DE3719322A1

DE3719322A1 - Bolzenartiges bauelement zur bestimmung von zug- oder druckkraeften

Info

Publication number: DE3719322A1
Application number: DE19873719322
Authority: DE
Inventors: Roman Romes; Dietmar Meier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1988-12-29
Anticipated expiration: 2007-06-11
Also published as: DE3719322C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem bolzenartigen Bauelement zur Be stimmung von Zug- oder Druckkräften über die in diesem bei mecha nischer Belastung auftretenden Schubspannungen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem derartigen bekannten Bauelement wird mit Hilfe eines Sensors, der nach dem Transformatorprinzip arbeitende Primär- und Sekundärspulen aufweist, die Schubspannung bestimmt. Dieses Bauelement hat aber den Nachteil, daß es relativ aufwendig baut.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße bolzenartige Bauelement mit den kennzeichnen den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß es besonders einfach und preisgünstig baut. Es können Zug- und Druck kräfte unterschieden werden, so daß eine richtungsabhängige Ermitt lung der angreifenden Kraft möglich ist. Bei Verwendung zweier Ma gnetfeldsensoren ist es möglich, die durch Reibung auftretenden, sich überlagernden Drehmomente zu eliminieren.

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

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Bauelement in ver einfachter Darstellung, Fig. 2 eine Abwicklung des Feldlinienver laufs in der Bohrungswand, Fig. 3 den Feldlinienverlauf im Bereich des Magnetfeldsensors, wobei Fig. 3a ohne Krafteinwirkung, Fig. 3b bei Zugkraft und Fig. 3c bei Druckkraft dargestellt ist und Fig. 4a die auftretenden Schubspannungen bei Zugkraft, Fig. 4b die auf tretenden Schubspannungen durch das überlagerte Drehmoment M _d, Fi gur 5 a eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels und Fig. 5b eine Einzelheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiels

Bei einem nicht näher dargestellten, mehrteiligen Schleppergehäuse 10 sind zwei Schenkel 11, 12 ausgebildet, die je eine Lagerbohrung 13, 14 aufweisen. In diesen sind die Enden 15, 16 eines bolzenarti gen, torsionsfesten Bauelements 17 gelagert. Es ist insbesondere als frei aufliegender Träger ausgebildet. Das Bauelement 17 dient dabei als Kraftmesser. Zwischen den beiden Lagerbohrungen 13, 14, d.h. zwischen den Schenkeln 11, 12 liegt die Kugelbuchse 18 eines am Schleppergehäuse 10 schwenkbar gelagerten Unterlenkers 20.

Das Bauelement 17 ist als rohrförmige Hülse ausgebildet, in deren Längsbohrung 24 im Bereich der Schubspannungen ein Meßsystem 25 an geordnet ist. Der Bereich der maximalen Schubspannungen liegt je weils zwischen den Schenkeln 11, 12 und der Kugelbuchse 18 des Un terlenkers 20. In der Praxis genügt es ein Meßsystem 25, wie in der Fig. 1 dargestellt, zwischen einem der Schenkel 11 bzw. 12 und der Lagerbuchse 18 anzuordnen. Das Meßsystem 25 hat einen Permanentma gneten 26, der sich in der Scherebene 27 in Richtung der zu messen den Zug- bzw. Druckkräfte befindet. Der Permanentmagnet 26 sollte sich möglichst in der Längsachse der Längsbohrung 24 und senkrecht zur Längsachse angeordnet befinden. Oberhalb und unterhalb des Per manentmagneten 26 ist in Richtung der angreifenden Kraft F je ein Magnetfeldsensor 28, 29 angeordnet. Hierzu werden Hall-Elemente oder magnetfeldabhängige Widerstände, wie z.B. eine Differentialfeldplat te, verwendet. Die beiden Magnetfeldsensoren 28, 29 befinden sich im Bereich der maximalen Schubspannungen, d.h.sie sind an der Innenwand des Bauelements 17 angeordnet.

Das Meßprinzip beruht auf dem magnetoelastischen Effekt, d.h. die magnetischen Eigenschaften bei ferromagnetischen Stoffen, insbeson dere die Permeabilität, sind von den mechanischen Spannungen abhän gig. Bei Betrieb des Ackerschleppers wirkt über den Unterlenker 20 des Pflugs eine Zugkraft F auf das Bauelement 17 ein, so daß dieses elastisch verformt wird. Die dabei auftretenden mechanischen Span nungen bewirken eine Veränderung des Magnetlinienverlaufs des Meß systems 25. Im unbelasteten Zustand des Bauelements 17 ergibt sich der in Fig. 2a dargestellte Feldlinienverlauf. Die vom Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten 26 verlaufenden Magnetlinien sind gleichmäßig über die Wand des Bauelements 17 verteilt. Der Feld linienverlauf ist symmetrisch zur Längsachse des Permanentmagneten 26. Der im Magnetfeldsensor eine Spannung hervorrufende Magnetfeld vektor H _x ist im unbelasteten Zustand gleich Null. Durch die an greifende und zu messende Kraft F entstehen in dem magnetisierten Teil des Lagerbolzens 17 Schubspannungen, die den Verlauf der Feld linien des Permanentmagneten 26 verändern. Der Verlauf der Schub spanungen ist in Fig. 4a dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Größe der Schubspannungen T _F in der Wand des Bauelements 17 zur Längsbohrung 24 hin zunehmen. Die im oberen Bereich I und im unteren Bereich II auftretenden Spannungsvektoren weisen die gleiche Rich tung und Größe auf. In Fig. 2b und 2c ist der durch die jeweils an greifende Kraft verzerrte Magnetfeldlinienverlauf dargestellt. Der Feldvektor H dreht sich proportional zur angreifenden Kraft F, ab hängig von der Kraftrichtung, nach rechts oder links, d.h. in den positiven oder negativen Bereich.

Die beiden Magnetfeldsensoren 28, 29 sind so angeordnet, daß sie nur den Anteil des Feldvektors H _x des Magnetfeldes messen, der in Längsrichtung des Bauelements 17 verläuft. In den Fig. 2 und 3 ist die Meßrichtung der Magnetfeldsensoren 28, 29 durch einen Pfeil A angedeutet. In Fig. 3b sind infolge einer angreifenden Zugkraft F die Feldlinien so verzerrt, daß ein Vektor H _x in Meßrichtung A auftritt, der im Magnetfeldsensor eine positive Signalspannung er zeugt. In der Fig. 3c sind die Feldlinien infolge einer angreifen den Druckkraft so verzerrt, daß ein negativer Vektor H _x entgegen der Meßrichtung A auftritt, der eine negative Signalspannung er zeugt. Die Signalspannung des Magnetfeldsensors liefert nicht nur ein der Schubspannung proportionales Meßsignal, sondern läßt auch aus der Signalpolarität die angreifende Kraftrichtung erkennen.

Grundsätzlich würde für die Messung ein Magnetfeldsensor 28 bzw. 29 ausreichen. Bei der Bewegung des Unterlenkers 20 unter großer Kraft einwirkung wirkt auf das Bauelement 17 durch die Reibung der Kugel buchse 18 ein Drehmoment, das ebenfalls eine Schubspannung verur sacht. Diese ist der oben beschriebenen Schubspannung infolge der Zug- oder Druckkraft F überlagert und verfälscht das Meßergebnis. Wird ein zweiter Magnetfeldsensor 28 bzw. 29 angeordnet, so wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, kann durch Überlagerung der Meßsi gnale der Drehmomenteinfluß eliminiert werden. In Fig. 4b sind die infolge des Drehmoments M _d auftretenden Schubspannungen schema tisch dargestellt. Die im oberen Bereich I bzw. im unteren Bereich II auftretenden Schubspannungen T _M haben entgegengesetzte Polari tät. Ihre Größe nimmt zur Längsbohrung 24 hin ab. Werden die in den Bereichen I und II auftretenden Schubspannungen T _M miteinander ad diert

T _{ges I} = T _F + T _M T _{ges II} = T _F - T _M T _{ges I+II} = 2T _F

so können die durch das Drehmoment auftretenden Schubspannungen eli miniert werden.

Statt eines Hall-Elements kann auch ein magnetoresistiver Sensor 30 verwendet werden. Die Widerstände 31, 32, 33, 34 des Sensors weisen, wie aus Fig. 5a ersichtlich, Streifen 36 aus elektrisch gut leiten dem Material auf, die unter ca. 45° zur Längsachse der Widerstände angebracht sind. Dadurch bildet auch die Richtung des Stroms einen Winkel von 45°. Um Größe und Richtung eines anliegenden Magnetfel des bestimmen zu können, sind vier Widerstände 31 bis 34 in einer Brückenschaltung verschaltet. Jeweils diagonal gegenüberliegende Widerstände 31, 34 bzw. 32, 33 weisen die gleiche Meßrichtung auf und die Widerstände 31, 34 bzw. 32, 33 der beiden Diagonalen haben entgegengesetzte magnetische Empfindlichkeit, das bedeutet, daß eine Diagonale der Brückenschaltung positive Polarität und die andere Diagonale negative Polarität hat.

Claims

1. Bolzenartiges Bauelement (17) zur Bestimmung von Zug- oder Druck kräften über die in diesem bei mechanischer Belastung auftretenden Schubspannungen, wobei das Bauelement (17) Teil einer Steuereinrich tung (10), z.B. eines Hubwerks von landwirtschaftlichen Arbeitsfahr zeugen ist, und in einer Ausnehmung (24) des Bauelements (17) minde stens ein Meßsystem (25) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (25) mindestens ein magnetfeldabhängiges und die Ma gnetfeldrichtung bestimmendes Element (28, 29) aufweist, das sich in einem die Wand des Bauelements (17) durchsetzenden Magnetfeld eines in der Ausnehmung (24) angeordneten Magneten (26) befindet.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß system (25) je ein die Schubspannung messendes, magnetfeldabhängiges Element (28, 29) aufweist und die Signalspannungen der beiden Ele mente (28, 29) addiert werden.

3. Bauelement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (26) im Bereich der Scherzone (27) des Bauelements (17) angeordnet ist und in Richtung der angreifenden Kraft ausge richtet ist.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß der Magnet ein Permanentmagnet (26) ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das magnetfeldabhängige Element ein magnetorestiver Sensor (30) ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen sor (30) mehrere in einer Brückenschaltung angeordnete Widerstände (31 bis 34) aufweist, und daß jeweils diagonal gegenüberliegende Wi derstände (31 bis 34) die gleiche Meßrichtung aufweisen und die Wi derstände (31 bis 34) der beiden Diagonalen entgegengesetzte magne tische Empfindlichkeit haben.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensor (30) Widerstände (31 bis 34) mit einer Streifenstruktur (36) aufweist, bei der die Richtung des Stroms einen Winkel von ca. 45° zur Längsachse bildet.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das magnetfeldabhängige Element ein Hall-Element (28, 29) ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die Ausnehmung die Längsbohrung (24) des Bauelements (17) ist.