DE102008029055A1

DE102008029055A1 - Kraft- und momentenmessendes Befestigungselement

Info

Publication number: DE102008029055A1
Application number: DE102008029055A
Authority: DE
Inventors: Andreas Merz; Frank Rempp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Es wird eine zylinderförmige Wägezelle bzw. Kraftmessvorrichtung, bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Gebereinrichtung (2) und einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (Hall-IC, GMR- oder AMR-Brücken) (3), welche in einem rohrförmig ausgebildeten Bolzen (1) untergebracht sind, zur Kraft- und Momentenmessung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine zylinderförmige Wägezelle bzw. Kraftmessvorrichtung, welche im Gegensatz zu üblichen Wägezellen nicht mit Dehnungsmesstreifen sondern mit mindestends einer magnetfelderzeugenden Gebereinrichtung (2) und mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorement (Hall-IC, GMR- oder AMR-Brücken) (3) zur Kraft- und Momentenmessung ausgestattet ist (siehe 1, 2, 3, 4 und 5). Dabei besteht die zylinderförmige Wägezelle aus einem rohrförmig ausgebildeten Bolzen (1), dessen Werkstoffeigenschaften eine hohe Elastizität mit geringen Hystereseeigenschaften und hoher Festigkeit aufweisen, an dessen einem Bolzenende eine fest eingepresster Meßstab (6) mit einer magnetfelderzeugenden bzw. magnetfeldbeinflussenden Gebereinrichtung und am anderen Bolzenende ein fest angebrachtes Sensorelement (Hall-IC, GMR- oder AMR-Brücken) (3) zur Messung des magnetischen Feldes besitzt.
Die bei einer durch auf den Bolzen einwirkenden Kraft verursachte Durchbiegung des selbigen verursacht eine Relativverschiebung der an einem Ende des Bolzens angebrachten Gebereinrichtung (2) zum am anderen Ende des Bolzens angebrachten Sensorlementes (3). Diese Relativverschiebung bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes welches vom Sensorelement detektiert wird. Die ebenfalls vorhandene Luftspaltänderung auf Grund der nicht parallelen Relativverschiebung hat auf Grund der geringen Messwege und der magnetischen Anordnung nur geringe Einflüsse auf die Linearität des Ausgangssignales. Auf Grund der aussermittigen symetrisch zur Längsachse des Bolzens angeordneten Messlemente ist eine Messung der Verkippung möglich.
Diese Erweiterung des Meßprinzipes von der reinen Auswertung der zur einwirkenden Kraft proportionalen Verschiebung von Gebersystem zum Sensorsystem um die Auswertung der durch die Luftspaltänderung verursachte Nichtlinearität in der Lastkurve an Hand der mindestens 2-fach vorhandenen Sensorelemente ist ein prinzipieller Unterschied zu dem aus in DE 3515126 A1 aufgezeigten Messprinzip zur Auswertung der Luftspaltänderung.
In dem hier beschriebenen Meßprinzip wird die durch den Biegebalken verursachte Luftspaltänderung zur Ermittlung der Kippung verwendet und an Hand dieser mögliche Korrekturen durchgeführt. Als Größe für die einwirkende Kraft wird nur die geringe Relativverschiebung von Sensorlement zu Geberelement verwendet.
Im Gegensatz zu DE 10229023 und WO 2004/083792 A1 , wo das Biegeelement aus einer zylinderförmigen Struktur mit Schwächungszonen und Anbindung zur Kraftableitung und einer darüber angeordneten Zylinderstruktur zur Krafteinleitung besteht, ist in dieser Anordnung die Krafteinleitung und Kraftableitung an einer einzigen zylinderförmigen Struktur ohne Schwächungszone angeordnet. Diese zylinderförmige Struktur kann somit aus einer einfachen Hohlprofilstruktur mit gleich bleibendem Querschnitt ausgebildet werden.
Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass im Gegensatz zu den bekannten magnetischen Anordnungen für magnetische Sensoren und den dabei verwendeten Messungen im Nebenfeld bzw. in Hauptpolrichtung des Magneten, in dieser Messanordnung für jedes Sensorelement ein zugehöriges magnetfelderzeugendes Geberssystem, bestehend aus einem einfachen magnetischen Dipol, angeordnet wird (siehe 5 und 6). Diese Anordnung von 4 Dipolen bildet einen virtuellen großen Quadropol und ermöglicht die im Rahmen von Quadropol-Beschreibungen erläuterten differenziellen Messungen bzw. die Messung in zwei Ebenen.
Das bedeutet, dass zu den bekannten Quadropolanordnungen hier für jede Komponente ein magnetfelderzeugendes Gebersystem verwendet wird, an dessen Nord-Süd-Übergang direkt die jeweiligen Kraftkomponenten gemessen werden. Diese Anordnung hat eine Verbesserung des Kennwertes zur Folge und im Gegensatz zu den Quadropolanordnungen ist zudem keine gegenseitige Beeinflussung der Gebersysteme im Bereich der Sensorelemente vorhanden. Diese Anordnung zeichnet sich durch eine sehr hohe Linearität aus. Die Nichtlinearität des Biegebalkens kann mittels der virtuellen Quadropolanordnung und den rechtwinklig zueinander angeordneten Messelementen ermittelt und kompensiert werden.
Zur Zerlegung der gemessenen Kräfte in Ihre Wirkungsrichtungen werden diese magnetfelderzeugenden Gebersysteme vorzugsweise in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht die gleichen Messungen wie in der EP 1 347 273 A1 bereits veröffentlicht, allerdings wird hier die aufwendige Anordnung der Dehnungsmeßstreifen durch die einfache Magnetanordnung ersetzt.
Eine weitere Möglichkeit der Anordnung von magnetfelderzeugender Gebereinrichtung und magnetfeldempfindlichem Sensorlement (Hall-IC, GMR- oder AMR-Brücken) wird in 3 aufgezeigt. Hier wird durch die Anordnung eines vorgespannten Sensorelementes über der Zahnflanke des Meßstabes eine aus den Zahnradgebern bekannte Anordnung erzeugt und durch die Messung im Zahnflankenbereich im annähernd ideal linearen Bereich des teilweise sinusförmig verlaufenden Magnetfeldes gemessen.
Der einfachere Aufbau als Schraube und die Möglichkeit der Zerlegung der Kräfte in Ihre Ursprungskomponenten ermöglicht zudem eine beliebige Krafteinleitung (siehe 4) unter jedem beliebigen Winkel bzw. eine kraftunabhängige Einbaulage der Sensorelemente. Hierzu ist in der Fertigung jedoch eine Kalibrierung in den beiden Kraftrichtungen (x- und y-Komponente) notwendig.
Zur Optimierung des Kennwertes bei Torsionsmessungen werden die Sensorlemente in einem maximal möglichen Abstand zum Mittelpunkt bzw. zur Achse der zylinderförmigen Schraube angeordnet (siehe 4).
Zeichnungen
1: kraftmessende Schraube mit Geber-Sensor-Anordnung symetrisch zur Längsachse des Verformungskörpers angeordnet (Kraftmessung).
2: kraftmessende Schraube mit Geber-Sensor-Anordnung asymetrisch zur Längsachse des Verformungskörpers angeordnet (Torsionsmessung).
3: kraftmessende Schraube mit Geber-Sensor-Anordnung symetrisch zur Längsachse des Verformungskörpers angeordnet (Kraftmessung) und magnetfeldbeinflussende Geberanordnung aus ferromagnetischem Material.
4: Krafteinwirkung unter verschiedenen Einleitungswinkeln und Zerlegung in Ihre Kraftkomponenten.
5: Skizzen der möglichen Quadropolanordnungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3515126 A1 [0003]
- DE 10229023 [0005]
- WO 2004/083792 A1 [0005]
- EP 1347273 A1 [0008]

Claims

Kraftmeßvorrichtung, bestehend aus einer Geber-Sensor-Anordnung mit einer magnetfelderzeugenden Gebereinrichtung (2) und einer magnetfeldempfindlichen Sensoreinrichtung (Hall-IC) (3), wobei die Gebereinrichtung und die Sensoreinrichtung unter Krafteinfluss relativ zueinander beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Geber-Sensor Anordnung in einem einfachen zylinderförmigen Biegeelement (1) untergebracht ist, welches als einfacher Biegestab betrachtet werden kann und die Auswertung der auf das Krafteinleitungselement (4) einwirkenden Kraft F durch die Verschiebung von Gebereinrichtung zu Sensoreinrichtung erfolgt.
Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber-Sensor-Anordnung aus mindestens 2 und bis zu 4 magnetfelderzeugenden Gebereinrichtungen (2) und mindestens 2 und bis zu 4 magnetfeldempfindlichen Sensoreinrichtungen (3) besteht, welche jeweils in einem Winkel von 90° zueindander angeordnet sind, wobei die Nord-Süd-Übergänge der als einfache magnetische Dipole ausgelegten magnetfelderzeugenden Gebereinrichtungen über den Sensoreinrichtungen angeordnet sind und somit ebenfalls in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet werden, wodurch eine unabhängige Messung der Kräfte in der x- und y-Achse ermöglicht wird.
Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber-Sensor-Anordnung aus mindestens 2 und bis zu 4 Gebereinrichtungen besteht. Dabei besteht eine Seite aus einem ferromagnetischen Meßstab (6) mit mindestens 1 und bis zu 2 viertelkreisförmigen Ausschnitten, dessen Aufgabe es ist, das Magnetfeld zu beeinflussen. Die andere Seite besteht aus einem magnetempfindlichen magnetisch vorgepanntem Sensor mit aufgesetztem Magnet. Die Kanten der Ausschnitte des ferromagnetischen Meßstabes sind dabei über jeweils mindestens 2 in einem Winkel von 90° zueinander angeordneten Magnet-Sensor-Einrichtungen angeordnet.
Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber-Sensor-Anordnung aus mindestens 2 und bis zu 4 magnetfelderzeugenden Gebereinrichtungen und mindestens 2 und bis zu 4 magnetfeldempfindlichen Sensoreinrichtungen besteht, welche jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, welche eine Messung des Torsionsmomentes auf den zylinderförmigen Biegestab ermöglichen.
Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber-Sensor-Anordnung aus 4 magnetfelderzeugenden Gebereinrichtungen und 4 magnetfeldempfindlichen Sensoreinrichtungen besteht, welche jeweils in einem Winkel von 90° zueindander angeordnet sind, welche eine unabhängige Messung der Kräfte und Momente in der x- und y-Achse ermöglicht, wodurch ein automatischer Eckenabgleich bei der Messung möglich ist.
Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber-Sensor-Anordnung asymetrisch zur Längsachse des Biegebalkens angeordnet ist, wodurch ein großer Kennwert bei der Torsionsmessung erreicht wird.