DE3700835A1

DE3700835A1 - Kraftmesser zur messung von mechanischen spannungen in einem etwa bolzenartigen bauelement

Info

Publication number: DE3700835A1
Application number: DE19873700835
Authority: DE
Inventors: Werner Ing Grad Steprath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-01-14
Filing date: 1987-01-14
Publication date: 1988-07-28

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftmesser zur Messung von mecha nischen Spannungen in einem bolzenartigen Bauelement nach der Gat tung des Hauptanspruchs. Bei einem derartigen bekannten Kraftmesser wird die Belastung mit Hilfe eines Bauelements auf ein induktiv ar beitendes Meßelement übertragen. Die dabei erzeugten Meßsignale sind aber klein und müssen mit Hilfe elektronischer Verstärker verstärkt werden. Dadurch sind die Meßsignale sehr störempfindlich, z.B. durch das Bordnetz des Zugfahrzeugs oder durch den Handfunkverkehr. Ferner ist wegen der auftretenden Linearitätsschwankungen und Temperatur einwirkungen eine relativ komplizierte Auswerteschaltung notwendig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftmesser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bereits so große Meßsignale erzeugt werden, daß kein elektronischer Verstärker mehr notwendig ist. Die Meßsignale sind störunempfindlich und weisen einen hohen Linearitätsbereich auf, der zwischen ca. 10% bis 90% der Versorgungsspannung liegen kann. Der Kraftmesser ist besonders für den rauhen Einsatz bei landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeugen geeignet, da er besonders robust und schmutzunempfindlich baut. Ferner weist er eine lange Lebensdauer auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftmesser und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

An einem nicht näher dargestellten, mehrteiligen Gehäuse 10 sind zwei Schenkel 11, 12 ausgebildet, die je eine Lagerbohrung 13, 14 aufweisen. In den Lagerbohrungen 13, 14 sind die Enden 15, 16 eines bolzenartigen Bauelements 17 eines Kraftmessers 18 gelagert. Zwi schen den beiden Schenkeln 11, 12 des Schleppergehäuses 10 ist am Bauelement 17 ein Unterlenker 21 eines nicht näher dargestellten Dreipunktgestänges gelagert, das zur Aufnahme eines Pflugs dient. Die Zugrichtung des Unterlenkers ist parallel zur Zeichenebene der Fig. 1.

Das Bauelement 17 hat eine mittige, durchgehende Bohrung 22. Am Ende 16 des Bauelements 17, an dem sich auch die Öffnung 23 der Bohrung 22 befindet, ist am Außenumfang vertieft eine Folge von Schlüssel flächen 24 ausgebildet. Mit diesem Ende 16 ragt das Bauelement 17 über die Lagerbohrung 14 des Schenkels 12 hinaus. In die Schlüssel fläche 24 greift als Verdreh- und Verschiebesicherung ein Lageblech 25 ein, das zusammen mit einer Schutzhülse 26 mit Hilfe von zwei Schrauben 27 am Schenkel 12 befestigt ist.

In der Bohrung 22 befindet sich ein Zeiger 30, der mit seinem Ende 31 fest in der Öffnung 32 der Bohrung 22 angeordnet ist. Das andere Ende 33 des Zeigers 30 ist lose in der Bohrung 22 angeordnet und weist ein schmales Verlängerungsteil 34 auf. Dieses Verlängerungs teil 34 ragt zwischen zwei Engewiderstände 35, 36, die etwa im Be reich der Schlüsselflächen 24 in der Bohrung 22 angeordnet sind. Beide Engewiderstände 35, 36 werden von Justierblechen 37 umgriffen, mit denen nach Einbau die genaue Positionierung der Engewiderstände 35, 36 zu dem Verlängerungsteil 34 im unbelasteten Zustand einge stellt werden kann. Von den Engewiderständen 35, 36 führen elek trische Leitungen 38 zu einer nicht dargestellten Auswerteschaltung.

Die Engewiderstände 35, 36 bestehen aus zwei äußeren Metallschichten 41, 42 zwischen denen sich eine oder mehrere Schichten aus Halblei terplatten 43 befinden. Über die beiden Metallschichten 41, 42 wird die Kraft bzw. eine Längenänderung aufgebracht, wodurch sich der Wi derstand der Halbleiterplättchen verändert. Gleichzeitig dienen die Metallschichten 41, 42 auch zum Abgriff der Meßspannung. Zur Erklä rung des Meßprinzips ist von der Modellvorstellung auszugehen, daß der Halbleiter aus Kugeln aufgebaut ist. Wirkt kein Druck auf die Halbleiterplättchen ein, so berühren sich die Kugeln untereinander in einem Punkt und haben somit einen hohen Widerstand. Sobald eine Kraft aufgebracht wird, werden die Kugeln gepreßt und berühren sich nicht mehr punktartig sondern flächig. Dadurch wird der Widerstand verringert. Das Material der Halbleiterplättchen soll einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen. Es muß ferner ein feinkörniges Gefüge haben. Hierzu wird bevorzugt als Halbleitergrundlage Kohlenstoff, insbesondere Graphit, verwendet. Es sind auch intermetallische Ver bindungen, z.B. aus seltenen Erden mit Zirkon-Tetrachlorid möglich.

Bei harten aus Kohlenstaub und Pech gesinterten Plättchen beruht die Widerstandsänderung mit wechselndem Druck fast nur auf Oberflächen effekten an den Berührungsflächen der Halbleiterplättchen. Hier be steht der Engewiderstand insbesondere aus mehreren Schichten aus Halbleiterplättchen. Bei einer Verwendung von elastischen Massen wie z.B. Kunstharz mit halbleitenden Füllstoffen wird meist nur ein Kör per als Engewiderstand zwischen den beiden Metallschichten 41, 42 verwendet. Unter Druck beruht dann hier die Widerstandsänderung auf einer vermehrten und intensiveren Berührung der Füllstoffpartikel innerhalb der elastischen Masse.

Piezoelemente, die ebenfalls bei mechanischer Belastung eine elek trische Spannung bewirken, beruhen auf einem anderen mit dem hier vorliegenden nicht vergleichbaren Meßprinzip. Es werden bei Piezo elementen durch Polarisation Oberflächenladungen hervorgerufen und somit eine Meßspannung erzeugt.

Wirkt nun eine mechanische Kraft über den Unterlenker 21 auf den Kraftmesser 18 ein, so wird diese Kraft vom Bauelement 17 auf den Zeiger 30 bzw. dessen Verlängerungsteil 34 übertragen. Dadurch ist zugleich ein Übersetzungsverhältnis der Kraft gegeben, wodurch der Meßwert verstärkt wird. Abhängig von der Kraftrichtung wird das Ver längerungsteil 34 auf einen Engewiderstand 35 zu und vom anderen En gewiderstand 36 weg bewegt bzw. umgekehrt. Dadurch wird ein Engewi derstand entlastet und der andere belastet. Die dadurch erzeugten Spannungssignale werden in einer Auswerteschaltung in einer Diffe rentialschaltung z.B. einer Wheatstone′schen Brückenschaltung mit einander verknüpft und ausgewertet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind gleiche Teile wieder mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Der Kraftmesser 18 ist nicht im Bauteil 17, sondern in einem Schenkel 12 des Gehäuses 10 angeordnet. Hierzu ist im Schenkel 12 eine Ausnehmung 45 ausgebildet, in die ein Zeiger 46 ragt. Der Zeiger 46 ist mit seinem einen Ende 47 fest in das die Schenkel verbindende Joch 48 des Gehäuses 10 eingespannt und sein anderes Ende 49 befindet sich zwischen den beiden Engewider ständen 35, 36, die durch zwei Justierschrauben 50, 51 in ihrer Position justierbar sind. Das Bauelement 17 kann sowohl hohl als auch als Vollbolzen ausgebildet sein.

Wirkt über den Unterlenker 21 eine mechanische Kraft auf das Bauele ment 17 ein, so werden auch die beiden Schenkel 11, 12 verformt. Da durch werden auch die Engewiderstände 35, 36 in Richtung der angrei fenden Kraft bewegt. Da das Ende 47 des Zeigers 46 fest im Joch 48 eingespannt ist, macht dieses Ende 47 die Bewegung nicht mit. Das freie Ende 49 des Zeigers 46 aber drückt entgegen der Bewegungsrich tung auf einen Engewiderstand 36, während es den anderen Engewider stand 35 entlastet. Wie bereits oben ausgeführt, wird das dadurch erzeugte Meßsignal ausgewertet.

Claims

1. Kraftmesser zur Messung von mechanischen Spannungen in einem etwa bolzenartigen Bauelement (17), das Teil einer Steuereinrichtung, z.B. eines Hubwerks von landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeugen ist, wobei mit Hilfe des Bauelements (17) die durch eine an ihm angrei fende Belastung erzeugte Kraft auf ein Federmittel (30) und auf ein mit diesem in Wirkverbindung stehendes Meßelement (35, 36) übertra gen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement mindestens ei nen Engewiderstand (35, 36) aufweist, der aus einem oder mehreren zwischen Metallschichten (41, 42) angeordneten Halbleiterplättchen (43) besteht.

2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fe dermittel (30) sich in einem im Bauelement (17) ausgebildeten Hohl raum (22) befindet und mit seinem einen Ende (31) im Bauelement (17) fest angeordnet ist und mit seinem anderen Ende (33) mit den Engewi derständen (35, 36) in Wirkverbindung steht.

3. Kraftmesser nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (30) in einer Ausnehmung (45) eines Teils (12) der Steuereinrichtung angeordnet und mit seinem einen Ende (47) fest eingespannt ist und mit seinem anderen Ende (49) mit den Engewider ständen (35, 36) in Wirkverbindung steht.

4. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßelement aus zwei Engewiderständen (35, 36) be steht, zwischen denen sich das freie Ende (33, 49) des Federmittels (30) befindet.

5. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Engewiderstände (35, 36) aus mehreren Schichten von Kohleplättchen bestehen.

6. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Engewiderstände (35, 36) aus einer Schicht aus ei ner Kunststoffmatrix mit einem halbleitenden Füllstoff bestehen.

7. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bauelement (17) als frei aufliegender Träger aus gebildet und reibungsarm in zwei Lagerstellen (13, 14) eines Schlep pergehäuses (10) gelagert ist.

8. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Angriffsstelle der mechanischen Belastung zwischen den beiden Lagerstellen (13, 14) ausgebildet ist.

9. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Engewiderstände (35, 36) in einer elektrischen Auswerteschaltung in Brückenschaltung verknüpft sind.