DE4102085C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche, aus der JP-64-60 411 A bekannte Sensoreinrichtung
weist einen Lastsensor auf, der zwischen dem oberen
Ende der Kolbenstange eines Stoßdämpfers und einer oberen
isolierenden Befestigung angeordnet ist. Daher ist der Lastsensor
mit der Kolbenstange in Reihe angeordnet. Bei
einer solchen herkömmlichen Einbauanordnung liegt der Lastsensor
vollständig im Kraftfluß zwischen dem Rad und dem Gewicht der gefederten Masse,
d. h. der die Last bildenden Fahrzeugkarosserie.
Daher kann die maximale Verformung des Lastsensors
eine zulässige Höchstgrenze übersteigen, wodurch die Genauigkeit des
Signals verschlechtert wird. Da ferner der
Lastsensor im wesentlichen der gesamten Last ausgesetzt ist,
muß die Steifigkeit und die Festigkeit des Lastsensors
selbst ausreichend hoch sein. Dies hat jedoch
zur Folge, daß die signalbildende Verformung auch bei hohen
Eingangslasten nur relativ genug sein kann was
ebenfalls zu einer Verschlechterung der Genauigkeit der
Überwachungsergebnisse beiträgt.
Aus der DE 28 10 782 A1 ist eine Sensoranordnung bekannt,
die an einem Bauteil eines Ackerschleppers zur Ermittlung
von Zug- und Druckkräften befestigt ist. Dehnungsmeßstreifen
sind auf einem brückenförmigen lösbar am Bauteil befestigten Tragkörper angeordnet
und bilden eine
Meßanordnung in Parallelschaltung, die nur einen Teil der Belastung aufnimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
einfach montierbare Sensoranordnung zu schaffen, die eine
hohe Meßgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Sensoreinrichtung parallel zur
Kolbenstange des Federbeins angeordnet, wobei die
Sensoreinrichtung abseits der Verbindungsstelle der
Kolbenstange mit der Karosserie liegt. Die Sensoreinrichtung
wird einerseits an der Kolbenstange axial
gehalten und mittels einer Befestigungsmutter auf der Kolbenstange, die ebenfalls
in Axialrichtung wirkt, mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Dadurch ist es möglich, die Sensoreinrichtung beim Einbau
auf eine definierte Vorlast einzustellen.
Desweiteren
besteht der Vorteil, daß Federbein und Sensor unabhängig
voneinander ausgewechselt werden können.
Da die
Sensoreinrichtung der Karosserielast nicht unmittelbar
ausgesetzt ist, kann die Sensoreinrichtung kleiner und damit
empfindlicher ausgebildet werden.
Die Gefahr einer
Beschädigung der Sensoranordnung bei Montage und Transport
ist durch die vorteilhafte Anordnung auf der Dämpfer-Kolbenstange innerhalb der Schraubenfeder
des Federbeins auf ein Minimum
beschränkt.
Des weiteren besteht die Möglichkeit, bei
Alterungserscheinungen der Bauelemente eine Nachjustierung
unkompliziert vornehmen zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus
führungsformen mit bezug auf die Zeichnungen näher erläu
tert; es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt des Hauptteils eines Kraftfahr
zeug-Radaufhängungssystems, auf den eine bevor
zugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein
bauanordnung eines Lastsensors angewendet wird;
Fig. 2 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Lastsensors;
Fig. 3 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Ein
gangslast und der Verformung an der Position des
Lastsensors erläutert; und
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Lastsensors.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Einbauanordnung eines Lastsensors 9 in einem
Kraftfahrzeug-Radaufhängungssystem gezeigt. Das gezeigte
Aufhängungssystem stellt eine typische Konstruktion dar
und umfaßt einen Stoßdämpfer mit einer Kolbenstange 1.
Der obere Endbereich der Kolbenstange 1 ist über eine
obere isolierende Befestigung 2 mit einer die gefederte
Masse bildenden (nicht gezeigten) Fahrzeugkarosserie ver
bunden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Kolbenstange 1 einen
Hauptabschnitt 1a mit größerem Durchmesser, einen oberen
Endabschnitt 1c mit kleinerem Durchmesser und einen zwi
schen dem Hauptabschnitt 1a und dem oberen Endabschnitt
1c angeordneten Zwischenabschnitt 1b. Der Zwischenab
schnitt 1b umfaßt zwei Stufen 1d und 1e. Am oberen Endbe
reich 1c sind eine obere Buchse 3 und ein Stoßgummi-Ein
bauträger 4 angebracht. Der obere Endabschnitt 1c, der
die obere Buchse 3 und den Stoßgummi-Einbauträger 4
trägt, wird durch einen Träger 2a der oberen isolierenden
Befestigung 2 eingesetzt. Der Träger 2a der oberen iso
lierenden Befestigung 2 ist am oberen Endabschnitt 1c
mittels einer Befestigungsmutter 5 befestigt, die mit dem
an der äußeren Umfangsfläche des oberen Endabschnittes 1c
gebildeten Gewinde 1g in Eingriff ist.
Der Stoßgummi-Einbauträger 4 weist eine im wesentlichen
scheibenförmige Endplatte 4a auf, die zwischen dem Träger
2a der oberen isolierenden Befestigung 2 und der oberen
Buchse 3 angeordnet und zusammen mit dem Träger 2a durch
die Befestigungsmutter 5 befestigt ist. Der Stoßgummi-
Einbauträger 4 besitzt eine zylindrische Verlängerung 4b
mit kleinerem Durchmesser, die sich von der Außenkante
der Endplatte 4a erstreckt, und eine zylindrische Verlän
gerung 4c mit größerem Durchmesser. In der zylindrischen
Verlängerung 4c mit größerem Durchmesser ist ein Stoß
gummi 6 angebracht.
Eine untere Buchse 8 besitzt einen Durchmesser, der im
wesentlichen mit dem Außendurchmesser des Zwischenab
schnitts 1b der Kolbenstange 1 übereinstimmt. Die untere
Buchse 8 sitzt auf einer Stufe 1d der Kolbenstange 1 auf,
damit verhindert wird, daß sich die untere Buchse 8 in
axialer Richtung weiter abwärts bewegen kann. An der un
teren Buchse 8 ist ein zylindrischer Lastsensor 9 ange
bracht. Die axiale Bewegung des Lastsensors 9 wird mit
tels einer Befestigungsmutter 7, die mit dem am Zwischen
abschnitt 1b der Kolbenstange 1 ausgebildeten Gewindebe
reich in Eingriff ist, eingeschränkt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Lastsensor 9 im wesentli
chen zylindrisch oder ringförmig ausgebildet. Er umfaßt
ein Sensorgehäuse 90 und ein Dehnungsmeßelement 91. Das
Sensorgehäuse 90 besitzt einen im wesentlichen zylindri
schen Aufbau. An der inneren Umfangsfläche des Sensorge
häuses 90 ist eine ringförmige Nut 90a ausgebildet, wo
durch ein dünnerer Wandbereich 90b definiert wird. Der
dünnere Wandbereich 90b dient als lastempfindlicher Ver
formungsbereich, durch den eine Verformung aufgrund der
auf ihn ausgeübten Beanspruchung bewirkt wird. Das Deh
nungsmeßelement 91 ist am dünneren Wandabschnitt 90b an
geordnet, damit die Größe der Verformung und damit die
auf die Kolbenstange 1 ausgeübte Last überwacht werden
kann. Das Dehnungsmeßelement 91 ist über einen Kabelsatz
91a mit einer externen Schaltung verbunden. Wie aus Fig.
1 ersichtlich ist, erstreckt sich der Kabelsatz 91a durch
die am oberen Endabschnitt 1c der Kolbenstange 1 ausge
bildete axiale Nut 1h.
Die obere Buchse 3 besitzt eine radiale Erweiterung 3a.
Ebenso besitzt die untere Buchse 8 eine radiale Erweite
rung 8a. Die beiden Enden einer elastischen Staubabdec
kung 10 sind mit den radialen Erweiterungen 3a und 8a der
oberen bzw. der unteren Buchse 3 bzw. 8 verbunden. Wie
aus Fig. 1 ersichtlich, erstreckt sich die Staubabdeckung
10 über denjenigen Abschnitt der Kolbenstange 1 hinaus,
an dem der Lastsensor angebracht ist. Dadurch kann der
Lastsensor 9 vor Staub, Schmutz usw. geschützt werden.
Für die Montage des Lastsensors 9 an der Kolbenstange 1
wird der Lastsensor an die Kolbenstange herangeführt und
auf der unteren Buchse 8 aufgesetzt. Nach der Anbringung
des Lastsensors 9 wird die Befestigungsmutter 7 mit dem
Gewindebereich 1f in Eingriff gebracht. Dann wird die Be
festigungsmutter angezogen, um den Lastsensor 9 an der
Kolbenstange 1 zu befestigen. Durch das Drehmoment der
Befestigungsmutter 7 wird auf den Lastsensor 9 eine Vor
last ausgeübt. Diese Vorlast dient als Eichlast des Sen
sors. Mit der Eichlast werden das Sensorgehäuse 90 und
das Dehnungsmeßelement 91 einer Anfangsverformung ausge
setzt. Daher erzeugt das Dehnungsmittel 91 einen An
fangsausgangspegel.
Nachdem der Lastsensor 9 auf diese Weise an der Kolben
stange 1 montiert ist, werden die obere Buchse 3 und die
Staubabdeckung 10 angebracht. Dann wird der obere Endab
schnitt 1c der Kolbenstange 1 eingesetzt, mit der oberen
isolierenden Befestigung 2 zusammengefügt und mittels der
Befestigungsmutter 5 befestigt.
Daraus wird deutlich, daß in der erläuterten Ausführungs
form der Lastsensor 9 unabhängig von der Befestigungsmut
ter 5, mit der die obere isolierende Befestigung 2 befe
stigt wird, mittels der Befestigungsmutter 7 befestigt
wird. Dadurch kann der Lastsensor 9 von der auf die obere
isolierende Befestigung 2 ausgeübten Anfangslast freige
halten werden.
In Fig. 3 sind Verformungskennlinien der gezeigten Aus
führungsform des Lastsensors 9 gezeigt. In diesem Dia
gramm ist nach links die Zuglast und nach rechts die Kom
pressionslast aufgetragen, während nach oben die Größe
der Kompressionsverformung und nach unten die Zugverfor
mung aufgetragen ist. Die Linie 1 stellt die Verformungs
kennlinie des erfindungsgemäßen Lastsensors dar, während
die Linie 2 die Verformungskennlinie eines herkömmlichen
Lastsensors darstellt.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Anfangsverformung a
in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lastsensors viel geringer als die Anfangsverformung d des
herkömmlichen Lastsensors ist. Da andererseits die Steif
heit oder Festigkeit des erfindungsgemäßen Lastsensors 9
viel kleiner bemessen werden kann als im herkömmlichen
Sensor, kann die Verformungsgröße in der bevorzugten Aus
führungsform des Lastsensors 9 viel größer als im her
kömmlichen Lastsensor bemessen werden. Daher ist der Ver
formungsbereich b der bevorzugten Ausführungsform des er
findungsgemäßen Lastsensors 9 viel größer als der Verfor
mungsbereich f im herkömmlichen Lastsensor. Ferner ist
die maximale Verformung b des erfindungsgemäßen Lastsen
sors viel kleiner als die maximale Verformung e des her
kömmlichen Lastsensors, obwohl der Verformungsbereich b
wie erwähnt viel größer ist.
In der gezeigten Ausführungsform wird die Größe der An
fangsverformung a so eingestellt, daß bei maximaler Dämp
fungskraft im Kolbenrückprall- oder Kolbenausdehnungshub
die maximale Zugverformung kompensiert wird. Das heißt, daß
die Größe der Verformung in der bevorzugten Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Lastsensors bei Auftreten der
maximalen Dämpfungskraft Null wird.
Wenn auf die Kolbenstange 1 eine Kompressionslast aus
geübt wird, die den Kolben zu einer Rückprallbewegung
veranlaßt, wird auf die Kolbenstange eine Kompressions
kraft ausgeübt, wodurch der Abstand zwischen der Befesti
gungsmutter 7 und der unteren Buchse 8 verkleinert wird,
was eine Kompressionsverformung der Kolbenstange 1 her
vorruft. Diese Kompressionskraft wird infolgedessen an
den Lastsensor übertragen, was dessen Verformung bewirkt.
Daher wird die Größe der Kompressionsverformung am Last
sensor größer als die Anfangsverformung a. Somit wird der
Ausgangspegel des Lastsensors entsprechend der Zunahme
der Kompressionsverformung erhöht. Wenn andererseits auf
die Kolbenstange eine Zuglast ausgeübt wird, wird eine
Zugverformung verursacht, die den Abstand zwischen der
Befestigungsmutter 7 und der unteren Buchse 8 vergrößert.
Dadurch wird die auf den Lastsensor 9 ausgeübte Kraft
verringert, so daß die Größe der Verformung des Lastsen
sors ebenfalls verringert wird. Im Ergebnis nimmt der
Ausgangspegel des Dehnungsmeßelementes 91 des Lastsensors
ab.
Daraus wird deutlich, daß mit der gezeigten Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Lastsensors eine im Vergleich zu
einem herkömmlichen Lastsensor größere Veränderung des
die Dehnung darstellenden Ausgangspegels erzielt werden
kann. Da ferner in der beschriebenen Ausführungsform des
Lastsensors auf diesen nicht die Last der Fahrzeugkaros
serie wirkt, genügt für das Sensorgehäuse eine geringe
Festigkeit oder Steifigkeit. Dadurch kann der Lastsensor
in größerem Ausmaß verformt werden, woraus sich ein Aus
gangspegel des Sensors ergibt, der im Vergleich zu demje
nigen eines herkömmlichen Lastsensors größer ist. Da wie
erwähnt die bevorzugte Ausführungsform des Lastsensors
von der Last der Fahrzeugkarosserie freigehalten werden
kann, kann die aufgrund dieser im wesentlichen unverän
derlichen Last bewirkte Anfangsverformung kleiner als
diejenige des herkömmlichen Sensors eingestellt werden.
Dadurch ist das Ausmaß der maximalen Verformung, die am
Lastsensor bewirkt wird, viel kleiner als diejenige des
herkömmlichen Lastsensors. Dies hat zur Folge, daß die
Genauigkeit der Lastmessung bedeutend erhöht werden kann.
Da in der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lastsensors anstelle eines piezoelektrischen Elements ein
Dehnungsmeßelement 91 verwendet wird, wird eine Lastmes
sung im Niederfrequenzbereich möglich.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten
Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die Erfindung
nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die Erfindung
kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden. Daher ist
beabsichtigt, sämtliche Ausführungsformen und Abwandlun
gen in den Umfang der Erfindung, der durch die Pa
tentansprüche festgelegt wird, einzuschließen.
Obwohl in der erläuterten Ausführungsform der Lastsensor
an der Kolbenstange angebracht ist, ist es beispielsweise
möglich, den Lastsensor an irgendeinem der Radaufhän
gungselemente, die der Eingangslast ausgesetzt sind und
eine Verformung bewirken, anzubringen. Etwa kann im Falle
eines Radaufhängungssystems, bei dem ein umgekehrter
Dämpfer, der einen mit der Fahrzeugkarosserie verbundenen
Dämpfungszylinder aufweist, verwendet wird, der Lastsen
sor am Dämpfungszylinder angebracht werden. Bei einem
Radaufhängungssystem mit einer Höheneinstellungsfunktion
kann der Lastsensor auch am Höheneinstellungselement an
gebracht werden. Obwohl in der erläuterten Ausführungs
form der Lastsensor entsprechend der unveränderlichen
Last, etwa der Fahrzeugkarosserie, eingestellt ist, der
art, daß die Last am Lastsensor bei maximaler Dämpfungs
kraft im Rückprallhub Null wird, ist es selbstverständ
lich möglich, die eingestellte Last zu verändern, um bei
der maximalen Dämpfungskraft im Rückprallhub eine Zugver
formung zu bewirken. In einem solchen Fall wird selbst
verständlich die Anfangsverformung kleiner als in dem
weiter oben beschriebenen Fall. Dadurch wird die maximale
Kompressionverformung noch kleiner. Obwohl die Verwen
dung eines piezoelektrischen Elements bei der Überwachung
der Last im niedrigen Frequenzbereich der Schwingungen
Probleme bereiten kann, ist es möglich, einen ringförmi
gen piezoelektrischen Lastsensor 92, wie er in Fig. 4 ge
zeigt ist, zu verwenden.
Claims (6)
1. Sensoranordnung für ein Federbein eines Kraftfahrzeug-
Radaufhängungssystems, die mit
einer Kolbenstange des Schwingungsdämpfers des Federbeins zusammenwirkt, dadurch
gekennzeichnet,
daß eine Meßelemente (91) enthaltende Sensoreinrichtung (9) parallel zur Kolbenstange (1) so angeordnet ist, daß sie die Kolbenstange (1) in einem Abschnitt überdeckt, der abseits der Verbindungsstelle von der Kolbenstange mit der Karosserie liegt,
daß eine Abstützung (8) an der Kolbenstange (1) vorgesehen ist, gegen die sich die Sensoreinrichtung (9) in Axialrichtung der Kolbenstange (1) abstützt, und
daß eine auf der Kolbenstange (1) axial verstellbare Befestigungsmutter (7) vorgesehen ist, über die die Sensoreinrichtung (9) gegen die Abstützung (8) in Axialrichtung definiert vorspannbar ist.
daß eine Meßelemente (91) enthaltende Sensoreinrichtung (9) parallel zur Kolbenstange (1) so angeordnet ist, daß sie die Kolbenstange (1) in einem Abschnitt überdeckt, der abseits der Verbindungsstelle von der Kolbenstange mit der Karosserie liegt,
daß eine Abstützung (8) an der Kolbenstange (1) vorgesehen ist, gegen die sich die Sensoreinrichtung (9) in Axialrichtung der Kolbenstange (1) abstützt, und
daß eine auf der Kolbenstange (1) axial verstellbare Befestigungsmutter (7) vorgesehen ist, über die die Sensoreinrichtung (9) gegen die Abstützung (8) in Axialrichtung definiert vorspannbar ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoreinrichtung (9) ein ringförmiges Sensorgehäuse
(90) und ein am Sensorgehäuse (90) angebrachtes
Dehnungsmeßelement (91) aufweist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorgehäuse (90) mit einem dünnen Wandbereich
(90b) versehen ist, und daß das Dehnungsmeßelement (91) am
dünnen Wandbereich (90b) angeordnet ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoreinrichtung (9) ein ringförmiges
piezoelektrisches Element (92) aufweist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorspannung so eingestellt ist, daß
die auf die Sensoreinrichtung (9) ausgeübte Last bei einer
Zuglast, bei der beim Ausfedern des Federbeins die maximale
Dämpfungskraft erzeugt wird, Null ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) koaxial zur
Kolbenstange (1) angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung
(9) die Außenumfangsfläche der Kolbenstange (1) nicht
berührt.
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