckverbindung
für die äußeren elektrischen Anschlüsse ist schnell und
einfach an der Anordnung anbringbar.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftsen
sors mit einem magnetoelastischen Spulenkern wird anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht des Kraftsensors mit der
Krafteinleitung;
Fig. 2 eine erste Seitenansicht auf einen ummantel
ten Spulenkern mit der Spulenanordnung;
Fig. 3 eine zweite Seitenansicht auf einen umman
telten Spulenkern mit der Spulenanordnung;
Fig. 4 eine Ansicht auf ein Radbremskraftmeßsystem
für ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftsensor und
Fig. 5 eine Kennlinie des Verlaufs einer ermittel
ten Meßspannung über einer auf den Kraftsensor auf
gebrachten Druckkraft.
Ein Kraftsensor 1 für Druckkräfte nach Fig. 1 weist ei
nen Spulenkern 2 aus einem magnetoelastischem Voll- oder
Sintermaterial auf, der mit zwei um 90° gekreuzten Wick
lungsnuten 3 und 4 versehen ist. In der Wicklungsnut 3
ist eine Erregerspule 5 (Primärspule) und in der Wick
lungsnut 4 ist eine Sensorspule 6 (Sekundärspule) einge
bracht. Die Spulen 5 und 6 können jeweils über Anschlüsse
7 und 8 außen mit Steckvorrichtungen adaptiert werden.
Die Wicklungsnuten 3 und 4 sind mit einer hier nicht er
kennbaren Isolation versehen, die aus einer hochtempera
turbeständigen, elektrostatisch aufgebrachten Kunststoff
beschichtung oder einer speziellen Glasbeschichtung aus
Ormoceren besteht. Um den Spulenkern 2 sind magnetisch
leitende Mantelteile 9, 10 und 11 angeordnet, die den ma
gnetischen Rückschluß bilden und nach dem Wickeln der
Spulen 5 und 6 über den Spulenkern geschoben und fixiert
werden. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in der Fig.
1 nur die hinteren Mantelteile 9, 10 und 11 gezeigt; ein
weiteres Mantelteil 12 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Die
Mantelteile 9, 10, 11 und 12 sind ein geschlossenes Sy
stem und umschließen den Kern 2 vollständig. Nach dem Ab
schluß aller Bearbeitungsvorgänge kann die gesamte An
ordnung mit Kunststoff umspritzt werden.
Aus Kostengründen und zur Vereinfachung der Lagerhaltung
kann hierbei das gleiche Material für die Mantelteile 9,
10, 11 und 12 wie für den Spulenkern 2 verwendet werden;
es ist jedoch nur für die Mantelteile 9, 10, 11 und 12
auch die Verwendung von weichmagnetischen Materialien
möglich. Die Mantelteile 9, 10, 11 und 12 können dabei
aus Stanzblech geformt, formschlüssig um den Spulenkern 2
gebogen und anschließend verschweißt werden.
Am Spulenkern 2 sind darüber hinaus noch Krafteinlei
tungsflächen 13 und 14 (Fläche 14 nur in Fig. 3 und 4
sichtbar) angebracht, die bei einer Verwendung des
Kraftsensors 1 als reiner Druckkraftsensor relativ klein
ausfallen können. Durch die Ausbildung von kleineren
Krafteinleitungsflächen 13 und 14 an den Enden des Spu
lenkerns 2, die flach oder gewölbt ausgeführt sein kön
nen, werden die mechanischen Spannungsspitzen in den Ec
ken der Wicklungsnuten 3 und 4 gegenüber einer vollflä
chigen Krafteinleitung auf zulässige Werte begrenzt. In
der Krafteinleitungsrichtung kann darüber hinaus im Spu
lenkern 2 noch eine, hier nicht ersichtliche, Bohrung
vorhanden sein.
In Fig. 2 ist eine detailliertere Ansicht der Lage der
Spulen 5 und 6 von vorn und in Fig. 3 ist eine detail
liertere Ansicht der Lage der Spulen 5 und 6 von der Sei
te mit den jeweiligen Mantelteilen 9 und 10 bzw. 10 und
12 dargestellt.
Im Folgenden wird die prinzipielle Funktionsweise des
Kraftsensors 1 anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Die
Erregerspule 5 wird über die Anschlüsse 7 mit einer Wech
selspannung gespeist. Ohne eine Krafteinwirkung F auf die
Krafteinleitungsflächen 13, 14 des Spulenkerns 2 wird in
der Sensorspule 6, aufgrund der magnetischen Differenz
bildung, keine Spannung induziert, da der Vektor der ma
gnetischen Induktion B1 parallel zur Sensorwicklung 6
weist.
Unter einer Krafteinwirkung F < 0 auf den Spulenkern 2,
die eine Zug- oder Druckkraft oder eine Torsionskraft
sein kann, wird der Vektor B2 der magnetischen Induktion
aus seiner ursprünglichen, zur Sensorspule 6 parallelen
Lage gedreht und es wird in der Sensorspule 6 eine der
Kraft proportionale Sekundärspannung induziert, die an
den Anschlüssen 8 abnehmbar ist.
Der oben beschriebene magnetoelastische Effekt kann mit
magnetostriktiven Materialien des Spulenkerns 2 hervorge
rufen werden. Je nach Art und/oder Menge der Legierungs
bestandteile des jeweiligen in der Beschreibungseinlei
tung erwähnten Materials und einer im Herstellungsprozeß
nachfolgenden Wärmebehandlung (voll- oder einsatzgehärtet
bzw. geglüht) wird eine sogenannte Längsmagnetostriktion
im Material des Spulenkerns 2 erzeugt, die durch die
Kraftbeaufschlagung in ihrer Richtungswirkung wesentlich
beeinflußt werden kann. Hierauf beruht der magnetoela
stische Effekt in Form einer Änderung des Induktionsvek
tors B, wobei dieser Effekt allerdings auch feldstärkeab
hängig ist.
Bei einer Verwendung von reinem Eisen als magnetostrikti
ves Material kommt hier noch eine feldstärkeabhängige Vo
lumenmagnetostriktion hinzu. Der Meßeffekt ist hierbei
weitgehend unbeeinflußt von einer im Prinzip geringen
Veränderung des Winkels der Spulen 5 und 6 untereinander,
hervorgerufen durch eine Längenänderung des Spulenkerns 2
unter der Zug- oder Druckkraft F.
Eine Anwendung des vorhergehend beschriebenen Kraftsen
sors ist aus Fig. 4 zu entnehmen. Hier ist ein Zug-
Druckkraftsensor 20 gezeigt, wie er zur Bremsmomenterfas
sung an einer elektromechanischen Bremsanlage eines
Kraftfahrzeuges einsetzbar ist. Die Druckkräfte FD und
die Zugkräfte FZ werden hier über stirnseitig an den Spu
lenkern 2 angefügte, oder mit diesem einstückige Kerntei
le 21 und 22 eingeleitet. Die Zug-/Druckkräfte sind in
der Fig. 4 jeweils mit FZ/D bezeichnet.
Auch eine Messung einer Torsionskraft FT ist beim Ausfüh
rungsbeispiel nach Fig. 4 möglich, da auch bei dieser
Kraftbeaufschlagung eine meßbare Änderung der Längsma
gnetostriktion im Spulenkern 2 erfolgt. Darüber hinaus
wird zur Messung von Biegekräften FB eines der Kernteile
21 oder 22 fest eingespannt und das jeweils andere Kern
teil 21 oder 22 mit der Biegekraft FB beaufschlagt.
Zwischen dem Spulenkern 2 und den Kernteilen 21 und 22
befinden sich Umlaufnuten 23 und 24, welche die Zugspan
nungswerte bei einer Beaufschlagung mit einer vorgegebe
nen Maximalkraft an nächstliegenden Bereichen der Wick
lungsecken in den Nuten 3 und 4 auf den zulässigen Wech
selfestigkeitswert begrenzen. Es werden also hier auch,
wie anhand der kleineren Krafteinleitungsflächen 13 und
14 in den Fig. 2 und 3 beschrieben, mechanische Span
nungsspitzen in den Ecken der Wicklungsnuten 3 und 4 auf
einen zulässigen Wert begrenzt. Ohne die Umlaufnuten 23
und 24, also bei einer vollflächigen Krafteinleitung,
müßte der Kraftsensor 20, bei gleicher Kraftbeaufschla
gung, insgesamt wesentlich größer dimensioniert werden.
Der Spulenkern 2 kann bei anderen, hier nicht dargestell
ten, Ausführungsbeispielen auch als Kreiszylinder mit
oder ohne einer Bohrung in Krafteinleitungsrichtung und
mit Mantelteilen als Kreisringzylinder ausgeführt werden.
Das Diagramm nach Fig. 5 zeigt eine typische Druckkraft
kennlinie 25 mit der Meßspannung Ua/eff in mV am Ausgang
der Sensorspule 6, bei der auf den Kraftsensor 1 nach Fig.
1 (oder Kraftsensor 20 nach Fig. 4) eine Kraft F im
Bereich von 0 kN bis 10 kN mit einem Hub von beispiels
weise 3,7 mV/20 kN ausgeübt wird. Die Kennlinie 25 ist
nahezu linear und weist einen Linearitätsfehler plus Hy
steresefehler von < 0,4% auf. Die Dauerschwellfestigkeit
beträgt hier ca. 20 kN. Der Hub ist von der konstruktiven
Gestaltung der Anordnung und von anderen Parametern ab
hängig; es läßt sich bei einer entsprechenden Ausfüh
rungsform auch ein Hub von 35mV/20 kN bei einem unver
stärktem Sensorsignal realisieren.
Claims (14)
1. Kraftsensor, mit
- - einer Erregerspule (5) und einer Sensorspule (6), de ren Spulenebenen sich in einem Winkel von 90° kreuzen und mit
- - einem magnetoelastischen Spulenkern (2), der an Kraft einleitungsflächen (13, 14), die in einem Winkel von 45° zu den Spulenebenen liegen, mit der zu messenden Kraft (F) beaufschlagbar ist, wobei an der Sensorspule (6) ein der Kraft (F) äquivalentes Meßsignal abnehmbar ist, da durch gekennzeichnet, daß
- - der magnetoelastische Spulenkern (2) und Mantelteile (9, 10, 11, 12) aus einem massiven oder gesinterten Ma terialblock mit magnetostriktiven Materialeigenschaften besteht, daß
- - außen am Spulenkern Wicklungsnuten (3, 4) für die Auf nahme der Erregerspule (5) und der Sensorspule (6) ein gearbeitet sind und daß
- - der Spulenkern (2) außen, mit Ausnahme der Seiten mit den Krafteinleitungsflächen (13, 14), mit den magnetisch leitenden Mantelteilen (9, 10, 11, 12) umgeben ist.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - der Spulenkern (2) aus einer Nickel-Chrom-, einer Nic kel-Eisen- oder einer Permenorm-Legierung besteht und die Mantelteile (9, 10, 11, 12) aus dem gleichen Material herge stellt sind.
3. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - der Spulenkern (2) aus einer Nickel-Chrom-, einer Nic kel-Eisen- oder einer Permenorm-Legierung besteht und die Mantelteile (9, 10, 11, 12) aus einem weichmagnetischen Ma terial hergestellt sind.
4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Materialien des Spulenkerns (2) und/oder der Man telteile (9, 10, 11, 12) nach der Bearbeitung voll- oder einsatzgehärtet sind.
5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - die Materialien des Spulenkerns (2) und/oder der Man telteile (9, 10, 11, 12) nach der Bearbeitung geglüht sind.
6. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wicklungsnuten (3, 4) mit einer Isolationsbeschich tung versehen sind.
7. Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - die Isolationsbeschichtung aus einem elektrostatisch aufgebrachten, hochtemperaturfesten Kunststoff oder aus Ormoceren besteht.
8. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Krafteinleitungsflächen (13, 14) flach sind und eine kleinere Geometrie als die Seite des Spulenkerns (2) auf weisen, an der sie angebracht sind.
9. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - die Krafteinleitungsflächen (13, 14) gewölbt sind und eine kleinere Geometrie als die Seite des Spulenkerns (2) aufweisen, an der sie angebracht sind.
10. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Mantelteile (9, 10, 11, 12) aus Stanzblech gefertigt, formschlüssig um den Spulenkern (2) gebogen und ver schweißt sind.
11. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Spulenkern (2) quaderförmig mit einer durchgehenden Bohrung in der Krafteinleitungsrichtung ausgeführt ist.
12. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß
- - der Spulenkern (2) als Kreiszylinder mit oder ohne ei ner durchgehenden Bohrung in der Krafteinleitungsrichtung und mit kreisringförmigen Mantelteilen ausgeführt ist.
13. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Spulenkern (2) und die Mantelteile (9, 10, 11, 12) so wie die elektrischen Anschlüsse (7, 8) mit Kunststoff um spritzt sind.
14. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Kraftsensor (20) Bestandteil einer Bremsmomenter fassung an einer elektromechanischen Bremsanlage in einem Kraftfahrzeug ist und daß
- - die Krafteinleitung über seitlich am Spulenkern (2) an gefügte Kernteile (21, 22) erfolgt, die mit der Bremsanla ge in Verbindung stehen und wobei zur Verkleinerung der effektiven Krafteinleitungsflächen im Übergangsbereich zwischen dem Spulenkern (2) und den Kernteilen (21, 22) jeweils eine Umlaufnut (23, 24) vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997120641 DE19720641A1 (de) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | Kraftsensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997120641 DE19720641A1 (de) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | Kraftsensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19720641A1 true DE19720641A1 (de) | 1998-11-19 |
Family
ID=7829709
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997120641 Withdrawn DE19720641A1 (de) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | Kraftsensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19720641A1 (de) |
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- 1997-05-16 DE DE1997120641 patent/DE19720641A1/de not_active Withdrawn
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R016 | Response to examination communication | ||
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Effective date: 20121201 |