DE3136959C2

DE3136959C2 - Geberanordnung zur Messung des Ladegewichtes von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3136959C2
Application number: DE19813136959
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dipl.-Ing. Hanke; Michael Dipl.-Phys. 7730 Villingen-Schwenningen Hermann
Original assignee: Mannesmann Kienzle GmbH
Current assignee: Digital Kienzle Computersysteme GmbH and Co KG
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1981-09-17
Publication date: 1986-11-20
Also published as: DE3136959A1

Abstract

Die vorgeschlagene Geberanordnung bezweckt bezüglich der gestellten Meßaufgabe eine optimale Anpassung der die Meßwerte bildenden Elemente an das extreme Störgrößenmilieu im Bereich des Meßobjekts, nämlich der Fahrzeugachse. Insbesondere wird die Forderung nach einem einheitlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Meßobjekt und Kraftsensor erfüllt. Erreicht wird dieses Ziel durch die Anwendung eines Schwingquarzelements (9) als Kraftsensor sowie durch dessen Halterung in einem speziellen, als Meßfeder ausgebildeten Kraftleiter (1) aus Stahl. Dabei ist die Halterung derart vorgenommen, daß die Orientierung der in das Schwingquarzelement (9) einzuleitenden und zu messenden Kraft einem solchen Winkel bezüglich der Schnittachsen XΔ, ZΔ eines dem AT-Schnitt-Typ entsprechenden Schwingquarzelementes (9) entspricht, bei dem der α-Wert des Schwingquarzelementes (9) gleich ist dem der Fahr zeug achse (19).

Description

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zierbarkeit der Meßwerte, zunächst die bei der gestell- chendem Ausdehnungskoeffizienten λ ausgewählt, so ten Meßaufgabe aufgrund des äußerst kleinen Meßwe- ist ein einheitlicher thermischer Ausdehnungskoeffiges erforderliche hohe Empfindlichkeit Demgegenüber zient zwischen Meßobjekt und Kraftsensor gegeben,
liegt das Frequenzspektrum der Fahrzeugschwingun- Fig. 2 zeigt einen derartigen, aus Stahlblechgeferiiggen im wesentlichen außerhalb des üblichen Bereichs 5 ten Kraftleiter 1, in dem ein Durchbruch 2, Verbinder Grundfrequenzen (1 bis 10 MHz) von Schwingquar- dungsstellen 3 und 4, welche geeigneten Schraubverbinzen, so daß diese Störgröße die Meßfrequenz nicht be- düngen zur Befestigung des Kraftleiters 1 an der Fahreinflußt Ebenso ist der Einfluß dieser insbesondere bei zeugachse dienen, sowie Schlitze 5 und 6 ausgestanzt Fahrt vielfach energiereichen Schwingungen auf die Be- sind. Auf der Verbindungslinie zwichen den Verbinfestigung des Schwingquarzelementes im Kraftleiter io dungsstellen 3 und 4, d. h. in Kraftwirkungsrichtung, sind wegen der geringen Masse des Schwingquarzelementes zwei sich gegenüberliegende und in den Durchbruch Ί vernachlässigbar. Hohe Druckfestigkeit und Biegestei- hineinragende Nasen 7, 8 ausgeformt, zwischen denen figkeit sind weitere Eigenschaften, die die Anwendung ein Schwingquarzelement 9 gehaltert ist, indem dessen eines Schwingquarzelementes zur Lösung der gestellten Seitenflächen an den Stirnflächen der Nasen 7, 8 anlie-Meßaufgabe zweckmäßig erscheinen lassen. 15 gen und beispielsweise mittels eines Acrylatklebers be-

Der entscheidende Vorteil ist jedoch darin begründet, festigt sind. Die im einzelnen nicht dargestellte Kontakdaß mit der Anwendung eines Schwingquarzelementes tierung der Elektroden des Schwingquarzelementes 9 als Kraftsensor eine exakte Anpassung der thermischen — eine ist mit 10 bezeichnet — mit den Leitungen der Ausdehnungskoeffizienten von Meßobjekt und Kraft- dem Schwingquarzelement zugeordneten Oszillatorsensor ermöglicht wird und somit mechanische Span- 20 schaltung erfolgt zweckmäßigerweise mittels fest oder nungen durch unterschiedliche Temperaturdehnungen flexibel auspolimerisierender Leitlackmittel.
von Meßobjekt. Kraftsensor und dessen Halter bzw. Der Kraftleiter 1 ist, wie aus F i g. *. weiter ersichtlich dem zwischen Meßobjekt und Kraftsensor -.-rfordiirli- ist, ferner derart ausgebildet daß in deii zwischen dem chen Kraftleiter ausgeschaltet sind. Durchbruch 2 und den Außenkonturen des Kraftleiters

Dieser Anpassungsmöglichkeit liegt die Erkenntnis 25 1 bestehenden Stegen 11 und 12 in Kraftwirkun^srichzugrunde, daß sich aufgrund der kristallinen Quarz- tung Längsöffnungen 13,14 angebracht sind und daß die struktur entsprechend der kristallographischen Orien- dadurci· entstehenden Stegteile 15,16 und 17,18 durch tierung an ein und demselben Schwingquarzelement un- geeignete Sickung jeweils wechselweise aus der Ebene terschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Kraftleiters 1 herausgeformt sind. Dadurch wird erergeben. So läßt sich beispielsweise für ein kreisförmi- 30 reicht daß die baulich erforderliche Rahmenstruktur ges Schwingquarzelement des AT-Schnitt-Typs ein Be- des Kraftleiters 1 in Kraftwirkungsrichtung in der Ebereich des Ausdehnungskoeffizienten tx von 9,7 bis ne des Blechteiles relativ weich federnd ausgebildet ist, 13,8 χ 10-⁶mm/°C ermitteln, während der Ausdeh- während das Schwingquarzelement 9 zwischen den Nanungskoeffizient λ der für die Fahrzeugachsen verwen- sen 7 und 8 verhältnismäßig stabil positioniert ist
deten Stähle zwischen 10 und 13 χ 10-⁶mm/°C liegt 35 Demgegenüber dienen die bereits genannten Schlitze Das heißt daß bei geeigneter Anordnung des Schwing- 5 und 6 im wesentlichen dazu, ein auf unterschiedliche quarzelementes und entsprechend orientierter Einlei- Anwendungsfälle abstimmbare Reduzierung der auf das tung der zu messenden Kraft unter einem bestimmten Schwmgquarzelement 9 einwirkenden Meßgröße vorWinkel/? zur Schnittachse X' bzw. Z' eine genaue Ober- zunehmen. Somit dient der Kraftleiter 1 nicht nur als einstimmung der Ausdehnungskoeffizienten λ von 40 eine spezielle Halterung für das Schwingquarzelement 9 Fahrzeugac¹· se und Schwingquarzelement erzielbar ist. sondern auch als Meßfeder.

Im folgenden ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel Die beispielsweise Befestigung des Kraftleiters 1 an

anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt einer Fahrzeugachse 19 erfolgt wie F i g. 4 zeigt mittels

Fig. 1 ein Polarkoordinatendiagramm über die Ab- Schrauben 20 und 21 sowie diesen zugeordneten, ent-

hängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten 45 sprechende Gewindebohrungen tragenden Böckchen

λ eines Schwingquarzelementes des AT-Schnitt-Typs 22 und 23, die ihrerseits mit der Fahrzeujachse 19 durch

bezüglich dessen Schnittachsen X', Z\ Schweißen verbunden sind. Zur Befestigung des Kraft-

F i g. 2 eins Draufsicht auf einen Kraftleiter mit einem leiters 1 sind beispielsweise auch Schweißverbindungen

in diesem gehalterten Schwingquarzelement quer zur Kraftwirkungsrichtung denkbar, wobei geeig-

F i g. 3 eine Seitenansicht des Kraftleiters gemäß 50 nete Vorkehrungen zur Lagefixierung des Kraftleiters 1

F i g. 2, und zur Entlastung der Schweißstellen an den Böckchen

F i g. 4 eine schematische Schnittdarstellung der erfin- 22 und 23 vorteilhaft v. ären. In einer Haube 24, die bei

dungsgem?ßen Geberano.'dnung in funktionsfertig an dem dargestellten, im wesentlichen schematischen Α;ϊ-

einer Fahrzeugachse angebrachtem Zustand. Ordnungsbeispiel ebenfalls mittels an der Fahrzeugach-

Das Polarkoordinatendiagramm F i g. 1 verdeutlicht 55 se Iy angeschweißten Böckchen 25 und 26 durch

nochmals die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi- Schrauben 27 und 28 befestigt ist und die Geberanord-

zienten λ eines Schwingquarzelementes und die Mög- nung gegen Schmutz und Wasser kapseln soll, ist eine

lichkeit, daß das Schwingquarzelement bei geeigneter Schaltungsplatte 29 befestigt, auf der, was, weil nicht

Orientierung der in dieses einzuleitenden und zu mes- erfindungswesentlich, im einzelnen nicht dargestellt ist,

senden Kraft in Kraftwirkungsrichtung den gleichen 60 die dem Schwingciarzelement 9 zugeordneten elektri-

Ausdehnungskoeffizienten λ aufweisen kann wie die sehen Bauelemente und Schaltungsteile, diejenigen ei-

Fahrzeugachse. Ein schmaler Bereich bei ρ = 60⁹, aus- nes Referenzschwingkreises sowie Schaltungsteile, die

gehend von der X'-Schnittachse muß vermieden wer- der Schwingungsdifferenzbildung diener., angeordnet

den, weil an dieser Stelle AfIAF = 0 ist, wobei AF die sind. Die Leitungsteile 30 und 31 dienen der elektrischen

Änderung der Eigenfrequenz und AFdie Änderung der 65 Verbindung des Schwingquarzelementes 9 mit der

Kraft bezeichnet. Wird nun, was an sich keine Schwie- Schaltungsplatte 29.

rigkeiten bereitet, als Material für den das Schwing- Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß es

quarzelement halterndcj Kraftleiter eines mit entspre- zweckmäßig ist, daß das Schwingquarzelement 9 unab-

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hängig von der Haube 24 mit einer gasdichten Kapselung 32 versehen ist, um atmosphärische Einflüsse abzuschirmen, insbesondere Kondensation von Wasserdampf zu verhindern. Hierzu kann ein relativ elastisches ' Plastikmaterial, beispielsweise Silikonkautschuk, An- 5

wendung finden. Auch können zusätzliche Verstärkun- '

gen von Metall- oder Plexiglasplättchen vorgesehen

werden. Die Befestigung der getrennt hergestellten ,,'

Kapselteile am Kraftleiter 1 erfolgt vorzugsweise durch _; i

Kleben mit einem in Anwesenheit von Wasserdampf io

polimerisierenden Klebstoff, d. h. daß beim Klebevor- .i

gang der in der Umgebung des Schwingquarzelementes
9 befindliche Wasserdampf eliminiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen is

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Claims

1 2 ner gasdichten Kapselung (32) vorzugsweise aus SiIi- Patentansprücher. kon-Kautschuk umschlossen ist

1. Geberanordnung zur Messung des Ladegewich-

tes von Kraftfahrzeugen, bei der eine durch die last- 5

abhängige Verformung der Fahrzeugachse verursachte Kraft auf einen Kraftsensor über einen Kraft- Die Erfindung betrifft eine Geberanordnung zur leiter übertragen wird, der einerseits den Kraftsen- Messung des Ladegewichtes von Kraftfabrzeugen gesor hält andererseits mit der Fahrzeugachse verbun- maß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
den ist und dessen thermischer Ausdehnungskoeffi- 10 Eine Geberanordnung der eingangs genannten Art ist zient α im wesentlichen dem der Fahrzeugachse ent- aus der GB-PS 15 54 476 bekannt
spricht, dadurch gekennzeichnet, daß als Zum Messen mechanischer Kräfte ist geberseitig eine Kraftsensor ein scheibenförmiges Schwingquarz- Fülle von auf den unterschiedlichsten physikalischen Efelement (9) Anwendung findet, dessen last- fekten beruhender Verfahren und Anordnungen beabhängige Eigenfrequenz ausgewertet wird, 15 kannt; für die Messung des Ladegewichtes von Kraft- und daß der Kraftleiter (1) derart an dem fahrzeugen sind die meisten jedoch nur bedingt geeig-Schwingquarzelement (9) angreift, daß die einge- net, da die Bildung eines Meßwertes aus der lastabhänleitete und zu messende Kraft im Schwingquarzele- gigen Verformung der Fahrzeugachse, die für diese ment (9) mit einer solchen Orientierung scheiben- Meßaufgabe als Meßobjekt noch hinlänglich geeignet parallel wirksam ist, bei der der thermische Ausdeh- 20 ist, in einem besonders extremen Störgrößenmilieu ernungskoeffizient » des Schwingquarzeiementes im foigt

wesentlichen mit dem des Kraftleiters (1) überein- Abgesehen vom teilweise erheblichen Fertigungs-,

stimmt Montage- und Justieraufwand, der die eine oder andere

2. Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- Geberanordnung für den Serieneinbau von vornherein kennzeichnet daß das Schwingquarzelement (9) eine 25 ungeeignet sein läßt, scheitern an dieser Meßaufgbe die dem AT-Schnitt-Typ entsprechende Scheibe dar- meisten bekannten Geberanordnungen aufgrund manstellt, an der der Kraftleiter (1) unter einem bestimm- gelnder Langzeitsxabilität, Schwingungsfestigkeit und ten Winkel p, bezogen auf die Schnittachse (X') des Unempfindlichkeit gegenüber den gegebenen klimati-Schwingquarzelementes (9), angreift sehen Bedingungen.

3. Geberanordnung nach einem der Ansprüche 1 30 Bei der gestellten Meßaufgabe kommt erschwerend oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der das hinzu, daß sich die lastabhängigen Dehnungen der Fahr-Schwingquarzelemep·. (9) heuernde Kraftleiter (1) zeugachse bewegen, so daß es, um Meßfehler durch als flaches Blechteil mi* wenigstens einem bezüglich thermisch begründete mechanische Verspannungen in dessen Verbindungsstellen (3, $) mit der Fahrzeug- der Übertragungsstrecke der Meßgröße so gering wie achse (19) sowie dessen in Kraftwirkungsrichtung 35 möglich zu halten, zwingend erforderlich ist. daß die befindlichen Außcnkonturer. symmetrisch ange- beteiligten Elemente einen einheitlichen thermischen brachten Durchbruch (2) und wenigstens zwei dem Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Schwingquarzelement (9) zugeordnete, in Kraftwir- Aus dem Journal of Physics E, Bd. 7,1974, Nr. 11, Seikungsrichtung sich gegenüberliegende und in den ten 865-875 ist es bekannt, zur B*.«timmung eines Ge-Durchbruch (2) hineinragende Nasen (7,8) ausgebil- 40 wich tes, ein scheibenförmiges Schwingquarzelement zu det ist verwenden, dessen lastabhängige Eigenfrequenz ausge-

4. Geberanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- wertet wird. Dabei ruht die Last ohne Kraftleiter auf kennzeichnet, daß das Schwingquarzelement (9) dem Schwingquarzelement vom AT-Schnitt-Typ. Therstumpf mit den Nasen (7, 8) des Kraftleiters (1) zu- mische Schwankungen der Eigenfrequenz werden bei sammengefügt und durch Kleben vorzugsweise mit- 45 der bekannten Vorrichtung durch geeignete Wahl der tels eines Acrylklebers an dem Kraftleiter (1) befe- Schnittachse des Schwingquarzes vermieden.

stigt ist Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe

5. Geberanordnung nach einem der Ansprüche 3 zugrunde, eine Geberanordnung der eingangs genann- oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ten Art zu schaffen, die den besonderen Bedingungen, Durchbruch (2) und den in Kraftwirkungsrichtung 50 denen eine solche Geberanordnung bei der Ladegebefindlichen Außenkonturen des Blechteiles beste- wichtsmessung an Kraftfahrzeugen ausgesetzt ist, optihenden Stege (11,12) durch quer zur Kraftwirkungs- .-nal angepaßt ist, und bei der ein einheitlicher thermirichtung angebrachte Sicken formelastisch ausgebil- scher Ausdehnungskoeffizient zwischen Meßobjekt und det sind. Kraftsensor gegeben ist.

6. Geberanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge- 55 Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden kennzeichnet, daß an den Stegen (11,12) in Kraftwir· Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst,
kungsrichtung Längsöffnungen (13, 14) angebracht Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gesind und daß je zwei Stegteile (15, 16 und 17, 18) kennzeichnet, daß das Schwingquarzelement eine dem durch Sickenbildung jeweils wechselweise aus der AT-Schnitt-Typ entsprechende Scheibe darstellt, an der Ebene des Blechteiles herausgeformt sind. 60 der Kraftleiter unter einem bestimmten Winkel, bezo-

7. Geberanordnung nach einem der Ansprüche 1 gen auf die Schnittachse des Schwingquarzelementes, bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftleiter angreift.

(1) als Meßfeder ausgebildet ist, in dem quer zur Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind den Unteran-

Kraftwirkungsrichtung Schlitze (5, 6) angebracht Sprüchen zu entnehmen.

sind. 65 Die Anwendung eines Schwingquarzes als Kraftsen-

8. Geberanordnung nach einem der Ansprüche 1 sor bietet, abgesehen von den an sich bekannten Vorzübis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kraftlei- gen hinsichtlich Langzeitstabilität, Linearität innerhalb ter angeordnete Schwingquarzelement (9) mittels ei- eines weiten Meßbereiches und relativ guter Reprodu-