DE10151561B4

DE10151561B4 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10151561B4
Application number: DE10151561A
Authority: DE
Inventors: Heiko Jausel; Harry Skarpil
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE10151561A1

Abstract

Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausgeübten Kraft, welcher einen mit Dehnungsmessstreifenpaaren versehenen Messring hat, in welchem von einer Stirnseite her über Krafteinleitungsbereiche axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden, wobei die Krafteinleitungsbereiche an einer Seite jeweils einen axialen Vorsprung (3, 4, 5) oder durch jeweils eine Gegenfläche für axiale Vorsprünge an einem Gegenstück, an das der Kraftsensor anlegbar ist, gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen (3, 4, 5) beziehungsweise Gegenflächen auf der gegenüberliegenden Seite jeweils ein Abstützbereich (6) für die jeweilige Reaktionskraft vorgesehen ist, wobei jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifenpaar (7) zwischen einem Vorsprung (3, 4, 5) beziehungsweise einer Gegenfläche und einem Abstützbereich (6) des Messringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Biegeabschnitten (10) zu beiden Seiten des Abstützbereiches (6) jeweils ein radialer Durchbruch...

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausgeübten Kraft, welcher einen mit Dehnungsmeßstreifenpaaren versehenen Meßring hat, in welchem von einer Stirnseite her über Krafteinleitungsbereiche axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden.

Kraftsensoren der vorstehenden Art werden beispielsweise in elektromotorisch betätigten Scheibenbremsen benötigt, wenn diese mit einer Blockierschutzregelung versehen sind, um den Bremsschlupf optimal regeln zu können. Um aufgrund einer Durchbiegung eines Biegebereiches die axial wirkende Kraft genau messen zu können, ist eine S-förmige Durchbiegung des Biegebereiches erforderlich, auf welchem ein Dehnungsmeßstreifenpaar angeordnet ist. Das hat man bisher durch einen Meßring erreicht, der an einer Seite fest in das die Kraft einleitende Bauteil eingespannt war, was baulich einen erheblichen Aufwand bedingte.

Aus der US 4,065,962 ist ein Kraftsensor zur Bestimmung einer axialgerichteten Kraft bekannt. Dieser Kraftsensor besteht aus einem Mering, der ein Dehnungsmeßstreifenpaar aufweist. Von einer Stirnseite werden über Krafteinleitungsbereiche axialgerichtete Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet. Die Krafteinleitungsbereiche werden dabei durch axiale Vorsprünge gebildet.

Die DE 24 33 223 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kraftmessung. Diese Vorrichtung zur Kraftmessung besteht im Wesentlichen aus Meßzonen und Auflagern, die beidseits der als verformbare Stege ausgebildeten Meßzonen angeordnet sind. Auf den Oberflächen der Meßzonen sind Dehnungsmeßstreifen befestigt, deren Meßgitter die Dehnung von Meßstellen aufnehmen, die hinsichtlich ihrer Lage und Ausbildung mit den entsprechenden Meßstellen aller anderen Meßzonen übereinstimmen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Kraftsensor derart weiterzubilden, dass er ein möglichst genaues Meßsignal erzeugt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Die radialen Vorsprünge bilden dabei Gegenflächen, in die jeweils eine Kraft von einem Gegenstück her eingeleitet wird. Zwischen den Vorsprüngen und dem Gegenstück können jeweils Zwischenplättchen, zum Beispiel aus Aluminium, angeordnet sein. Eine andere Möglichkeit ist das Vorsehen von mit den radialen Vorsprüngen des Meßringes korrespondierenden axialen Vorsprüngen an dem Gegenstück, die ein einziges Bauteil bildend mit dem Gegenstück verbunden sind.

Durch die beiden vorgenannten Lösungen bilden die Biegeabschnitte jeweils einen mittig kraftbeaufschlagten Träger auf zwei Stützen. Dieser wird durch die wirkenden Kräfte symmetrisch kraftbeaufschlagt und biegt sich deshalb S-förmig durch, so daß das jeweilige Dehnungsmeßstreifenpaar ausschließlich auf Zug und Druck (je ein Dehnungsmeßstreifen für Zug und Druck) beansprucht wird und deshalb optimal die Kraft bestimmen kann, welche die S-förmige Durchbiegung verursacht.

Zur Verbesserung der S-förmigen Ausbildung im Bereich der Biegeabschnitte trägt es bei, wenn in den Biegeabschnitten zu beiden Seiten des Abstützbereiches jeweils ein radialer Durchbruch in dem Meßring vorgesehen ist, so daß dieser im Bereich jedes Durchbruches zwei Stege bildet und wenn die Dicke des Meßringes im Bereich jedes Durchbruches radial nach innen hin abnimmt.

Torsionen im Bereich der Dehnungsmeßstreifen lassen sich dadurch vermeiden, daß die Abstützbereiche durch jeweils einen radial nach innen und einen radial nach außen gerichteten Abstützvorsprung gebildet sind, welche zur Einleitung von jeweils nicht punktförmigen Kräften bemessen sind.

Der Meßring kann sich mit seinen gegenüberliegenden Seiten auf parallelen Flächen abstützen, wenn auf der Seite der Vorsprünge beziehungsweise Gegenflächen die Stirnfläche des Meßringes schräg verläuft, so daß der Meßring in seiner Dicke radial von außen nach innen abnimmt.

Der Kraftsensor arbeitet mit hoher Meßgenauigkeit, wenn der Meßring mit einer Teilung von 120° insgesamt drei Vorsprünge beziehungsweise Gegenflächen auf einer Seite und entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite drei dazwischenliegende Abstützbereiche sowie mindestens drei Dehnungsmeßstreifenpaare aufweist.

Aus Kostengründen kann man jedoch auch vorsehen, dass der Meßring 180° gegenüberliegend zwei Vorsprünge beziehungsweise Gegenflächen und entsprechend lediglich zwei Abstützbereiche auf der anderen Seite hat. Weitere Vorteile dieser Ausführungsform sind: symmetrische Krafteinleitung, symmetrische Erfassung, nur ein Dehnungsmeßstreifenpaar erforderlich.

Der Kraftsensor vermag sich bei nicht genauer Ausrichtung des Meßringes geringfügig zum Ausgleich von Kräften zu verschwenken, so dass Verspannungen vermieden werden, wenn die Vorsprünge zur Ermöglichung einer Kippbewegung des Meßringes um eine durch die beiden Vorsprünge führende Achse jeweils eine ballige Abstützfläche aufweisen. Die balligen Abstützflächen können auch an einem Gegenstück, an dem der Kraftsensor anliegt, angebracht sein.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der Meßring mit einer Teilung von 90° insgesamt vier Vorsprünge und entsprechend vier dazwischenliegende Abstützbereiche sowie mindestens vier Dehnungsmeßstreifenpaare aufweist. Damit kann der Sensor ohne bleibende Schädigung auch mit sehr hohen Kräften, die beispielsweise in einer Größenordnung von 40 kN liegen können, beaufschlagt werden. Mit derartigen Kräften werden Sensoren beispielsweise in elektromechanischen Bremsen in Kraftfahrzeugen beaufschlagt.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Meßring jeweils im Bereich eines Dehnungsmeßstreifenpaares eine radiale Ausnehmung auf. Die radiale Ausnehmung führt vorteilhaft zu einer lokalen Spannungserhöhung im Bereich der Dehnungsmeßstreifen und somit zu stärkeren Meßsignalen. Vorzugsweise ist die Ausnehmung in einfacher Weise in einem Feinstanzverfahren hergestellt.

Insbesondere bei einer Anbringung auf Stahl ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar Dickschicht-Dehnungsmeßstreifen aufweist.

Gemäß einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das mindestens eine Dehnungsmeßstreifenpaar Folien-Dehnungsmeßstreifen oder Dünnschicht-Dehnungsmeßstreifen auf. Hierbei ist gleichzeitig eine Auswerteelektronik integrierbar.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine perspektivische Ansicht eines Kraftsensors nach der Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit im Bereich II der 1,
3 einen abgewickelten Teilbereich des Kraftsensors im unbelasteten Zustand,
4 den abgewickelten Teilbereich des Kraftsensors im belasteten Zustand,
5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Meßringes des Kraftsensors,
6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kraftsensors,
7 eine Seitenansicht der Kraftsensors nach 6,
8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Kraftsensors und
9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Kraftsensors.
Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt einen Kraftsensor 1, welcher als Meßring 2 ausgebildet ist und an einer Stirnseite drei axiale Vorsprünge 3, 4, 5 aufweist, gegen die sich jeweils eine Kraft F abstützt und die deshalb Krafteinleitungsbereiche bilden. Genau zwischen diesen Vorsprüngen 3, 4, 5 wirken auf der gegenüberliegenden Stirnseite auf Abstützbereichen 6 die Reaktionskräfte F_R. Auf der Seite der Abstützbereiche 6 sind auf dem Meßring 2 insgesamt drei Dehnungsmeßstreifenpaare 7 befestigt.
Die Ausschnittszeichnung gemäß 2 zeigt, dass die Abstützbereiche 6 durch jeweils einen radial nach innen gerichteten Abstützvorsprung 8 und einen radial nach außen gerichteten Abstützvorsprung 9 gebildet sind. Auf diesen Abstützvorsprüngen 8, 9 wirken die Einzelkräfte F_E, welche zusammen die in 1 gezeigte Reaktionskraft F_R ergeben.
Die 3 verdeutlicht, dass zwischen den Vorsprüngen 3, 4 ein Biegeabschnitt 10 entsteht, auf welchem mittig der Abstützbereich 6 vorgesehen ist und der das Dehnungsmeßstreifenpaar 7 trägt. Jeweils ein weiterer, nicht positionierter Biegebereich befindet sich entsprechend auch zwischen den Vorsprüngen 4 und 5 sowie 5 und 3.
Der 4 ist zu entnehmen, dass dieser Biegeabschnitt 10 sich bei Belastung S-förmig biegt, so dass das Dehnungsmeßstreifenpaar 7 ausschließlich auf Zug und Druck beansprucht wird und ein genaues Meßsignal abgeben kann.
Die 5 zeigt einen Meßring 2, der nur zwei Vorsprünge 3, 4 hat, die sich auf einer Achse 11 radial gegenüberliegen und jeweils eine ballige Abstützfläche 12 aufweisen. Dadurch kann der Meßring 2 um die Achse 11 kippen. Entsprechend den zwei Vorsprüngen 3, 4 weist der Meßring 2 zwei dazwischenliegende Abstützbereiche 6 auf, auf die Reaktionskräfte F₁ wirken.
Bei der Ausführungsform nach 6 hat der Meßring 2 insgesamt sechs Durchbrüche 13, 14, welche radial von außen nach innen durch ihn hindurchführen, so dass vom Meßring 2 im Bereich jedes Durchbruches 13, 14 nur zwei Stege 15, 16 verbleiben. Der Meßring 2 nach 6 hat genau wie der nach 1 drei axiale Vorsprünge 3, 4, 5, so dass wiederum beispielsweise zwischen den Vorsprüngen 3 und 4 ein Biegeabschnitt 10' mit einem Abstützbereich 6' entsteht. Die Durch brüche 13, 14 sind symmetrisch zu beiden Seiten des Abstützbereiches 6' angeordnet. Die 6 läßt weiterhin erkennen, dass im Bereich der Durchbrüche 13, 14 eine Stirnfläche 17 des Meßringes 2, die auf der Seite der Vorsprünge 3, 4, 5 liegt, radial nach innen hin schräg verläuft, so dass der Meßring 2 innenseitig eine geringere Dicke hat als außenseitig.
Die 7 dient der zusätzlichen Verdeutlichung der Gestaltung des Meßringes 2 nach 6. Zu sehen sind auf seiner rechten Seite die Vorsprünge 3, 4, 5 sowie zwei Durchbrüche 13, 14 in seiner Mantelfläche.
Die 8 zeigt auf der den Vorsprüngen 3, 4, 5 abgewandten Seite die Dehnungsmeßstreifenpaare 7, 7' und 7'' sowie jeweils daneben eine elektronische Schaltung 18, z. B. in Form eines Chips.
In 9 ist ein Meßring 2 eines Kraftsensors dargestellt, welcher Meßring 2 vier radiale Vorsprünge 19, 20, 21, 22 zur Einleitung jeweils einer axialen Kraft F aufweist. Zwischen den Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 ist jeweils ein Abstützbereich 6 für eine Reaktionskraft F_R vorgesehen, zwischen den Abstützbereichen 6 und den Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 befindet sich jeweils ein Biegeabschnitt 10. Auf den Biegeabschnitten 10 ist jeweils ein Dehnungsmeßstreifenpaar 7 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Meßring 2 vier Vorsprünge 19, 20, 21, 22 mit einer Teilung von 90° auf. Außerdem ist jeweils im Bereich eines Dehnungsmeßstreifenpaares 7 eine radiale Ausnehmung 23 an dem Meßring 2 vorhanden, die zu einer lokalen Spannungserhöhung führt und damit ein stärkeres Meßsignal zur Folge hat. Es werden vier Dickschicht-Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücken ausgewertet, um mögliche unsymmetrische Krafteinleitungen ausgleichen zu können.
Den radialen Vorsprüngen 19, 20, 21, 22 sind vorzugsweise flexibel gelagerte Gegenflächen eines Gegenstückes zuzuordnen, um mögliche Unebenheiten des Sensors oder der Einspannung ausgleichen zu können und eine symmetrische Krafteinleitung zu gewährleisten. Dies kann durch angepaßt geformte Stanzgitter, die den Sensor und das krafteinleitende Gegenstück umschließen, erreicht werden.

Claims

Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausgeübten Kraft, welcher einen mit Dehnungsmessstreifenpaaren versehenen Messring hat, in welchem von einer Stirnseite her über Krafteinleitungsbereiche axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden, wobei die Krafteinleitungsbereiche an einer Seite jeweils einen axialen Vorsprung (3, 4, 5) oder durch jeweils eine Gegenfläche für axiale Vorsprünge an einem Gegenstück, an das der Kraftsensor anlegbar ist, gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen (3, 4, 5) beziehungsweise Gegenflächen auf der gegenüberliegenden Seite jeweils ein Abstützbereich (6) für die jeweilige Reaktionskraft vorgesehen ist, wobei jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifenpaar (7) zwischen einem Vorsprung (3, 4, 5) beziehungsweise einer Gegenfläche und einem Abstützbereich (6) des Messringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Biegeabschnitten (10) zu beiden Seiten des Abstützbereiches (6) jeweils ein radialer Durchbruch (13, 14) in dem Messring (2) vorgesehen ist, so dass dieser im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) zwei Stege (15, 16) bildet und dass die Dicke des Messringes (2) im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) radial nach innen hin abnimmt.
Kraftsensor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Bestimmung einer axial gerichteten Kraft, beispielsweise einer von einem Betätigungsorgan auf eine Bremsbacke ausge übten Kraft, welcher einen mit Dehnungsmessstreifenpaaren versehenen Messring hat, in welchem von einer Stirnseite her über Krafteinleitungsbereiche axial Eingangskräfte eingeleitet und über die andere Stirnseite als Reaktionskräfte weitergeleitet werden, wobei die Krafteinleitungsbereiche durch jeweils einen radialen Vorsprung (19, 20, 21, 22) gebildet sind und mittig zwischen diesen Vorsprüngen jeweils ein Abstützbereich (6) für die jeweilige Reaktionskraft (F_R) vorgesehen ist, wobei jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifenpaar (7) zwischen einem Vorsprung (19, 20, 21, 22) und einem Abstützbereich (6) des Messringes (2) auf einem Biegeabschnitt (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Biegeabschnitten (10) zu beiden Seiten des Abstützbereiches (6) jeweils ein radialer Durchbruch (13, 14) in dem Messring (2) vorgesehen ist, so dass dieser im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) zwei Stege (15, 16) bildet und dass die Dicke des Messringes (2) im Bereich jedes Durchbruches (13, 14) radial nach innen hin abnimmt.
Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Vorsprünge (3, 4, 5) beziehungsweise Gegenflächen die Stirnfläche des Messringes (2) schräg verläuft, so dass der Messring (2) in seiner Dicke radial von außen nach innen abnimmt.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (2) mit einer Teilung von 120° insgesamt drei Vorsprünge (3, 4, 5) beziehungsweise Gegenflächen auf einer Seite und entsprechend auf der gegenüberliegenden Sei te drei dazwischen liegende Abstützbereiche (6) sowie mindestens drei Dehnungsmessstreifenpaare (7) aufweist.
Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (2) 180° gegenüberliegend zwei Vorsprünge (3, 4) beziehungsweise Gegenflächen und entsprechend lediglich zwei Abstützbereiche (6, 6') auf der anderen Seite hat.
Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (3, 4) zur Ermöglichung einer Kippbewegung des Messringes (2) um eine durch die beiden Vorsprünge (3, 4) führende Achse (11) jeweils eine ballige Abstützfläche (12) aufweisen.
Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (2) mit einer Teilung von 90° insgesamt vier Vorsprünge (19, 20, 21, 22) und entsprechend vier dazwischen liegende Abstützbereiche (6) sowie mindestens vier Dehnungsmessstreifenpaare (7) aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messring (2) jeweils im Bereich eines Dehnungsmessstreifenpaares (7) eine radiale Ausnehmung (23) aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dehnungsmessstreifenpaar (7) Dickschicht-Dehnungsmessstreifen aufweist.
Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dehnungsmessstreifenpaar (7) Folien- oder Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen aufweist.