DE3819083C2

DE3819083C2 -

Info

Publication number: DE3819083C2
Application number: DE3819083A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl.-Phys. 7060 Schorndorf De Schiessle; Khaldoun Dr. 7070 Schwaebisch Gmuend De Alasafi
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1988-06-04
Filing date: 1988-06-04
Publication date: 1990-04-19
Also published as: JPH0643927B2; US4955241A; DE3819083A1; JPH0227229A

Description

Die Erfindung betrifft eine elastische Kraftmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist eine gattungsgemäße elastische Kraftmeßvorrichtung bekannt (DE 27 40 685 A1), bei welcher auf den Außenmantelflächen der hohlzylinderförmig ausgebildeten Druckring- und Zughülsenkörper als Meßmittel Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt sind, welche zu einander benachbarten Zweigen einer Brückenschaltung verschaltet sind. Durch eine derartige Ausbildung kann zwar eine Linearisierung der Kennlinie der Kraftmeßvorrichtung durch in der Hauptsache mechanische und einfache, keinen Abgleich benötigende elektrische Maßnahmen bewirkt werden, jedoch ist sowohl die thermische Fehlerkompensation als auch die Meßempfindlichkeit unbefriedigend.

Des weiteren ist eine magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung bekannt (DD-PS 42 352), bei welcher eine als Meßinduktivität dienende Spule auf einem auf Druck beanspruchten Körper aus magnetoelastischem Material angeordnet ist, welcher koaxial in einem ebenfalls aus magnetoelastischem Material bestehenden, auf Zug beanspruchten und eine als Vergleichsinduktivität dienende Spule tragenden Körper angeordnet ist. Da bei dieser Vorrichtung die Meß- und Vergleichsinduktivität in entgegengesetzter Richtung verändert werden, wird eine relativ gute Kompensation von von eventuellen Temperaturschwankungen hervorgerufenen Einflüssen auf das Meßergebnis erzielt.

Ferner ist eine magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung bekannt (DE 23 65 937 A1), bei welcher ein Druckringkörper als massiver Ring ausgebildet ist und der seine sich gegenüberliegenden Oberflächen miteinander verbindende Kanäle aufweist, durch welche eine Wicklung geführt ist. Werden hierbei die Stirnflächen des Ringes, der beispielsweise aus normalem Stahl, Magnetstahl oder Ferrit bestehen kann, mit der zu messenden Druckkraft beaufschlagt, so führt die daraus resultierende Änderung der Permeabilität des magnetostriktiven Materials des Ringes zu einer Änderung des Wechselstromwiderstandes in der mit Wechselstrom erregten Wicklung, die ein Maß für auf die Stirnflächen wirkende Druckkraft ist.

Ferner ist allgemein bekannt (DE-Z: Technisches Messen tm, Heft 5/1985, S.189-198, insb. S. 192 ff), magnetoelastische Sensoren zur Messung von Drehmomenten in Wellen oder als Kraftaufnehmer (US-Z: Soviet Inventions Illustrated, Bul. 18/15 Weck DO3, SU-S p. 7, SU-734-513) einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung so auszubilden, daß eine gute thermische Fehlerkompensation bei hoher Meßempfindlichkeit gewährleistet ist.

Ferner soll die Vorrichtung auch für den Dauerbetrieb unter schwierigen physikalischen und chemischen Umweltbedingungen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kraftmeß vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk malen des Anspruches 1 gelöst, wobei besonders vorteil hafte Aus- und Weiterbildungen durch die Merkmale der Unter ansprüche gekennzeichnet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Kraftmeßvorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Kraftmeßvorrichtung in schematischer Darstellung, bei welcher u.a. die zu messende Kraft in zu Fig. 1 anderer Weise eingeleitet wird und

Fig. 3 in schematischer Darstellung die elektrische Schaltung der verwendeten Wicklungen.

Die in den Figuren dargestellte magnetoelastische Kraft meßvorrichtung 1 besteht jeweils aus einem metallischen Druckringkörper 2 und einem metallischen Zughülsenkörper 3, welche jeweils eine kleine elastomechanische Hysterese aufweisen.

Der Druckringkörper 2 ist topfförmig ausgebildet und weist eine ringflanschförmige Stirnfläche 2.1 und ein dünn wandiges Hülsenteil 2.2 mit einer Stirnfläche 2.3 als Boden auf. Ebenso ist der Zughülsenkörper 3 topfförmig ausgebildet und weist einen Ringflansch 3.1 und ein dünnwandiges Hülsen teil 3.2 mit einer Aufnahme 3.3 als Bodenteil auf, welche mit einem Bolzen 4 zur Einleitung einer Kraft verbindbar ist. Der Zughülsenkörper 3 ist gegenüber dem Druckringkörper 2 so dimensioniert, daß einerseits der Ringflansch 3.1 auf der Stirnfläche 2.1 als Widerlager und zur Zentrierung auf Anlage liegt, während die Stirnfläche 3.3.1 der Aufnahme 3.3 gegenüber der Bodenfläche 2.3.1 der Stirnfläche 2.3 einen vorbestimmten Abstand a aufweist, und daß andererseits zwischen dem Außenmantel des Hülsenteils 3.2 des koaxial in den Hülsenteil 2.2 des Druckringkörpers 2 eingeschobenen Zughülsenkörpers 3 und dem Innenmantel des Hülsenteils 2.2 nur ein geringer Abstand von beispielsweise 0,5 bis 2 mm besteht.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bestehen sowohl der Druckringkörper 2 als auch der Zughülsenkörper 3 aus nicht magnetischem, elastischem Edelstahl, welche zur Verleihung von magnetostriktiven Eigenschaften jeweils mit einer dünnen, homogenen, gleichmäßigen, weichmagnetischen Meßschicht 2.4 bzw. 3.4 versehen sind. Die Meßschicht 2.4 ist hierbei auf den Außenmantel 2.2.1 des Hülsenteils 2.2 des Druck ringkörpers 2 und die Meßschicht 3.4 auf den Innenmantel 3.2.1 des Hülsenteils 3.2 des Zughülsenkörpers 3 aufge bracht.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 hingegen bestehen sowohl der Druckringkörper 2 als auch der Zughülsenkörper 3 aus teilmagnetischem oder magnetischem Material. Im Unter schied zu Fig. 1 ist hierbei die dem Druckringkörper 2 magnetostriktive Eigenschaften verleihende Meßschicht 2.4 auf einer auf den Außenmantel 2.2.1 des Hülsenteils 2.2 aufgebrachten nichtweichmagnetischen, nichtmagneto striktiven Zwischenschicht 2,5 und die dem Zughülsenkörper 3 magnetostriktive Eigenschaften verleihende Meßschicht 3.4 auf einer auf den Innenmantel 3.2.1 des Hülsenteils 3.2 aufgebrachten nichtweichmagnetischen, nichtmagnetostriktiven Zwischenschicht 3.5 aufgebracht, wobei die Zwischenschichten den Zweck haben, den Eigenmagnetismus des Druckringkörpers und des Zughülsenkörpers über diese Zwischenschicht jeweils magnetisch kurzzuschließen.

Die Meßschichten 2.4 und 3.4 bestehen aus einem fein kristallinen oder amorphen Metall, insbesondere aus einer chemisch und physikalisch optimierten NiP_x-Schicht mit einem Phosphoranteil von kleiner 7 Gewichts-Prozent bei einer Schichtdicke von kleiner gleich 100 Mikrometern. Zum Schutz der Meßschichten vor mechanischen oder chemischen Beschädigungen können diese noch mit einer nichtmagnetischen, nichtmagnetostriktiven Siegelschicht 2.4.1 bzw. 3.4.1 ver siegelt sein, welche aus einer NiP_x-Schicht mit einem Phosphoranteil von größer 12 Gewichts-Prozent besteht.

Sämtliche Schichten können chemisch oder galvanisch in einem einfachen und kostengünstigen Abscheideverfahren auf ihre jeweilige Unterlage abgeschieden werden, wobei bevorzugt das chemische Abscheideverfahren aufgrund er zielbarer guter Haftung, Gleichmäßigkeit und Homogenität angewendet werden wird.

Einerseits ist nun auf der Meßschicht 2.4 am Außenmantel 2.2.1 des Druckringkörpers 2 eine Ringspule 2.6 angeordnet und durch ein geeignetes Distanzteil 5 gegenüber dem Boden eines die Vorrichtung 1 aufnehmenden Gehäuses 7 abgestützt. Andererseits ist im Inneren des Zughülsenkörpers 3 auf dessen am Innenmantel 3.2.1 aufgebrachter Meßschicht 3.4 eine Ringspule 3.6 angeordnet, welche durch ein geeignetes Distanzteil 6 an der Aufnahme 3.3 abgestützt ist.

Die Wicklungsanfänge und -enden 2.6.1, 2.6.2 und 3.6.1, 3.6.2 der beiden Ringspulen 2.6, 3.6 sind hierbei zu einer induktiven Halbbrücke 8 gemäß Fig. 3 verschaltet und über einen Stecker 9 aus dem Gehäuse 7 herausgeführt, an welchen ein elektronisches Gerät 10, 10.1 zur Erregung und Aus wertung einer Differenz-Induktivität anschließbar ist.

Die Funktion der Vorrichtung ist nun folgende:

Wird über den Bolzen 4 eine Zug- oder Druck-Kraft F auf den Zughülsenkörper 3 der Vorrichtung 1 - welche insgesamt auf einem Widerlager 11 abgestützt und angeordnet ist - einge leitet, so wird dessen Hülsenteil 3.2 und mit diesem die Meßschicht 3.4 gedehnt. Diese Dehnung (+σ) bewirkt - auf grund der magnetoelastischen Kopplung - in der magneto striktiven Meßschicht 3.4 eine Änderung der magnetischen Permeabilität, welche von der über das elektronische Gerät 10 - beispielsweise einem Träger-Frequenz-Hybrid baustein - konstant erregten Ringspule 3.6 in eine Induktivitätsänderung δ L=L _o+Δ L (+σ) umgewandelt wird. Da sich der Zughülsenkörper 3 über seinen Ringflansch 3.1 auf der Stirnfläche 2.1 des auf dem Widerlager 11 liegenden Druckringkörpers 2 abstützt, wird derselbe einer Druckkraft ausgesetzt. Die so erzeugte Druckspannung (-σ) bewirkt - aufgrund der magnetoelastischen Kopplung - in der magnetostriktiven Meßschicht 2.4 ebenfalls eine Änderung der magnetischen Permeabilität, welche von der über das elektronische Gerät 10 konstant erregten Ringspule 2.6 in eine Induktivitätsänderung δ L=L _o-Δ L (-σ) umgewandelt wird. Da die beiden Ringspulen 2.6 und 3.6 gemäß Fig. 3 zu einer induktiven Halbbrücke 8 verschaltet sind, wird eine Verdoppelung des Meßeffektes bei gleichzeitiger guter Kompensation thermischer Fehler erzielt, so daß insgesamt die wirkende Kraft F sehr genau ermittelt werden kann.

Es ist außerdem auf einfache Weise ein Überlastschutz der Vorrichtung möglich, indem der Abstand a so vorbestimmt wird, daß bei Ausnutzung des vollen Meßbereiches die Stirnfläche 3.3.1 des Zughülsenkörpers 3 auf der Boden fläche 2.3.1 des Druckringkörpers 2 aufliegt.

Claims

1. Elastische Kraftmeßvorrichtung mit einem eine kleine elastomechanische Hysterese aufweisenden metallischen Druckringkörper, der zueinander parallele, von der zu messenden Kraft beaufschlagbare Stirnflächen aufweist, und einem in dem Druckringkörper koaxial und passend angeordneten, ebenfalls eine kleine elastomechanische Hysterese aufweisenden metallischen Zughülsenkörper, welcher an seinem einen Ende sich mit einem Ringflansch auf der freien, nicht gegen ein Widerlager abgestützten Stirnfläche des Druckringkörpers abstützt und an dessen anderem, freien Ende eine Aufnahme zur Einleitung der Kraft vorgesehen ist, wobei sowohl auf den Druckringkörper als auch auf den Zughülsenkörper zu einer Meßbrücke verschaltete Meßmittel aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verleihung von magnetostriktiven Eigenschaften der Druckringkörper (2) eine an seinem Außenmantel (2.2.1) und der Zughülsenkörper (3) eine an seinem Innenmantel (3.2.1) aufgebrachte dünne, homogene, gleichmäßige, weichmagnetische Meßschicht (2.4; 3.4) trägt,
daß der Druckringkörper (2) eine auf der Meßschicht (2.4) am Außenmantel (2.2.1) koaxial angeordnete und als Ringspule (2.6) ausgebildete Erreger- und Meßwicklung trägt,
daß der Zughülsenkörper (3) ebenfalls eine auf der Meßschicht (3.4) am Innenmantel (3.2.1) angeordnete und als Ringspule (3.6) ausgebildete Erreger- und Meßwicklung trägt, wobei die beiden Ringspulen zu einer induktiven Halbbrücke (8) verschaltet und an ein elektrisches Gerät (10, 10.1) zur Erregung und Auswertung der Differenz-Induktivität anschließbar sind.

2. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Druckringkörper (2) als auch der Zughülsen körper (3) aus nichtmagnetischem, elastischem Edelstahl mit kleiner elastomechanischer Hysterese bestehen.

3. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Druckringkörper (2) als auch der Zughülsen körper (3) aus zumindest teilmagnetischem Material bestehen, wobei sowohl zwischen der Meßschicht (2.4) und dem Außen mantel (2.2.1) des Druckringkörpers (2) als auch zwischen der Meßschicht (3.4) und dem Innenmantel (3.2.1) des Zug hülsenkörpers (3) jeweils auf der Mantelfläche eine nicht weichmagnetische, nichtmagnetostriktive Zwischenschicht (2.5; 3.5) aufgebracht ist.

4. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einem feinkristallinen Metall besteht.

5. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einem amorphen Metall be steht.

6. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einer chemisch und physikalisch optimierten NiP_x-Schicht mit einem Phosphoranteil von kleiner 7 Gewichts-Prozent bei einer Schichtdicke von kleiner gleich 100 Mikrometer besteht.

7. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) durch eine chemische Ab scheidereaktion aufgebracht ist.

8. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) durch eine galvanische Ab scheidereaktion aufgebracht ist.

9. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (2.4; 3.4) mit einer nichtmagnetischen, nichtmagnetostriktiven Siegelschicht (2.4.1; 3.4.1) ver siegelt ist.

10. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Siegelschicht (2.4.1; 3.4.1) aus einer NiP_x-Schicht mit einem Phosphoranteil von größer 12 Gewichts-Prozent besteht.

11. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche (3.3.1) der Aufnahme (3.3) des Zug hülsenkörpers (3) gegenüber einer Bodenfläche (2.3.1) der anderen Stirnfläche (2.3) des Druckringkörpers (2) einen vorbestimmten Abstand (a) aufweist.

12. Elastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauteile in einem Gehäuse (7) angeordnet sind.