DE3818126A1

DE3818126A1 - Kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3818126A1
Application number: DE3818126A
Authority: DE
Inventors: Hans W Haefner
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1989-11-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßeinrichtung mit wenigstens einer Kraftmeßzelle gemäß der oberbegrifflichen Merkmale des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 36 25 842 sind derartige Kraftmeßzellen bekannt, bei denen ein Drucksensor 4 auf piezo-elektrischer Basis oder mit Dehnmeßstreifen in einem elastomeren Stoff, insbesondere Silikon, eingebettet ist.

Mit dieser Kraftmeßzelle können Kräfte erfaßt werden, die auf Krafteinleitungsteile wie Platten aufeinander zu ausgeübt werden. Sie eignen sich insbesondere für Füllstands- und Gewichtsmessungen.

Aus der DE-OS 35 34 211 ist ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb bekannt, bei dem mittels Kraftmeßzellen der genannten Bauart zur Optimierung der Fahreigenschaften Kräfte auf Räder, Radaufhängungen, Lenkung, Karosserie, Getriebe usw. festgestellt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Kraftmeßzelle an der Verbindungsstelle zwischen Karosserie und Federbein eingebaut. Im allgemeinen wird eine derartige Kraftmeßzelle durch die Rad-/Achslast lediglich auf Druck beansprucht. Bei extremer Fahrweise wie z.B. bei Rallye- Fahrzeugen kann es jedoch auch zu Zugbeanspruchungen kommen, wenn sich ein Rad frei in der Luft befindet oder beim Springen über Bodenwellen.

Es sind auch weitere Anmeldungsfälle denkbar, bei denen Kräfte in der zur Hauptlastrichtung entgegengesetzten Richtung aufgebracht werden, die mit den bekannten Kraftmeßzellen jedoch nicht festgestellt werden können. Zudem würde eine derartige Beanspruchung in Zugrichtung eine Zerstörung der Kraftmeßzelle zur Folge haben, da das aufvulkanisierte Elastomer ggf. überbeansprucht und von den Krafteinleitungsteilen abgeschält werden könnte.

Neben den genannten Lastmessungen in vertikaler Richtung ist auch der Einsatz von Kraftmeßzellen in Horizontalrichtung z.B. für zugkraftmessungen von Fahrzeugen wünschenswert. Hierbei wird die Kraftmeßzelle entsprechend der Hauptbelastungsrichtung angeordnet, so daß die Zuglast z.B. eines Anhängers oder eines Anbaugerätes eine Druckbeaufschlagung der Kraftmeßzelle bewirkt. Bei Bergabfahrt mit einem Anhänger kommt es jedoch zu einer Umkehrung der Belastungsrichtung, was zu einer Überbeanspruchung der Kraftmeßzelle führen kann. In verschiedenen anderen, oft nicht vorhersehbaren Einsatzfällen, insbesondere bei der Prototypenerprobung kann sich ebenfalls eine Umkehr der Belastungsrichtung einstellen, z.B. bei Auftriebsmessungen von Kraftfahrzeugkarosserien, so daß hier ebenfalls eine Überbeanspruchung der Kraftmeßzelle erfolgen kann und/oder keine zuverlässigen, der Belastung proportionalen Meßwerte der auftretenden Kräfte mehr geliefert werden.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßvorrichtung der genannten Art zu schaffen, die eine Überbeanspruchung der Kraftmeßzelle sicher verhindert und eine zuverlässige Erfassung der anliegenden Kräfte, auch bei wechselnder Kraftrichtung, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftmeßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Durch die Bewegungsbegrenzung entgegen der Hauptkraftrichtung mittels der Anschlagvorrichtung wird eine Überbeanspruchung der Kraftmeßzelle sicher vermieden. Besonders vorteilhaft ist die nebengeordnete Ausbildung der Anschlagvorrichtung als weitere Kraftmeßzelle, da damit Kräfte sowohl in Zug- als auch in Schubrichtung erfaßt werden können und die zweite Kraftmeßzelle zugleich als Überlastungsschutz der ersten Kraftmeßzelle dient. Durch die in ihren Kraftrichtungen entgegengesetzten Kraftmeßzellen sind im Übergangsbereich von der Zug- zur Druckbelastung und umgekehrt sehr präzise, streng proportionale Messungen möglich. Damit eignet sich eine derartige Kraftmeßeinrichtung auch zur Steuerung/Regelung z.B. eines Brems-Antiblockiersystems, das insbesondere im Übergangsbereich zwischen Zug-/Schiebebetrieb z.B. eines Anhängers seinen Regelbereich aufweist. Vorteilhafterweise können damit Hystereseverschiebungen oder -unsymmetrien und Nullpunktverschiebungen durch Kriechen zuverlässig ausgeglichen werden. Ebenso lassen sich unterschiedliche Kennlinien der Kraftmeßzellen z. B. zur Anpassung an das Bremsverhalten realisieren. Dadurch ist wiederum ein genauerer Betrieb einer Art Auflaufbremse möglich.

Auch die Ausbildung der Anschlagvorrichtung als Anschlagfläche erweist sich für die Meßgenauigkeit bzw. die Proportionalität als vorteilhaft, da hierdurch Schwingungen um den Nullpunkt, die ansonsten zu Verfälschungen der Kraftmessung führen würden, sicher unterbunden werden. Zudem kann die Kraftmeßzelle auch mit Vorspannung des elastomeren Materials hergestellt sein, um die Meßgenauigkeit im Bereich des Nullpunkts zusätzlich zu erhöhen, bzw. bei nur einer Kraftmeßeinrichtung in beiden Richtungen zu ermöglichen.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Halbschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Kraftmeßeinrichtung,

Fig. 2 einen Halbschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kraftmeßeinrichtung,

Fig. 3 eine Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 an einer beispielsweisen Anordnung an einer Anhängekupplung.

Fig. 1 zeigt einen Halbschnitt durch die Kraftmeßeinrichtung, die im wesentlichen aus einer Kraftmeßzelle 1 besteht. Diese wird gebildet aus einem Gehäusezylinder 2 und einem Lasteinleitungskolben 3, zwischen denen eine elastomere Masse 5, insbesondere Silikon, eingegossen ist. In die elastomere Masse 5 ist ein Drucksensor 4, z.B. ein Dehnmeßstreifen, oder ein piezo-resistiver Aufnehmer eingebettet. Den genaueren Aufbau und die Herstellung dieser Kraftmeßzellen ist in den oben genannten Druckschriften näher beschrieben, so daß hierauf nicht näher eingegangen werden muß.

Die hier dargestellte Kraftmeßzelle 1 ist in der Hauptkraftrichtung 6 belastbar und gibt ein der Belastungskraft entsprechendes Signal ab. Bei Belastung in Richtung 6 wird der Lasteinleitungskolben 3 geringfügig hier nach rechts verschoben, wobei ein Dichtring 9 zwischen Gehäusezylinder 3 und Lasteinleitungskolben 3 für eine sichere Abdichtung sorgt. In der hier gezeigten Auslegung ist die Kraftmeßzelle 1 für hohe Kräfte bzw. entsprechend hohe Drücke bis mehrere hundert bar in der Hauptkraftrichtung 6 geeignet. Die maximal in Kraftrichtung 7 aufzunehmende Kraft würde um ein Vielfaches geringer liegen, weshalb hier eine Anschlagvorrichtung 8 vorgesehen ist. Diese wird hier von ringförmigen Anschlagsflächen am Gehäusezylinder 2 und am Lasteinleitungskolben 3 gebildet, so daß auch in Kraftrichtung 7 die aufzunehmende Kraft sehr hoch sein kann.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, wobei die in Kraftrichtung 7 begrenzende Anschlagsvorrichtung durch eine zweite Kraftmeßzelle 1′ gebildet wird. Damit sind in beiden Kraftrichtungen nur minimale Bewegungen möglich, so daß eine Beschädigung der Kraftmeßzelle ausgeschlossen ist, weil sich beide Kraftmeßzellen 1 und 1′ gegenseitig in ihrer Bewegung begrenzen. In der hier gezeigten Ausführung mit zwei, bis auf die Kraftaufnahmerichtung identischen Kraftmeßzellen 1 und 1′ sind in beiden Kraftrichtungen 6 und 7 die gleichen Kräfte aufnehmbar, so daß eine derartige Kraftmeßeinrichtung in beiden Richtungen die gleiche Kraft bzw. Druck aufnehmen kann und somit der Einbau von einer bestimmten Kraftausrichtung unabhängig ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Montage, da hierbei Einbaufehler durch Falschausrichtung ausgeschlossen sind. Die beiden Kraftmeßzellen 1 und 1′ können als integrales Bauteil hergestellt sein.

Fig. 3 zeigt eine Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 in der Anwendung bei einer Anhängekupplung 12. Diese Anhängekupplung 12 ist hier als Kugelkopfkupplung ausgebildet und dient z.B. zur Anhängung eines Wohnwagens oder dergleichen. Die Anhängekupplung ist hier am Lasteinleitungskolben 3 befestigt, so daß bei Fahrt in Fahrtrichtung 10, hier nach links die Anhängekupplung auf Grund der Fahrtwiderstände des Anhängers etwas nach rechts gezogen wird. Dabei kann die Größe der Fahrtwiderstandskräfte, wie Steigungs-, Luft- und Rollreibungswiderstand von der Kraftmeßzelle 1 bzw. dessen Drucksensor 4 erfaßt werden. Bei steiler Bergabfahrt oder bei Bremsbetrieb des hier nicht dargestellten Zugfahrzeuges wird der Anhänger über die Anhängerkupplung 12 den Lasteinleitungskolben 3 hier tendenziell nach links drücken, wobei der Drucksensor 4 entlastet wird und eine Umkehr der anliegenden Kraft auftritt. Dadurch wird die Anschlagvorrichtung 8 wirksam, so daß eine Belastung des Drucksensors 4 bzw. der elastomeren Masse 5 in umgekehrter Richtung vermieden wird. Zur Auswertung der damit erfaßten Zug /Druckkräfte ist ein Rechner 14 vorgesehen, der die Signale des Drucksensors 4 auswertet. Dies kann als Anzeige 13, z.B. als Warnsignal erfolgen, wenn z.B. der Anhänger überladen wurde und damit die Schubkraft auf die Anhängerkupplung 12 unzulässig hoch würde. In Kombination mit den Signalen des Drucksensors 4 kann auch ein Schaltkontakt 11, z.B. ein Piezokristall, vorgesehen sein, der beim Anschlag der Ringflächen der Anschlagvorrichtung 8 ein Signal über den Wechsel von Zug- zum Schubbetrieb liefert. Bei Ausbildung des Schaltkontaktes 11 als Druckaufnehmer kann dieser gleichzeitig auch die im Schubbetrieb der Anhängerkupplung auftretenden Kräfte erfassen. Als Weiterbildung der Auswertungsmöglichkeiten der mittels der Kraftmeßeinrichtung erfaßten Kräfte kann auch der Bremsdruck p und/oder die zeitliche Übereinstimmung bzw. Voreilung von Bremsbeginn des Anhängers gegenüber dem Zugfahrzeug variiert und verändert werden. Hierzu sind im Rechner entsprechende Soll-Werte abgespeichert, die je nach Belastung des Zugfahrzeuges durch den Anhänger, insbesondere dessen Beladung und Zug-/Schubkraft bei verschiedenen Steigungen oder Beschleunigung/Verzögerung, zur Anwendung kommen.

Die hier gezeigte Anordnung der Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 kann auch ersetzt werden durch die Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 2, insbesondere wenn die Schubkräfte auf das Zugfahrzeug genauer erfaßt werden sollen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ab einem bestimmten Schubkraftbetrag die Bremswirkung des Anhängers erhöht werden soll. Ebenso ist es möglich, den Anhänger geringfügig zu überbremsen, so daß das Gespann immer in gestreckter Lage gehalten wird. Dieses "Überbremsen" ist auch heute üblich, jedoch ist der Grad des Überbremsens schwierig festzustellen bzw. auf die verschiedenen Straßenverhältnisse konstant zu halten. Mit Hilfe der beschriebenen Kraftmeßeinrichtung ist die Bremsregelung derart durchführbar, daß an dem Drucksensor 4 der Kraftmeßzelle 1 eine konstante einstellbare Kraft durch die Bremsung hervorgerufen wird und diese als Sollgröße unabhängig von Straßenverhältnissen, durch Variation des Bremsdruckes zumindest nahezu konstant gehalten wird.

Anstatt der gezeigten Kraftmeßeinrichtung in Fig. 3, dessen Drucksensor 4 bei Zugbetrieb fortwährend belastet ist und damit die Zugkraft kontinuierlich messen kann, sowie erst beim Bremsen/Bergabfahrt die Anschlagsvorrichtung 8 wirksam wird, kann auch die umgekehrte Anordnung gewählt werden. Dabei würde die Anschlagsvorrichtung 8 im Zugbetrieb immer anliegen und erst bei Bergabfahrt bzw. Schubbetrieb würde die Kraftmeßzelle Schubkräfte messen können. Mit einer Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 2 können die Schub-/Zugkräfte auf die Anhängekupplung gleichzeitig und kontinuierlich erfaßt werden.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 mit identischen Kraftmeßzellen 1 ggfs. auch identischen Drucksensoren 4 ist außerdem von Vorteil, daß der Temperatureinfluß durch gegenseitige Eliminierung kompensiert werden kann. Damit ist eine derartige Anordnung auch bei extrem wechselnden Temperaturen ohne Verfälschung des Meßergebnisses einsetzbar, insbesondere bei Einsatz in einer Doppelbrückenschaltung.

Obwohl die hier aufgezeigte Ausführungsform der Kraftmeßeinrichtung an einer Anhängerkupplung besonders vorteilhaft ist, kann die Kraftmeßeinrichtung auch auf andere Fahrzeugteile wie Federbeine, Radaufhängungen, Lenkungsteile Federungssysteme und dergleichen angewendet werden. Ebenso ist die Anmeldung nicht auf Fahrzeugteile alleinig beschränkt, sondern kann auch vorteilhaft bei anderen Maschinen, z.B. Werkzeugmaschinen als Kraftmeßeinrichtung insbesondere für das Erfassen von Kräften, die in wechselnden Richtungen auftreten, vorteilhafterweise eingesetzt werden. Ein Anwendungsfall wäre z.B. Vorschubkraftmessung an Vorschubspindeln von Fräsmaschinen. oder Preßkraftmessungen.

Claims

1. Kraftmeßeinrichtung mit wenigstens einer Kraftmeßzelle, bestehend aus einem in einer Kraftrichtung messenden Drucksensor, der zwischen einem Stützgehäuse und einem Lasteinleitungsteil unter Einbettung in einem elastomeren Material, insbesondere Silikon, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Bewegung entgegen der Hauptkraftrichtung (6) begrenzende Anschlagsvorrichtung (8) vorgesehen ist.

2. Kraftmeßeinrichtung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagsvorrichtung (8) durch eine zweite, in entgegengesetzter Kraftrichtung messende Kraftmeßzelle (1′) gebildet ist.

3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagsvorrichtung (8) durch je eine Ringfläche am Gehäusezylinder (2) und am Lastkolben (3) gebildet ist.

4. Kraftmeßeinrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagsvorrichtung (8) wenigstens einen Schaltkontakt (11) aufweist.

5. Kraftmeßeinrichtung wenigstens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kraftmeßzellen (1, 1′) identisch aufgebaut sind.

6. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Schaltkontakt (11) abgegebene Signal zur Anzeige (13) des Überschreitens einer vorgegebenen Belastung und ggf. weiteren Steuerung vorgesehen ist.

7. Kraftmeßeinrichtung wenigstens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der zweiten Kraftmeßzelle (1′) abgegebene Signal zur Anzeige (13) des Überschreitens einer einstellbaren Belastung und ggf. zur weiteren Steuerung vorgesehen ist.

8. Kraftmeßeinrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrichtung in Fahrtrichtung (10) in einer Anhängerkupplung (12) angeordnet ist.

9. Kraftmeßeinrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrichtung in Radaufhängungslagern quer und/oder längs zur Fahrtrichtung angeordnet sind.