DE2214256B1

DE2214256B1 - Gelenkanordnung fuer eine messanordnung

Info

Publication number: DE2214256B1
Application number: DE19722214256
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Weber, Rudiger, Dr Ing , 7503 Neureut
Priority date: 1972-03-23
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1973-05-17
Also published as: GB1423396A; IT981977B; FR2177412A5; DE2214256C2; DE2214256A1; NL7303984A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkanordnung für eine Meßanordnung mit einer Gelenkkupplung zum Übertragen eines Drehmomentes von einer angetriebenen oder gebremsten Welle auf die Radwelle eines Rades, die über eine Meßnabe mit elastisch verformbaren Meßgliedern zum Ermitteln der auf das Rad wirkenden Kräfte und/oder Momente am Radträger abgestützt ist. Bei dem Rad kann es sich um ein an einem Reifenprüfstand oder unmittelbar am Fahrzeug angebrachtes Kraftfahrzeugrad handeln.

Bei der geschilderten Meßanordnung stellt sich das Problem, den Einfluß der angetriebenen oder gebremsten Welle auf die Meßglieder der Meßnabe auszuschalten. Dieser Einfluß macht sich besonders dann nachteilig bemerkbar, wenn der mit der Meßnabe versehene Reifen unter dynamischer Last aus- und einfedert und die Nabe daher vertikale Bewegungen ausführt, welche Längenänderungen im Antriebsstrang bewirken. Die nach dem Prinzip der elastischen Verformung von speziell gestalteten Meßgliedern arbeitenden Meßnaben lassen außerdem eine Relativbewegung zwischen der Radlagerung und dem am Radträger abgestützten Gehäuse der Meßnabe zu. Wenn die Antriebswelle starr ausgebildet wäre, könnten die mit der Meßnabe ermittelten Kräfte ihrer Herkunft nach, d. h. von der Rad- oder der Antriebsseite her, nicht unterschieden werden. Mit der Meßanordnung könnten daher die auf das Rad wirkenden Kräfte und/oder Momente nicht eindeutig erfaßt werden.

Übliche axial- und beugewinkelbewegliche Gelenke sind für genaue Messungen ebenfalls ungeeignet. In solchen Gelenken treten wegen der verhältnismäßig kleinen Durchmesser hohe Umfangkräfte auf, die bei Längenänderungen im Antriebsstrang axiale Reibungskräfte erzeugen, welche das Meßsystem un-

*5 erwünscht beeinflussen.

Es ist bereits bei dem oben beschriebenen Anwendungsfall eine Gelenkanordnung vorgeschlagen worden (deutsche Offenlegungsschrift 2104 003), die ein an die angetriebene oder gebremste Welle anschließendes Gleichlaufverschiebegelenk und ein daran anschließendes Doppel-Kardangelenk umfaßt, dessen Einzelgelenke selbst untereinander um eine zur Gelenkachse quer verlaufende Achse schwenkbar sind und dessen antriebsseitiger Teil mit der Radwelle verbunden ist. Auf Grund dieser Anordnung kann die Radwelle Radial-, Axial- und Beugewinkelbewegungen gegenüber der angetriebenen oder gebremsten Welle machen. Der Aufbau der älteren Gelenkanordnung ist sehr aufwendig. Die in den Gelenkzapfen des Doppelkardangelenks auftretende Reibung kann nach wie vor die Messung in unerwünschter Weise beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die angetriebene oder gebremste Welle auf die Radwelle im Vergleich zum übertragenen Drehmoment nur geringfügige und eindeutig definierbare und erfaßbare Wirkungen ausübt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Gelenkanordnung zwei axial im Abstand voneinander an einer Zwischenwelle angeordnete, gegen Winkelbewegungen und axialen Versatz elastisch nachgiebige und in Umfangsrichtung steife Membranen umfaßt, von denen die eine über das Antriebsteil der Gelenkkupplung mit der angetriebenen oder gebremsten Welle und die andere mit der Radwelle verbunden ist, und die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie meßbare und in die Meßanordnung der Meßnabe eineichbare Axial- und Beugewinkelbewegungen machen, um von der angetriebenen oder gebremsten Welle herrührende und über die Gelenkkupplung eingeleitete Einflüsse erfaßbar zu machen. '

Es sind Gelenkanordnungen bekannt (französische Patentschrift 1020765 und deutsche Patentschrift 1172 487), die zum Ausgleich von Mitten- oder Winkelversatz zwischen zwei Wellen zwei axial im Abstand voneinander an einer Zwischenwelle angeordnete Membranen, von denen die eine mit der einen

So Welle und die andere mit der anderen Welle verbunden sind, sowie zum Ausgleich axialen Versatzes eine Zahnkupplung mit axial ausgestalteten Zähnen umfassen. Diese bekannten Anordnungen weisen also nicht eine Gelenkkupplung in Kombination mit Membranen auf. Meßeigenschaften sind weder angestrebt noch bei den gezeigten und beschriebenen Konstruktionen vorhanden. Die bekannten Gelenkanordnungen geben also keinen Hinweis zu der Aufgabe der

Erfindung und auch nicht zu deren Lösung.

Die Membranen erlauben eine Auslenkung der Antriebswelle sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sowie eine Winkelbeugung der Antriebswelle gegenüber der Antriebswelle, wobei sie genau definierte, elastische Reaktionskräfte auf die Antriebswelle ausüben. Die Reaktionskräfte lassen sich ohne weiteres aus der Auslenkung und der Federkonstanten der Membranen ermitteln. Bei Verwendung der Gelenkanordnung für den oben beschriebenen speziellen Anwendungsfall lassen sich die Reaktionskräfte ohne weiteres in das Meßsystem eineichen. Längenänderungen und Winkelbeugungen der angetriebenen oder gebremsten Welle werden dabei durch die Gelenkkupplung, vorzugsweise ein Gleichlauf verschiebegelenk, abgefangen.

Dadurch läßt sich die Messung der auf das Rad wirkenden Kräfte und/oder Momente mit der Meßnabe von antriebsseitigen Einflüssen völlig freihalten.

Im Vergleich zu der bereits vorgeschlagenen Gelenkanordnung ist die Anordnung nach der Erfindung konstruktiv entscheidend vereinfacht.

Um eine kompakte Konstruktion zu erzielen, ist nach Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die dünnwandigen, metallenen Membranen radial zwischen der die hohle Radwelle durchsetzenden Zwischenwelle und dem Antriebsteil der Gleichlaufverschiebegelenkkupplung bzw. einem Flansch an der Radwelle eingespannt sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung die an einem Kraftfahrzeugrad angreifenden Kräfte und Momente,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Meßnabe,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Meßnabe nach Fig. 1 längs der Linie A-B in Fig. 2,

Fig. 3 a einen Querschnitt entsprechend Fig. 3 durch eine abgewandelte Meßnabe,

Fig. 4 in einer Explosionsdarstellung die Anbringung der Meßelemente an den elastischen Bolzen der Meßnabe nach der Fig. 2 und 3,

Fig. 5 eine Brückenschaltung von vier nach Fig. 4 angeordneten Meßelementen zur Ermittlung der Radlast P,

Fi g. 6 eine Brückenschaltung von vier nach Fi g. 4 angeordneten Dehnungsmeßstreifen zur Ermittlung der Umfangskraft U,

F i g. 7 eine Brückenschaltung von acht nach F i g. 4 angeordneten Meßelementen zur Ermittlung des Rückstellmomentes M_R,

F i g. 8 eine Brückenschaltung von acht nach F i g. 4 angeordneten Meßelementen zur Ermittlung des Sturzmomentes M₃ und

F i g. 9 eine Brückenschaltung von acht nach F i g. 4 angeordneten Meßelementen zur Ermittlung der Seitenkraft S.

Auf einen frei rollenden Kraftfahrzeugreifen werden von seiner Unterlage im Fahrbetrieb folgende Kräfte und Momente ausgeübt: von der Radlast verursachte Anpreßkraft P, Umfangkraft U, Seitenkraft S, um die Querachse wirkendes Sturzmoment M₅ und um die Hochachse wirkendes Rückstellmoment M_R. Diese auf den Kraftfahrzeugreifen wirkenden Kräfte und Momente sind in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau einer Meßnabe zum Erfassen dieser Kräfte und Momente, die sowohl im Fahrversuch auf der Straße als auch im Prüfstandsversuch, z.B. auf dem Rollenprüfstand, eingesetzt werden kann.

Die Meßnabe umfaßt zwei koaxiale, hohlzylindrisehe Nabenteile 10 und 11. Das äußere Nabenteil 10 ist am nicht gezeigten Radträger befestigt, während das innere Nabenteil 11 über Kegelrollenlager 12 und 13 an der den Radflansch 15 tragenden Radwelle 14 abgestützt ist. Das äußere Nabenteil 10 hat an seinen Enden zwei radial nach innen ragende Flansche 16 und 17, die zwei radial nach außen ragende Flansche 18 und 19 des inneren Nabenteils 11 radial überlappen und axial zwischen sich einschließen. Die Nabenteile 10 und 11 sind folgendermaßen elastisch miteinander

¹S verbunden:

Die jeweils entfernt voneinander liegenden Flansche 16 und 19 sowie 17 und 18 sind durch zur Radachse 20 parallele Bolzen 21 bzw. 21' verbunden. Die Bolzen erstrecken sich durch axiale Bohrungen 22 bzw. 22' in den jeweils zwischen den verbundenen Flanschen 16,19 bzw. 17,18 liegenden Flanschen 18 bzw. 19 des inneren Nabenteils 11. Es sind zur Verbindung je drei Bolzen 21 und je drei Bolzen 21', insgesamt also sechs Bolzen vorgesehen. Dabei wechseln

^a5 Bolzen 21, welche die Flansche 17 und 18 verbinden, mit Bolzen 21', welche die Flansche 16 und 19 verbinden, in Umfangsrichtung miteinander ab. Auf Grund dieser Anordnung ist eine symmetrische Verbindung zwischen den beiden Nabenteilen 10 und 11 geschaffen, die in radialer Richtung den kleinstmöglichen Bauraum beansprucht, weil die Bolzen parallel zur Radachse 20 ausgerichtet sind, und die in axialer Richtung ebenfalls den kleinstmöglichen Bauraum beansprucht, weil die Bolzen sich praktisch über die Länge der Nabenteile 10 und 11 erstrecken und diese nicht noch verlängern. Die Meßnabe kann auf Grund dieser Anordnung bequem in Radschüsseln der üblichen Größe untergebracht werden.

Die Bolzen 21 und 21' sind identisch ausgebildet und an jedem Ende identisch mit dem betreffenden Flansch verbunden. Es braucht deshalb im folgenden nur ein Bolzen und eine Verbindungsstelle zwischen seinem einen Ende und einem Flansch beschrieben zu werden. Der Bolzen 21 oder 21' ist zylindrisch gestaltet. An seinen beiden freien Enden hat er einen durch eine Schulter 23 begrenzten Paßansatz 24, der auf die Länge der Flanschstärke beispielsweise des Flansches 16 abgestimmt ist und mit sehr gutem festen Sitz in einer Paßbohrung des Flansches sitzt. Mittels einer auf einem an den Paßansatz 24 anschließenden Gewindeabschnitt (nicht gezeigt) des Bolzens aufgeschraubten Mutter 25 ist der Flansch gegen die Schulter 23 des Bolzens verspannt. Der Bolzen ist zwischen seinen Endabschnitten 24 im Querschnitt nach Art von Dehnschrauben zurückgenommen, so daß sich die gewünschte Elastizität ergibt. Der Bolzen ist aus vergütetem Stahl hergestellt und nach dem Vergüten durch Schleifen in seine Fertiggestalt gebracht.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Meßnabe im Einsatz bei einem angetriebenen Rad. Das Rad wird über eine Antriebshalbwelle 30 und ein zwischengeschaltetes Gleichlaufverschiebegelenk 31 angetrieben. In dem Gleichlaufverschiebegelenk beim axialen Verschieben auftretende Reibungskräfte werden über eine vorgespannte spielfreie Lagerung mit zwei Kegelrollenlagerkränzen 34 und 35 in dem mit dem Radträger fest verbundenen Teil 35 abgestützt, an dem auch das äußere Nabenteil befestigt ist.

Um Radial- und Axial- sowie Beugewinkelbewegungen des Nabeninnenteils 11 gegenüber dem Radträger zu ermöglichen, ist der äußere Gelenkkörper 32 des Gleichlaufverschiebegelenks 31 zur Übertragung des Drehmomentes über eine Zwischenwelle 38 mit zwei elastischen und reibungsfreien Gelenken in Form von metallenen, ringförmigen Membranen 36 und 37 an den Enden der Zwischenwelle 38 mit dem Radflansch 15 verbunden. Die Zwischenwelle durchsetzt die als Hohlwelle ausgebildete Radwelle 14 axial. Die Membran 36 ist radial innen mit dem antriebsseitigen Ende der Zwischenwelle 38 und radial außen mit einem mit dem äußeren Gelenkkörper 32 fest verbundenen Zwischenring 40 einstückig oder verschweißt. Um die Montage zu ermöglichen, ist die andere Membran 37 radial innen nicht unmittelbar mit der Zwischenwelle 38, sondern mit einer darauf befestigten Muffe 39 einstückig oder verschweißt. Außen ist die Membran 37 über einen mit ihr verschweißten oder einstückigen Zwischenring 41 mit dem Radflansch 15 verschraubt.

Die Membranen erzeugen Reaktionskräfte in einer Größenordnung von 1 % der zu messenden Kräfte. Bei den Reaktionskräften handelt es sich um Federrückstellkräfte, die im Gegensatz zu Reibungskräften wohl definiert sind. Diese Reaktionskräfte können daher bei der Eichung der Meßnabe mit berücksichtigt werden.

Fig. 3 a zeigt in einem entsprechend Fig. 3 gelegten Schnitt durch eine im übrigen nicht dargestellte Ausführung eine Anordnung, bei der jeweils zwei am axial gleichen Ende der Nabenteile 10, 11 angeordnete Flansche 16,18 und 17,19 in einer gemeinsamen radialen Ebene liegen. Wie die Figur zeigt, sind die Flansche dazu als Segmente ausgebildet, die ineinanderpassende Dreiecke bilden. Dadurch ist eine vollkommen symmetrische Krafteinleitung in optimaler Weise gewährleistet.

In Fi g. 4 sind die beiden äußeren Flansche 16 und 17 (siehe Fig. 2) durch strichpunktierte Ellipsen angedeutet. Je zwei Bolzen einer insgesamt drei Bolzen umfassenden Bolzengruppe 21 bzw. 21', die jeweils in einem Quadranten liegen und zusammen mit den beiden Bolzen der anderen Bolzengruppe in einem Querschnitt entsprechend Fig. 3 gesehen eine symmetrische Anordnung bilden, sind in der Mitte ihrer Länge mit vier über den Umfang gleichmäßig verteilten Dehnungsmeßstreifen 3, 4, 5 und 6 und an dem jeweils mit dem anderen Nabenteil verbundenen Ende mit zwei um 90° bzw. in der anderen Richtung um

ίο 270° am Umfang versetzten Dehnungsmeßstreifen 1, 2 beklebt. Jeder dieser vier mit Dehnungsmeßstreifen beklebten Bolzen ist ebenso wie die auf ihm aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen zusätzlich durch einen der Buchstaben a, b, c, d gekennzeichnet.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen eine Zusammenschaltung der Dehnungsmeßstreifen in insgesamt 5 Brückenschaltungen. Die Brückenschaltung nach Fig. 5, welche als Widerstände die Dehnungsmeßstreifen la bis 2d enthält, gibt eine der Radlast P proportionale

«ο Ausgangsspannung U_A ab.

Die Brückenschaltung nach F i g. 6, in der die Dehnungsmeßstreifen la bis Id zusammengeschaltet sind, - gibt eine der Umfangskraft U proportionale Ausgangsspannung U_A ab.

Die in F i g. 7 dargestellte Brückenschaltung enthält in jedem Brückenzweig zwei Dehnungsmeßstreifen 5, 6 je eines Bolzens. Diese Schaltung gibt eine dem Rückstellmoment M_R proportionale Ausgangsspannung U_A ab.

Die in Fig. 8 gezeigte Brückenschaltung enthält in zwei gegenüberliegenden Brückenzweigen vier Dehnungsmeßstreifen 3a, Aa, 3b, Ab der beiden Bolzen je einer Bolzengruppe, während in die beiden anderen gegenüberliegenden Brückenzweige Festwiderstände eingeschaltet sind. Die Ausgangsspannung U_A ist proportional dem Sturzmoment M_s.

Die in Fig. 9 gezeigte Schaltung schließlich enthält in jedem Brückenzweig die zwei Dehnungsmeßstreifen 5,6 je eines Bolzens. Bei einer Eingangsspannung U_E ist die Ausgangsspannung U_A proportional der Seitenkraft S.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelenkanordnung für eine Meßanordnung mit einer Gleichlaufverschiebe-Gelenkkupplung zum Übertragen eines Drehmomentes von einer angetriebenen oder gebremsten Welle auf die Radwelle eines Rades, die über eine Meßnabe mit elastisch verformbaren Meßgliedern zum Ermitteln der auf das Rad wirkenden Kräfte und/oder Momente am Radträger abgestützt ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Gelenkanordnung zwei axial im Abstand voneinander an einer Zwischenwelle (38) angeordnete, gegen Winkelbewegungen und axialen Versatz elastisch nachgiebige und in Umfangsrichtung steife Membranen (36, 37) umfaßt, von denen die eine (36) über das Antriebsteil (32) der Gelenkkupplung (31) mit der angetriebenen oder gebremsten Welle (30) und die andere (37) mit der Radwelle (14) verbunden ist, und die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie meßbare und in die Meßanordnung der Meßnabe eineichbare Axial- und Beugewinkelbewegungen machen, um von der angetriebenen oder gebremsten Welle (30) herrührende und über die Gelenkkupplung eingeleitete Einflüsse erfaßbar zu machen.

2. Gelenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandigen, metallenen Membranen (36, 37) radial zwischen der die hohle Radwelle durchsetzenden Zwischenwelle (38) und dem Antriebsteil (32) der Gleichlaufverschiebegelenkkupplung (31) einerseits sowie einem Flansch (15) an der Radwelle andererseits eingespannt sind.

3. Gelenkanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Membran (36) unmittelbar mit der Zwischenwelle (38) und die andere Membran (37) mit einer darauf befestigten Muffe (39) unlösbar verbunden sind.