DE4102085C2 - - Google Patents

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.

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.