DE19720641A1

DE19720641A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE19720641A1
Application number: DE1997120641
Authority: DE
Inventors: Lothar Bollweber; Guenter Gerlach; Guenter Walz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-11-19

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 F_D und die Zugkräfte F_Z 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 F_Z/D bezeichnet.

Auch eine Messung einer Torsionskraft F_T 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 F_B eines der Kernteile 21 oder 22 fest eingespannt und das jeweils andere Kern teil 21 oder 22 mit der Biegekraft F_B 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 U_a/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

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.