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" Lastfühler, insbesondere für Kraftfahrzeuge
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Lastfühler, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, überlastungssicheren
Lastfühler zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Lastfühler erfindungsgemäß durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
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Weitere Merkmale der Erfindung bzw. Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den UnteransprUchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen
zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine
Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform des Lastfühlers; Fig. 2 in der
linken Seite eine Ansicht einer oberen Platte von unten und in der rechten Seite
eine Draufsicht auf den Lastfühler bei entfernter oberer Platte; Fig. 3 einen geknickten
Schnitt längs A-B in Fig. 2; Fig. 4 ein Detail einer zweiten Ausführungsform des
Lastfühlers.
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Der Lastfühler beSteht aus einem sternförmigen Zentralteil 11 aus
Stahl und/oder Karbonfasermaterial. Das Zentralteil 11 besteht aus einem zentralen
Kern 10 mit vier flexiblen Armen 13, 14, 15 und 16. Das Zentralteil 11 ist sandwichartig
zwischen einer oberen Platte 17 und einer unteren Platte 22 eingeschlossen. Das
Zentralteil 11 und die untere Platte 22 sind in einem in der Draufsicht etwa quadratischen
Gehäuse C eingeschlossen. Die Arme 13 bis 16 wirken als vier kurze Kragarme bzw.
Kragträger, die an dem zentralen Kern 10 befestigt sind.
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Auf die obere Platte 17 kommende Last wird durch Stützen bzw.
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nach unten ragende Vorsprünge 18, 19, 20 und 21 auf die Enden der
Arme 13 bis 16 übertragen, wobei für jeden Arm ein Vorsprung vorgesehen ist. Die
Arme 13 bis 16 übertragen die Last auf den zentralen Kern 10, der die Last mittels
einer Ubertragungsnabe 12 auf die untere Platte 22 weiterleitet.
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Die Belastung der Arme 13 bis 16 erzeugt eine Biegung jedes Arms,
wodurch in den Armen 13 bis 16 sowohl Druckverformungen als auch Zugverformungen
entstehen. Diese Verformungen werden mittels Dehnungsmessern 23, 24, 25 und 26,
z.B. Dehnungsmeßstreifen,
gemessen. Eine Aufsummierung der Druck-
und Zugverformungen mittels einer Brückenschaltung ergibt die totale Last auf der
oberen Platte 17. Die vier Dehnungsmesser 23 bis 26 sind, wenn man sich in Umfangsrichtung
um den Lastfühler herumbewegt, abwechselnd an der Oberseite und an der Unterseite
der Arme 13 bis 16 angebracht.
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Bei Überlastung oder Stoßbelastung biegen sich die Arme 13 bis 16
nach unten,bis in der Draufsicht dreieckige Blöcke 27, 28, die an der oberen Platte
17 und an der unteren Platte 22 angebracht sind, sich treffen. Die gesamte weitere
Belastung wird dann durch die Blöcke 27, 28 übertragen. Auf diese Weise kann ein
Überlastfaktor von 25 erreicht werden. Die Verformungsmesser 23 bis 26 sind mit
Ausgangsanschlüssen 29 zum Anschließen an eine herkömmliche Anzeigeeinrichtung verbunden.
Die vier oberen Blöcke 27 und die vier unteren Blöcke 28 sind jeweils in den Winkelräumen
zwischen den Armen 13 bis 16 angeordnet.
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Die Verwendung von Karbonfasern für die Arme 13 bis 16 ergibt ein
ganz besonders kompaktes "Paket" eines Lastfühlers, beispielsweise von 90 x 90 x
32 mm, das leicht ist und nur eine geringe Höhe aufweist. Dies ermöglicht ein Einsetzen
des Lastfühlers zwischen einer Blattfeder und einer Achse eines Lastkraftwagens,
praktisch ohne daß dessen Höhe im unbeladenen/ beladenen Zustand geändert wird.
Die Lastfühlerkonstruktion ergibt einen großen Sicherheitsfaktor und ist ausfallsicher.
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Da praktisch keine Gleitbewegung vorkommt, gibt es auch nur
äußerst
geringen Verschleiß. Alle Überlastungen werden in einer Betriebsweise aufgenommen,
die sich von der Betriebsweise der Messung unterscheidet. Insofern kann es keine
Überlastbeschädigungen für das Meßsystem geben, weder mechanisch noch für die Verformungsmesser
selbst.
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Der relativ niedrige Elastizitätsmodul von Karbonfasern ergibt hohe
Verformungen bei Lastaufbringung. Da Überlastung auf andere Weise abgefangen wird,
können die Verformungsmesser auf volle Biegung bei hohen Verformungsniveaus ausgelegt
werden und kann die maximale Auflösung der Verformungsmesser benutzt werden. Mit
gegenwärtiger Verformungsmessertechnologie sieht man sich bei einer Auflösung von
0,5 kp bei 5 t Belastung oder bei einer niedrigeren Auflösung, wenn man relativ
einfache Meßinstrumente verwendet. Da der Verschleiß niedrig ist, ist die mechanische
Langzeitgenauigkeit gut.
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Der Lastfühler ist insbesondere für rauhe Bedingungen und schwere
Belastung geeignet. Da er für seine gesamte Lebensdauer.verschlossen bzw. versiegelt
sein kann, kann das Eindringen von Verunreinigungen verhindert werden. Das Überlastungsvermögen
erlaubt eine dauernde Überlastung von 110 t vor Überschreiten der Streckgrenze und
von 135 t vor dem Versagen bzw. dem Bruch. Die Ausgangsanschlüsse 29 können im Gehäuse
C mit reichlichem Schutz gegen Beschädigung vorgesehen sein.
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Der Lastfühler ist für Anwendungen, die hohe Lastkapazität erfordern,
geeignet und kann zur direkten Achslastmessung
eingesetzt werden.
Die Lastkapazität kann durch Vergrößerung des Zentralteils 11 erhöht werden. Wie
sie gezeichnet ist, ist die Anordnung klein genug, um zwischen einer Radachse und
einer Blattfeder an neuen oder bereits gebauten Lastkraftwagen durch ungeübtes Personal
eingesetzt zu werden, ohne daß eine Eichung vorgenommen werden muß.
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Der Lastfühler ist mit herkömmlicher, elektronischer Verformungsmeßausrüstung
kompatibel. Die Einbeziehung der vier Verformungsmesser 23 bis 26 in eine vollständige
Brückenschaltung kompensiert temperaturbedingte Verformung der Verformungsmesser.
Die Lastmessungselektronik braucht aus nicht mehr zu bestehen als einer genauen,
stabilen Spannungsversorgung, einem analogen Anzeigeinstrument mit Eichwiderstand
und einer Umschalteinrichtung für Lastmessung an der Vorderachse und an der Hinterachse.
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Das Zentralteil 11 kann durchgehend aus fester Karbonfaser bzw.
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dichtem Karbonfasermaterial bestehen. In der dargestellten Form besitzt
das Zentralteil 11 ein Innenteil-30 aus Stahl in einem Karbonfaserkörper 31. Das
Karbonfasermaterial 31 bedeckt mit Ausnahme der Enden die Arme 13 bis 16 oben und
unten und zieht sich an den Seitenwänden des Kerns 10 bis zum oberen Ende und bis
zum unteren Ende. Das Innenteil 30 reduziert die Biegung der Kragträger 13 bis 16
leicht, übernimmt jedoch alle Scherkraft und Lastkontaktkraft von den Kragarmen
13 bis 16. Der Karbonfaserkörper 31 übernimmt alle Biegespannungen. Die Oberseite
und die Unterseite des Kerns 10 sind frei von Karbonfasern. Ein Zentralteil 11 vollkommen
aus Stahl hätte größere
Abmessungen und würde sich unter einer gegebenen
Last nicht so stark wie Karbonfasermaterial durchbiegen. Je größer die Biegung des
sternförmigen Zentralteils 11 unter normalen Lasten ist, desto leichter kann die
Anordnung in Hinblick auf die Toleranzen gefertigt werden. Es wäre nicht möglich,
ein Zentralteil 11 aus Stahl herzustellen, das dieselbe Last mit demselben Uberlastschutz
aufnimmt.
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Im dargestellten Fall sind die Arme 13 bis 16 mit einem solchen Querschnittsverlauf
über ihre Länge ausgelegt, daß sich eine konstante Spannung ergibt. Da die Biegespannung
konstant ist, ist der Anbringungsort der Verformungsmesser unkritisch.
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Aus Gründen der einfachen Herstellung ist die obere Platte 17 so konstruiert,
daß sich die Kontaktflächen alle in derselben Ebene befinden. Die Höhe der Blöcke
28 an der unteren Platte 22 in Relation zur Höhe der Enden der Arme 13 bis 16 entscheidet
über den Beginn bzw. den Einsatz des Überlastschutzes.
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Ein Schutz des Lastsensors gegenüber Scherbeanspruchungen zwischen
der oberen Platte 17 und der unteren Platte 22 kann durch zusätzliche Scherblöcke
an den Ecken der Platten 17 und 22 erreicht werden, so daß die Schwerbeanspruchungen
durch die Platten zum Gehäuse C übertragen werden.
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Eine andere Möglichkeit zur Übertragung der Scherkräfte zwischen Deckel
und Basis ist in Fig. 4 dargestellt.
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Ein sandwichartiger Stahl-Gummi-Streifen 41 ist in eine vertikale
Spalte 42 zwischen dem Gehäuse C und den Seiten der oberen Platte 17 eingesetzt.
Bei Zuständen
mit geringen Scherkräften wird die Last quer über
den Sandwichstreifen 41 durch den Gummi aufgenommen, der dadurch zusammengedrückt
wird. Das Last-Biegungsverhältnis ist bei dieser Betriebsweise sehr hoch. Die Art
der Messung des Karbonfaser/Stahl-Zentralteils 11 bleibt unbeeinflußt, da das Last/Biegungs-Verhältnis
des Gummi-Stahl-Sandwichteils 41 gegenüber Scherung im Sandwichteil 41 relativ niedrig
ist. Darüber hinaus bleibt der vom Sandwichteil 41 stammende Widerstand mit der
Zeit konstant, d.h. die Biegung zur Messung zwischen dem Deckel und der Basis ist
reibungsfrei bei geringen Scherkraftwerten. Für höhere Scherkraftwerte kann der
Streifen 41 so konstruiert werden, daß der Gummi durchschlägt (bottoms out") und
daß zusätzliche Last durch direkten Kontakt Stahl-auf-Stahl übertragen wird.
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Wenn der zellenartige Lastsensor sowohl Zuglasten als auch Drucklasten
aufnehmen soll, kann er für die Zuglast so angeordnet sein, daß er durch Bolzen
oder innerhalb oder außerhalb des Zentralteils 11 angeordnete Kragarme mitgenommen
wird. Mit einer derartigen Anordnung könnte man auch eine Vor last auf das Zentralteil
11 aufbringen, die die Ermüdungslebensdauer der Verformungsmesser durch Verringerung
der Arbeitsspielamplitude erhöht.
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Ansprüche