DE19839412A1 - Magnetoelastischer Kraftmesser zur Bestimmung von Zug- oder Druckkräften - Google Patents

Abstract

Es wird ein magnetoelastischer Kraftmesser (10) zur Bestimmung von Zug- und Druckkräften vorgeschlagen, bei dem die Funktion eines Winkellagersensors (29) mit integriert ist. Der Kraftmesser hat ein bolzenartiges, hohles Bauelement (12), das in einem gehäusefesten Lagerkörper (13) drehbar gelagert ist und das in seinem Innenraum (22) den eigentlichen Kraftsensor in einem Trägerkörper (23) gehäusefest aufnimmt, wobei der Trägerkörper (23) fest mit dem Sensorgehäuse (31) des Winkellagensensors (29) verbunden ist, dessen Eingangswelle (32) verdrehfest in das bolzenartige Bauelement (12) greift. Die Zusammenfassung von Kraft- und Winkellage-Sensor in einer einzigen Komponente verringert den Bauaufwand erheblich.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem magnetoelastischen Kraftmesser zur Bestimmung von Zug- oder Druckkräften nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Gattung.

Es ist schon ein solcher magnetoelastischer Kraftmesser aus der EP 0 070 442 B1 bekannt, bei dem der als Bolzen ausgebildete Kraftmesser beidseitig gelagert ist und ein die zu messende Kraft übertragender Lenker zwischen den beiden Lagerstellen am Kraftmeßbolzen angreift. Hier arbeitet der Kraftmesser mit einer einzigen Meßstelle, die im Bereich der Scherzone zwischen der Krafteinleitungsstelle am Lenker und einer der beiden Lagerstellen liegt, um abhängig von der in diesem Bereich herrschenden Querkraft die Schubspannung im ferromagnetischem Material des Kraftmeßbolzen zu ermitteln und daraus Rückschlüsse auf die Größe der Kraft im Lenker herzuleiten. Solche Kraftmesser haben sich im Betrieb vielfach bewährt, da sie bei relativ einfacher robuster Bauweise auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen genaue Meßergebnisse ermöglichen. In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erwünscht, neben der Größe der Kraft auch deren Winkellage und damit die Lage eines die Kraft übertragenden Lenkers zu kennen, um zum Beispiel bei einer elektrohydraulischen Hubwerks-Regeleinrichung neben einer Kraftregelung auch eine Lageregelung zu ermöglichen. Für eine solche Lageregelung werden aber bisher eigene Lage- oder Wegsensoren eingebaut, welche zum Beispiel die Winkellage eines schwenkbaren Hubarmes erfassen und deren Signale ein Maß für die Lage des Hubwerks relativ zum Traktor darstellen. Diese getrennte Erfassung und Verarbeitung zweier Meßgrößen baut relativ aufwendig und teuer und verringert die Einsatzmöglichkeiten solcher Kraftmesser.

Weiterhin ist aus der DE 32 03 334 A1 ein Kraftmesser bekannt, der als Ist-Wertgeber in einer elektrohydraulischen Steuereinrichtung zum Steuern eines Hubwerkes an einem Traktor arbeitet. Der Kraftmesser selbst ist als durchgehender Biegestab ausgebildet, der im Traktorgehäuse an zwei Lagerstellen eingespannt ist und auf dessen beidseitig frei herausragenden Stabenden jeweils ein Lenker schwenkbar gelagert ist. Jedes Stabende weist zwischen Krafteinleitungsstelle am Lenker und gehäusefester Lagerstelle eine einzige, radiale Meßebene auf, in welcher der zylindrische Stababschnitt durch Abflachungen einen regelmäßigen Vierkant bildet, an dessen vier Flächen Dehnmeßstreifen befestigt sind. Die Dehnmeßstreifen in den beiden vertikal verlaufenden Flächen sind zu einer Brücke verschaltet und messen die horizontalen Anteile der Kraft im Lenker; mit den Dehnmeßstreifen in den horizontalen Flächen ist der vertikale Kraftanteil zu ermitteln, wobei die durch Druck- und Zugspannungen im Biegestab sich ergebenden Deformationen zu elektrischen Widerstandsänderungen der Dehnmeßstreifen führen und als Meßsignale ausgenutzt werden. Obwohl hier die Kraftkomponenten der angreifenden Kraft in einer Ebene erfaßbar sind, wird hier mit diesem Kraftmesser auch nur eine Kraftregelung durchgeführt. Die Funktion eines Winkellagesensors, wie sie für eine Lageregelung bei einer Hubwerksregelung erforderlich ist, ist hier nicht beabsichtigt. Ferner hat dieser Kraftmesser den Nachteil, daß seine Meßmethode mittels Dehnmeßstreifen arbeitet, die mittels einer Paste auf den Vierkantflächen befestigt werden, was in der Praxis zu erheblichen Schwierigkeiten führt. Durch axiales Spiel des Lenkers auf dem Biegestab, sowie durch Toleranzen können sich Änderungen im wirksamen Abstand zwischen Krafteinleitungsstelle und Meßebene ergeben, welche die Genauigkeit der Kraftmessung ungünstig beeinflussen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße magnetoelastische Kraftmesser zur Bestimmung von Zug- oder Druckkräften mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er die Funktionen zweier Sensoren für die Meßgrößen Kraft und Winkel beziehungsweise Lage oder Drehzahl in einer einzigen Komponente vereinigt, wobei der Kraftmesser selbst nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeitet. Die Vorteile des magnetoelastischen Kraftmessers werden dadurch weitgehend beibehalten; durch die Zusammenfassung zweier Sensoren in der einen Komponente ergibt sich ein erheblich geringerer Aufwand für den Anwender. Der Winkellagesensor läßt sich leicht in den Innenraum des rohrförmigen Bolzens integrieren, so daß die kompakte und robuste Bauweise des Kraftmessers erhalten bleibt. Seine Bauweise führt auch zu einer montagefreundlichen Einrichtung, zumal die elektrischen Anschlüsse für beide Sensoren aus einem unbeweglichen Teil herausgeführt werden können. Ferner läßt sich dieser Kraftmesser leicht nachträglich bei bereits vorhandenen Einrichtungen einbauen. Der magnetoelastische Kraftmesser mit dem integrierten Winkellagesensor läßt sich besonders günstig einsetzen, wo gleichzeitig Signale für Kraft und Winkellage gewünscht sind, wie dies zum Beispiel bei einer elektrohydraulischen Hubwerks-Regeleinrichtung, bei Baumaschinen oder bei Ladekranen mit Ihren Auslegern oder bei Maschinen mit vergleichbaren Verhältnissen der Fall ist; auch läßt sich der Kraftmesser zur Nutzung für Radlast- und Radwinkel-Messung einsetzen, die auch als Drehzahl dargestellt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen magnetoelastischen Kraftmessers möglich. Eine besonders vorteilhafte und robuste Bauweise ergibt sich gemäß Anspruch 5, wenn das bolzenartige Bauelement beidseitig in einem Lagerkörper gelagert ist. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sie aus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt durch einen magnetoelastischen Kraftmesser mit integriertem Winkellagesensor.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die einzige Figur zeigt in stark vereinfachter Weise einen Längsschnitt durch einen magnetoelastischen Kraftmesser 10 zur Bestimmung von Zug- oder Druckkräften. Der Kraftmesser 10 ist dabei in einem Zusammenhang dargestellt, wie er bei einer elektrohydraulischen Hubwerksregeleinrichtung bei einem Traktor zu finden ist, wo über ein übliches Dreipunktgestänge ein Pflug am Traktor beweglich angelenkt ist. Als bewegliches, kräfteübertragendes Element einer Maschine, nämlich des Traktors ist hier ein Lenker 11 dargestellt, der mit Hilfe eines bolzenartigen Bauelementes 12 schwenkbar beziehungsweise drehbar in einem Trägerkörper gelagert ist, der hier als Gabel 13 eines Traktorgehäuses 14 dargestellt ist. Das bolzenartige Bauelement 12 des Kraftmessers 10 ist mit seinen beiden äußeren Enden in der Gabel 13 beidseitig gelagert, so daß eine erste und zweite gehäusefeste Lagerstelle 15 beziehungsweise 16 im Traktorgehäuse 14 ausgebildet ist. In diesen Lagerstellen 15, 16 ist das bolzenartige Bauelement 12 schwenkbar und damit auch drehbar gelagert, wobei für die Übertragung der relativ hohen Kräfte diese Lagerstellen als Gleitlager 17 ausgeführt sind.

Im Bereich zwischen den beiden Lagerstellen 15, 16 sitzt auf dem bolzenartigen Bauelement 12 eine kugelkopfförmige Lagerhülse 18, auf welcher der Lenker 11 befestigt ist. Diese Lagerhülse 18 ist über eine Nut-Federverbindung 19 verdrehfest mit dem bolzenartigen Bauelement 12 verbunden, wobei der Lenker 11 ebenfalls verdrehfest auf der Lagerhülse 18 sitzt. Eine Schwenkbewegung des Lenkers 11 um die Längsachse des bolzenartigen Bauelement 12 wird also von diesem Bauelement 12 mitgemacht. Das bolzenartige Bauelement 12, das aus einem ferromagnetischen Material besteht, ist innen hohl ausgebildet und weist zu diesem Zweck eine durchgehende, mehrfach abgesetzte Bohrung 21 auf, die einen Innenraum 22 im Bauelement 12 bildet.

In diesem Innenraum 22 ist von der ersten Lagerstelle 15 her, ein Trägerkörper 23 eingebaut, der an seinem aus der Bohrung 21 herausragenden Ende ein stirnseitiges Flanschteil 24 aufweist, das mit seinem Außendurchmesser den Außendurchmesser des bolzenartigen Bauelements 12 überragt und durch Schrauben 25 verdrehfest am Traktorgehäuse 14 befestigt ist. In dem Trägerkörper 23 sind in nicht näher gezeichneter Weise ein Meßsystem und eine Meßspulenanordnung im Kunststoff eingegossen, welche den eigentlichen Kraftsensor bilden und auf dessen Bauweise hier nicht näher eingegangen wird, weil dies aus der eingangs erwähnten Druckschrift vorbekannt ist. Dieser Trägerkörper 23 durchdringt mit seinem stabförmigen Teil den größten Teil der Stufenbohrung 21 und weist an seinem freien Ende 27 einen Rohrabschnitt 28 auf, an dem seinerseits ein Winkellagesensor 29 befestigt ist. Während das Sensorgehäuse 31 auf diese Weise verdrehfest mit dem Trägerkörper 23 verbunden ist, ragt eine Eingangswelle 32 des Winkellagesensors 29 mit Ihrem Vierkant verdrehfest in eine entprechende Ausnehmung 33 der Stufenbohrung 21. Auf diese Weise sind das Sensorgehäuse 31 mit dem Trägerkörper 23 gehäusefest mit der Gabel 13 verbunden, während die Drehbewegung des bolzenförmigen Bauelements 12 über die Eingangswelle 32 vom Winkellagesensor 29 erfaßt wird.

Der Trägerkörper 23 weist noch nahe dem Flanschteil 24 einen zylindrischen Bund 34 auf, an dessen Außenumfang eine Abdichtung 35 vorgesehen ist. Im gehäusefesten Flanschteil 24 ist axial zum bolzenartigen Bauelement 12 ein elektrischer Anschluß 36 herausgeführt, an dem die Signale des Kraftsensors sowie des Winkellagesensors 29 abnehmbar sind. Im Bereich der zweiten Lagerstelle 16, ist das stirnseitige Ende des bolzenartigen Bauelements 12 durch einen gehäusefesten Flanschdeckel 37 überdeckt.

Die Wirkunsgweise des magnetoelastischen Kraftmessers 10 mit seinem integrierten Winkellagesensor 29 wird wie folgt erläutert, wobei die grundsätzliche Funktion eines magnetoelastischen Kraftmessers aus der eingangs erwähnten Druckschrift als vorbekannt vorausgesetzt wird, wobei abhängig von der zu messenden Kraft im Lenker 11 die Änderungen der Schubspannung in einer Scherzone zwischen ersten Lagerstelle 15 und Lenker 11 und die damit verbundenen Änderungen der Permeabilität im bolzenförmigen Bauelement 12 aus ferromagnetischen Material benutzt werden, um Signale herzuleiten, die ein Maß für die Größe der zu messenden Kraft sind. Während diese Kraftmessung in den vom Trägerteil 23 gebildeten Kraftsensor vorgenommen werden und dessen Ausgangssignal am elektrischen Anschluß 36 zur Verfügung stehen, wird gleichzeitig über den Winkellagesensor 29 die Lage des Lenkers 11 relativ zum Traktorgehäuse 14 erfaßt. Bei einer Schwenkbewegung des Lenkers 11 wird das verdrehfest mit ihm verbundene bolzenartige Bauelement 12 mitgedreht, wobei diese Drehbewegung von der Eingangswelle 32 des gehäusefest angeordneten Winkellagesensors 29 erfaßt wird und dessen Ausgangssignale ebenfalls am elektrischen Anschluß 36 abgreifbar sind. Durch diese Zusammenfassung zweier Sensoren in einer einzigen Komponente, läßt sich die Kraft- und die Winkelmessung bei einer elektrohydraulischen Hubwerksregeleinrichtung erheblich vereinfachen und der Aufwand verringern. Ein gesonderter Sensor für die Messung der Winkellage kann daher entfallen. Die bisherigen Vorteile des magnetoelastischen Kraftmessers werden dabei unverändert beibehalten, insbesondere seine einfache und robuste Bauweise, die verschleißfreie Arbeitsweise des Kraftmessers und seine montagefreundliche Ausführung, wobei die elektrischen Anschlüsse aus einem gehäusefesten Teil herausgeführt werden können. Als Winkellagesensor 29 läßt sich dabei ein einfaches Potentiometer, ein induktiv arbeitender Sensor oder ein nach einem anderen Prinzip arbeitender handelsüblicher oder auch ein anderer geeigneter Geber verwenden.

Obwohl sich der mangetoelastische Kraftmesser 10 mit integriertem Winkellagesensor 29 besonders vorteilhaft bei einer Hubwerksregeleinrichtung in Traktoren verwenden läßt, ist seine Anwendung nicht darauf begrenzt. Zweckmäßig kann diese kombinierte Kraft-Winkellage-Messung auch bei Baumaschinen oder Kränen mit zugehörigen Auslegern verwendet werden, wo neben der Größe der Kraft auch die Lage eines Maschinenelements interessiert, um zum Beispiel Steuerungen im Zusammenhang mit der Standsicherheit der Maschine durchzuführen. Da hier das bolzenartige Bauelement 12 drehbar im Trägerkörper 13 gelagert ist, könnte anstelle des Lenkers 11 auch ein Rad treten, wobei der Kraftmesser 10 die Radlast und die Winkellage des Rades und somit also dessen Drehzahl ermitteln kann. Der Kraftmesser 10 ist deshalb auch bei allen ähnlich gelagerten Fällen anwendbar.

Selbstverständlich sind an der gezeigten Ausführungsform Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Obwohl es vorteilhaft ist, den aufgezeigten Kraftmesser in der dargestellten Bauform als zweifach abgestützter Träger auszuführen, ist auch eine Ausführungsform nach dem Belastungsfall eines einseitig fest eingespannten, frei auskragenden Trägers möglich.

Claims (13)

1. Magnetoelastischer Kraftmesser zur Bestimmung von Zug- oder Druckkräften, die von einem beweglichen, kraftübertragenden Element einer Maschine auf ein bolzenartiges Bauelement des Kraftmessers senkrecht zur Längsachse des Bauelements eingeleitet werden, wobei das kraftübertragende Element mit Hilfe des bolzenartigen Bauelements drehbar gelagert ist und bei dem das bolzenförmige Bauelement hohl ausgebildet ist und in seinem Innenraum ein Meßsystem mit einer Meßspulenanordnung aufnimmt, die über die von der zu messenden Kraft erzeugten Schubspannung in dem aus ferromagnetischen Material bestehenden Bauelement die Kraft ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß das bolzenartige Bauelement (12) in seinem Innenraum (22) zusätzlich einen Winkellagesensor (29) aufweist, der ein elektrisches Ausgangssignal abhängig von der Winkellage des kraftübertragenden Elements (11) liefert.

2. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bolzenartige Bauelement (12) drehbar in einem Lagerkörper (13) gelagert ist, und daß ein das Meßsystem mit der Meßspulenanordnung aufnehmender, in dem Innenraum (22) angeordneter Trägerkörper (23) verdrehfest mit dem Lagerkörper (13) verbunden ist, und daß der Winkellagesensor (29) mit seinem mechanischen Eingang (32) und Ausgang (31) in die Wirkverbindung zwischen Trägerkörper (23) und bolzenartigen Bauelement (12) geschaltet ist.

3. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftübertragende Element (11) gegen Verdrehung gesichert auf dem bolzenförmigen Bauelement (12) gelagert ist.

4. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (23) ein stirnseitiges Flanschteil (24) aufweist, welches das bolzenartige Bauelement (12) radial übergreift und mit dem Lagerkörper (13) verdrehfest verbunden ist.

5. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bolzenartige Bauelement (12) im Lagerkörper (13) beidseitig abgestützt ist.

6. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (12) über Gleit- oder Wälzlager (17) im Lagerkörper (13) verdrehbar gelagert ist.

7. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (22) im Bauelement (12) von einer mehrfach abgesetzten Stufenbohrung (21) gebildet wird, deren mittlerer Abschnitt sich insbesondere zwischen beiden Lagerstellen (15, 16) erstreckt und den Trägerkörper (23) und den Winkellagesensor (29) aufnimmt.

8. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkellagesensor (29) mit seiner Eingangswelle (32) verdrehgesichert in einem Abschnitt (33) der Stufenbohrung (21) geführt ist und sein Sensorgehäuse (31) verdrehfest mit dem Trägerkörper (23) verbunden ist.

9. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (23) und der Winkellagesensor (29) einen gemeinsamen elektrischen Anschluß (36) nach außen aufweisen, insbesondere an dem Flanschteil (24) des Trägerkörpers (23).

10. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (23) sich durch eine eine Scherzone darstellende Trennebene zwischen erster Lagerstelle (15) und kraftübertragendem Element (11) erstreckt, während der Winkellagesensor (29) im Bereich der zweiten Lagerstelle (16) angeordnet ist.

11. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagerstelle (16) durch einen Flanschdeckel(37) nach außen abgesperrt ist.

12. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bolzenförmige Element als ein einseitig frei eingespannter Träger ausgeführt ist.

13. Magnetoelastischer Kraftmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer elektrohydraulischen Hubwerks-Regeleinrichtung eingebaut ist, um die Regelgrößen Kraft und Lage zu ermitteln.