DE102018120794B4

DE102018120794B4 - Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung, Kraftmessanordnung und Kraftmessverfahren

Info

Publication number: DE102018120794B4
Application number: DE102018120794.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schanz
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2018-08-25
Filing date: 2018-08-25
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2038-08-26
Also published as: DE102018120794A1

Abstract

Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30), insbesondere für eine Anhängerkupplung (10) eines Kraftfahrzeugs, zum Ausgeben eines für eine entlang einer Hauptwirkungsrichtung (Z) auf einen Messkörper (28), insbesondere auf eine Anhängerkupplung (10), wirkenden Krafthauptkomponente (Fz) indikativen Kraftsensorsignals (A-B), wobei die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) ausgebildet ist, eine Beeinflussung des Kraftsensorsignals (A-B) durch wenigstens eine entlang einer von der Hauptwirkungsrichtung (Z) verschiedenen Nebenwirkungsrichtung (X, Y) wirkenden Kraftnebenkomponente (FXY) zu verringern und/oder zu unterdrücken, wobei die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) eine erste Sensoreinrichtung (32), die zum Erfassen einer durch eine auf den Messkörper (28) wirkenden Kraft (F) verursachte Verformung (50, 54) und Ausgeben eines darauf basierenden ersten Sensorsignals (A) ausgebildet ist, und eine zweite Sensoreinrichtung (34) umfasst, die zum Erfassen einer durch die Kraft (F) verursachten Verformung (50, 54) und Ausgeben eines darauf basierenden zweiten Sensorsignals (B) ausgebildet ist, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) so ausgebildet sind, dass das Kraftsensorsignal (A-B) durch Differenzbildung des ersten Sensorsignals (A) und des zweiten Sensorsignals (B) erzeugbar ist, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) relativ zu dem Messkörper (28) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) einen Magnetostriktionssensor (56) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung, insbesondere für eine Anhängerkupplung eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftmessanordnung und ein Kraftmessverfahren.
Die Aufliegerkraft von Anhängern bei Anhängerkupplungen darf eine bestimmte Größe gewöhnlich nicht überschreiten, da andernfalls die Fahrstabilität des Gespanns darunter leiden kann. Bekannte Lösungen, um die Aufliegerkräfte zu messen, beruhen darauf, dass beispielsweise über die Stromaufnahme eines elektrischen Hebers der Anhängerkupplung das Gewicht ermittelt wird.
Der Anhänger übt, insbesondere während der Fahrt, allerdings nicht nur seine Gewichtskraft auf die Anhängerkupplung aus. Vielmehr können Querkräfte auftregen, welche die Anhängerkupplung auch seitlich auf Biegen belasten. Zudem kann die Anhängerkupplung, falls diese eine gebogene Form aufweist, auf Torsion beansprucht werden. In beiden Fällen kann bei den bekannten Lösungen die Kraftmessung in Wirkrichtung der Schwerkraft verfälscht werden.
DE 10 2004 051 504 A1 offenbart ein Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk sowie ferner ein Kugelgelenk zur Kraftmessung. Das Kraftmesssystem umfasst eine Auswerteeinrichtung, die so eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung als Vektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden können.
Für weitere Hintergrundinformationen wird auf US 2006 / 0 150 743 A1 , DE 25 52 576 A1 und EP 2 397 829 A1 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Kraftsensoren, insbesondere hinsichtlich ihrer Genauigkeit, zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schafft eine Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung, insbesondere für eine Anhängerkupplung eines Kraftfahrzeugs, zum Ausgeben eines für eine entlang einer Hauptwirkungsrichtung auf einen Messkörper, insbesondere auf eine Anhängerkupplung, wirkenden Krafthauptkomponente indikativen Kraftsensorsignals, wobei die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung ausgebildet ist, eine Beeinflussung des Kraftsensorsignals durch wenigstens eine entlang einer von der Hauptwirkungsrichtung verschiedenen Nebenwirkungsrichtung wirkenden Kraftnebenkomponente zu verringern und/oder zu unterdrücken. Die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung umfasst eine erste Sensoreinrichtung, die zum Erfassen einer durch eine auf den Messkörper wirkenden Kraft verursachte Verformung und Ausgeben eines darauf basierenden ersten Sensorsignals ausgebildet ist. Die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung umfasst eine zweite Sensoreinrichtung, die zum Erfassen einer durch die Kraft verursachten Verformung und Ausgeben eines darauf basierenden zweiten Sensorsignals ausgebildet ist. Die erste Sensoreinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung sind so ausgebildet, dass das Kraftsensorsignal durch Differenzbildung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals erzeugbar ist. Die erste Sensoreinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung umfassen einen Magnetostriktionssensor.
Es ist bevorzugt, dass die erste Sensoreinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung relativ zu dem Messkörper einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass die erste Sensoreinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung als einstückiges Sensorelement ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die erste Sensoreinrichtung einen Dehnungsmessstreifen umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Sensoreinrichtung einen Dehnungsmessstreifen umfasst.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorelement einen Dehnungsmessstreifen umfasst.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorelement einen Magnetostriktionssensor umfasst.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor wenigstens eine Generatorspule umfasst, die ausgebildet und angeordnet ist, ein Messmagnetfeld an den Messkörper anzulegen.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor eine Mehrzahl von Sensorspulen umfasst, die ausgebildet und angeordnet sind, das durch die Verformung des Messkörpers beeinflusste Messmagnetfeld zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor eine erste Generatorspule und eine zweite Generatorspule umfasst, die elektrisch in Serie geschaltet sind.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor eine erste Spulengruppe mit einer Mehrzahl von ersten Sensorspulen eines ersten Wicklungssinns und eine zweite Spulengruppe mit einer Mehrzahl von zweiten Sensorspulen eines dem ersten Wicklungssinn gegensätzlichen zweiten Wicklungssinns umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die erste Spulengruppe und die zweite Spulengruppe elektrisch in Serie geschaltet sind.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor eine erste Spulengruppe, die eine erste Generatorspule und eine Mehrzahl von ersten Sensorspulen aufweist, und eine zweite Spulengruppe umfasst, wobei die erste Spulengruppe und die zweite Spulengruppe einander gegenüberliegend relativ zu dem Messkörper derart angeordnet sind, dass das von der ersten Spulengruppe erzeugte Messmagnetfeld die zweite Spulengruppe weniger beeinflusst, wenn ein Messkörper zwischen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass eine oder jede Generatorspule auf einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei Sensorspulen, insbesondere mittig, zwischen den zwei Sensorspulen angeordnet ist, sodass die Spulen eine lineare Spulenanordnung bilden.
Es ist bevorzugt, dass eine oder jede Spule als Planarspule, insbesondere als Leiterbahn, ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Magnetostriktionssensor eine, insbesondere U-förmige, Leiterplattenanordnung umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Leiterplattenanordnung die erste Spulengruppe und die zweite Spulengruppe relativ zu dem Messkörper einander gegenüberliegend positioniert.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Spulengruppe eine zweite Generatorspule umfasst, die ausgebildet und angeordnet ist, ein Messmagnetfeld an den Messkörper anzulegen.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Spulengruppe eine Mehrzahl von zweiten Sensorspulen aufweist, die ausgebildet und angeordnet sind, das durch die Verformung des Messkörpers beeinflusste Messmagnetfeld zu erfassen.
Die Erfindung schafft ferner einen Magnetostriktionssensor gemäß einer hierin beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung.
Die Erfindung schafft eine Kraftmessanordnung für eine Anhängerkupplung, wobei die Kraftmessanordnung eine bevorzugte Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung umfasst, wobei die Anhängerkupplung den Messkörper bildet und die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung auf einer Oberseite und einer Unterseite der Anhängerkupplung angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Kraftmessanordnung eine weitere bevorzugte Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung, die insbesondere beabstandet von der Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung an einer rechten und linken Seite der Anhängerkupplung angeordnet ist.
Die Erfindung schafft ferner eine Anhängerkupplung mit einer bevorzugten Kraftmessanordnung oder einem bevorzugen Magnetostriktionssensor.
Die Erfindung schafft ein Kraftmessverfahren zum Messen einer entlang einer Hauptwirkungsrichtung auf einen Messkörper, insbesondere auf eine Anhängerkupplung, wirkenden Kraft, mit den Schritten:

a) Anlegen eines ersten Messmagnetfeldes an eine erste Seite des Messkörpers und anlegen eines zweiten Messmagnetfeldes an eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, des Messkörpers;
b) Erfassen der aufgrund der Kraft verursachten Verformung des Messkörpers auf der ersten Seite und der zweiten Seite, um ein erstes Sensorsignal und ein zweites Sensorsignal zu erhalten, die jeweils indikativ für die Kraft sind;
c) Subtrahieren der beiden Sensorsignale voneinander, um ein Kraftsensorsignal zu erhalten, das indikativ für die Krafthauptkomponente entlang der Hauptwirkungsrichtung ist.

Die Idee zielt darauf ab, direkt an der Anhängerkupplung bzw. einem Messkörper auftretende Kräfte in einer einzelnen bestimmten Richtung, wie etwa der Z-Richtung, zu messen. Die Herausforderung dabei ist, dass durch die Beschaffenheit der Anhängerkupplung neben der Kraftrichtung in der Z-Ebene auch Querkräft in X-Richtung und Y-Richtung auftreten können. Ferner ist eine zusätzliche Überlagerung von Momenten möglich.
Grundidee ist die Ausgestaltungen bzw. Dimensionierung eines Sensors, der so ausgelegt ist, dass er fokussiert auf die Kraftkomponente in die bestimmte Richtung, also etwa Z-Richtung, arbeitet und den Einfluss aller anderen Kraftvektoren verringert oder unterdrückt. Dies kann sowohl mit Dehnungsmessstreifen oder Magnetostriktiven Kraftsensoren, auch Magnetostriktionssensor, realisiert werden.
Basis ist die Tatsache, dass bei der Biegung eines Elements auf einer Seite Dehnungen und auf der anderen Seite Kompressionen entstehen.
Wenn die Verschaltung des Sensors so aufgebaut ist, dass die gemessenen Spannungen auf der Oberseite subtrahiert werden von den Spannungen auf der Unterseite entsteht folgende Gleichung: $A [+ F z] - B [- F z] = 2 F z$
Querkräfte die in X- oder Y-Richtung auftreten wirken sich folgendermaßen auf die Messung aus: $A [+ F z + F x + F y] - B [- F z + F x + F y] = 2 F z$
Die parasitären Querkräfte in X und Y wirken sich auf der Oberseitenmessung in gleicher Form aus wie auf der Unterseite, d.h. haben hier keinen Vorzeichenwechsel, was dazu führt, dass in der Differenzmessung der beiden Messstellen sich diese Querkräfte herauskürzen.
Um das Signal mit einem magnetisch induktiven Sensor (Magnetostriktionssensor) per Design stabiler gegen auftretende Querkräfte zu machen, wird vorgeschlagen, den Sensor wie nachfolgend noch näher erläutert auszubilden.
Die Generatoren bzw. Generatorspulen können in Serie geschaltet werden und die Sensorspulen A1, A2 bzw. B1, B2 ebenso. Die dadurch entstehende Serienschaltung A12 und B12 kann gegenläufig zueinander verschaltet werden, wobei für die Signalverarbeitung A-B und A gemessen werden können, um aus diesen beiden Signalen wiederum das Kraftsignal mit dem richtigen Vorzeichen zu ermitteln.
Man kann sich auch vorstellen, die beiden Messpositionen getrennt voneinander betrachtet als separaten Sensor auszulegen, und dann in einer Software bzw. einem Mikrocontorller die beiden Messsignale d.h. Messung A und Messung B voneinander subtrahieren.
Ein möglicher Sensor für so eine Messaufgabe könnte als U-förmiger Sensor ausgeführt werden der die Anhängerkupplung an der Messstelle umschließt wie z.B.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungne näher erläutert. Darin zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Anhängerkupplung;
2 eine Darstellung des Grundprinzips der Kraftmessung;
3 eine schematische Ansicht eines Magnetostriktionssensors;
4 ein Querschnittsansicht des Magnetostriktionssensors aus 3; und
5 eine Beispielverschaltung des Magnetostriktionssensors aus 3.

Es wird nachfolgend auf 1 Bezug genommen, die eine Anhängerkupplung 10 zeigt. Die Anhängerkupplung 10 umfasst einen Montagebereich 12 zum Montieren der Anhängerkupplung 10 an einem Kraftfahrzeug (nicht näher dargestellt). Der Montagebereich 12 ist derart ausgebildet, dass die Anhängerkupplung 10 schwenkbar befestigt werden kann. Ferner umfasst die Anhängerkupplung 10 einen Kupplungsbereich 14, an dem ein Anhänger (nicht näher dargestellt) aufgelegt werden kann. Der Anhänger übt dabei die Aufliegerkraft Fz aus.
Die Anhängerkupplung 10 umfasst ferner einen Kupplungsarm 16, der zwischen dem Montagebereich 12 und dem Kupplungsbereich 14 vorgesehen ist. Der Kupplungsarm 16 kann eine Sicherungsöffnung 18 für einen Sicherungsbolzen aufweisen.
An der Anhängerkupplung 10 ist eine erste Messstelle 20 vorgesehen. Ferner kann eine zweite Messstelle 22 vorgesehen sein, die von der ersten Messstelle 20 beabstandet ist. Die Messstellen 20, 22 erlauben das Anordnen einer Kraftmessanordnung 24.
Die Kraftmessanordnung 24 umfasst einen Messkörper 28. Der Messskörper 28 ist hier durch die Anhängerkupplung 10 bzw. den Kupplungsarm 16 gebildet. Ferner umfasst die Kraftmessanordnung 24 eine Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30. Die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30 ist an der ersten Messstelle 22 angeordnet.
Die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30 ist ausgebildet eine Kraft entlang einer Hauptwirkungsrichtung Z zu messen und ein Kraftmessignal auszugeben, das indikativ für die Krafthauptkomponente entlang der Hauptwirkungsrichtung Z ist, wobei der Einfluss von Kraftnebenkomponenten entlang von von der Hauptwirkungsrichtung Z verschiedenen Nebenwirkungsrichtungen X, Y verringert oder unterdrückt wird.
Die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30 umfasst eine erste Sensoreinrichtung 32 und eine zweite Sensoreinrichtung 34. Die erste Sensoreinrichtung 32 ist ausgebildet, ein erstes Sensorsignal A auszugeben, das auf der durch die Aufliegerkraft Fz verursachten Verformung des Messkörpers 28 basiert. Die erste Sensoreinrichtung 32 ist auf einer ersten Seite 36 des Messkörpers 28, beispielsweise der Oberseite der Anhängerkupplung 10, angeordnet. Die erste Sensoreinrichtung 32 umfasst beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen 38, der auf die erste Seite 36 aufgeklebt ist.
Die zweite Sensoreinrichtung 34 ist ausgebildet, ein zweites Sensorsignal B auszugeben, das auf der durch die Aufliegerkraft Fz verursachten Verformung des Messkörpers 28 basiert. Die zweite Sensoreinrichtung 32 ist auf einer zweiten Seite 40 des Messkörpers 28, die der ersten Seite 36 gegenüberliegt angeordnet. Die zweite Seite 40 ist beispielsweise die Unterseite der Anhängerkupplung 10. Die zweite Sensoreinrichtung 34 umfasst beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen 42, der auf die zweite Seite 40 aufgeklebt ist. Es sollte beachtet werden, dass die erste und zweite Sensoreinrichtung 32, 34 als einstückiges Sensorelement 35 ausgebildet sein können.
Die Kraftmessanordnung 24 kann eine weitere Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 44 aufweisen, die an der zweiten Messstelle 22 angeordnet ist. Die weitere Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 44 kann identisch zu der Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30 ausgebildet sein.
Im Unterschied zu der Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30 ist die weitere Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 44 an einer rechten Seite der Anhängerkupplung 10 als erster Seite 36 und an einer linken Seite der Anhängerkupplung 10 als zweiter Seite 40 angeordnet, d.h. die erste und zweite Sensoreinrichtung der weiteren Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 44 sind dort angeordnet.
Nachfolgend wird anhand 2 das Grundprinzip der querkraftfreien Kraftmessung mittels der Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30, 44 näher erläutert.
Eine Kraft F, beispielsweise die Aufliegerkraft Fz, wirkt auf den länglichen Messkörper 28 und zwar an einem freien Ende 46. Falls die Kraft F nach unten wirkt, so tritt an der Messkörperoberseite 48 eine Dehnung 50 als Verformung auf, während auf der gegenüberliegenden Messkörperunterseite 52 eine Kompression 54 als Verformung auftritt. Ähnlich verhält es sich, wenn die Kraft F nach oben wirkt. In diesem Fall tritt an der Messkörperoberseite 48 die Kompression 54 auf, während auf der Messkörperunterseite 52 die Dehnung 50 auftritt. Eine etwaige Querkraft F_XY wirkt in beiden Fällen auf die Messkörperoberseite 48 und die Messkörperunterseite 52 gleichermaßen.
Der resultierende Kraftvektor F_A an der Messkörperoberseite 48 ergibt sich zu F_A = [+Fz; +Fx; +Fy] während der resultierende Kraftvektor F_B an der Messkörperunterseite 54 sich zu F_B = [+Fz; +Fx; +Fy] ergibt.
Folglich misst die erste Sensoreinrichtung 32 das erste Sensorsignal A[+F_z + Fx + Fy], während die zweite Sensoreinrichtung 34 das zweite Sensorsignal B[-Fz + Fx + Fy] misst. Die erste und zweite Sensoreinrichtung 32, 34 können elektrisch so verschaltet sein, das bereits auf diesem Weg das Kraftmesssignal A [+Fz + Fx + Fy] - B[-Fz + Fx + Fy] = 2Fz gebildet wird (5). Alternativ können das erste und zweite Sensorsignal A, B getrennt elektronisch erfasst und anschließend mittels Software oder eines Mikrocontrollers subtrahiert werden, um das Kraftmesssignal zu erhalten.
Wird zusätzlich die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 44 verwendet, so kann die Querkraft F_XY ohne Einfluss der Aufliegerkraft F_Z ermittelt werden. Somit kann bei bekannter Kraftmessanordnung 24, insbesondere bei bekannter Geometrie des Messkörpers 28, das Kraftmesssignal für aus der Querkraft F_XY herrührende Drehmomente auf den Messkörper korrigiert werden.
Anstelle der Dehnungsmessstreifen 38, 42 kann ein Magnetostriktionssensor 56, der näher in den 3 bis 5 dargestellt ist, bei der Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung 30, 44 verwendet werden.
Der Magnetostriktionssensor 56 umfasst eine erste Spulengruppe 58, welche die erste Sensoreinrichtung 32 bilden kann. Die erste Spulengruppe 58 umfasst eine erste Generatorspule 60, die ausgebildet und angeordnet ist, ein Messmagnetfeld 62 an den Messkörper 28 anzulegen. Die erste Spulengruppe 58 umfasst ferner eine Mehrzahl von Sensorspulen 64, die ausgebildet und angeordnet sind, das durch die Verformung des Messkörpers 28 beeinflusste Messmagnetfeld 62 zu erfassen. Die Generatorspule 60 ist entlang einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei Sensorspulen 64 angeordnet. Die Spulen 60, 64 bilden eine lineare Spulenanordnung 66, die sich entlang der Längsrichtung des Messkörpers 28 linear erstreckt.
Der Magnetostriktionssensor 56 umfasst eine zweite Spulengruppe 68, welche die zweite Sensoreinrichtung 34 bilden kann. Die zweite Spulengruppe 68 umfasst eine zweite Generatorspule 70, die ausgebildet und angeordnet ist, ein Messmagnetfeld 72 an den Messkörper 28 anzulegen. Die zweite Spulengruppe 68 umfasst ferner eine Mehrzahl von Sensorspulen 74, die ausgebildet und angeordnet sind, das durch die Verformung des Messkörpers 28 beeinflusste Messmagnetfeld 72 zu erfassen. Die Generatorspule 70 ist entlang einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei Sensorspulen 74 angeordnet. Die Spulen 70, 74 bilden eine lineare Spulenanordnung 76, die sich entlang der Längsrichtung des Messkörpers 28 linear erstreckt.
Die erste Spulengruppe 58 ist relativ zu der zweiten Spulengruppe 68 derart angeordnet, dass das Messmagnetfeld 62 die zweite Spulengruppe 68 möglichst wenig beeinflusst, insbesondere wenn ein Messkörper 28 sich zwischen den Spulengruppen 58, 68 befindet, und umgekehrt.
Eine oder beide Spulengruppen 58, 68 können auf einer Leiterplattenanordnung 78 aufgebracht sein. Beispielsweise sind die Spulen 60, 64, 70, 72 als Planarspulen 80 ausgebildet. Diese können aus Leiterbahnmaterial gebildet sein. Die Leiterplattenanordnung 78 ist in einem Sensorgehäuse 82 untergebracht. Die Leiterplattenanordnung 78 kann im Wesentlichen im Querschnitt U-förmig ausgebildet sein, wobei ein erster U-Schenkel 84 die erste Spulengruppe 58 enthält, während ein zweiter U-Schenkel 86 die zweite Spulengruppe 68 enthält. Der erste und zweite U-Schenkel 84, 86 können mittels einer Verbindungsleiterplatte 88 mechanisch und/oder elektrisch verbunden sein. Die Verbindungsleiterplatte 88 kann als Anschluss für ein Anschlusskabel 90 dienen, das die Kraftmesssignale oder andere Signale an eine Auswerteelektronik weiterleitet.
Wie aus 5 ersichtlich, weisen die Generatorspulen 60, 70 denselben Wicklungssinn auf und sind bevorzugt in Serie geschaltet. Die Sensorspulen 64 der ersten Spulengruppe 58 und die Sensorspulen 74 der zweiten Spulengruppe 68 können entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. Somit kann an einem Mittelanschluss 92 das Kraftmesssignal A und an einem Endanschluss 94 das differentielle Kraftmesssignal A-B abgegriffen werden. Der andere Endanschluss 96 dient zum Anschliesen von Masse GND oder Referenzspannung Vref.
Mit den hierin beschriebenen Maßnahmen ist es möglich, Kräfte entlang einer Hauptwirkungsrichtung möglichst ohne den Einfluss von entlang von Nebenwirkungsrichtungen wirkenden Nebenkräften zu messen.
Bezugszeichenliste

10: Anhängerkupplung
12: Montagebereich
14: Kupplungsbereich
16: Kupplungsarm
18: Sicherungsöffnung
20: erste Messstelle
22: zweite Messstelle
24: Kraftmessanordnung
28: Messkörper
30: Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung
32: erste Sensoreinrichtung
34: zweite Sensoreinrichtung
35: Sensorelement
36: erste Seite
38: Dehnungsmessstreifen
40: zweite Seite
42: Dehnungsmessstreifen
44: weitere Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung
46: freies Ende
48: Messkörperoberseite
50: Dehnung
52: Messkörperunterseite
54: Kompression
56: Magnetostriktionssensor
58: erste Spulengruppe
60: erste Generatorspule
62: Messmagnetfeld
64: Sensorspule
66: lineare Spulenanordnung
68: zweite Spulengruppe
70: zweite Generatorspule
72: Messmagnetfeld
74: Sensorspule
76: lineare Spulenanordnung
78: Leiterplattenanordnung
80: Planarspule
82: Sensorgehäuse
84: erster U-Schenkel
86: zweiter U-Schenkel
88: Verbindungsleiterplatte
90: Anschlusskabel
92: Mittelanschluss
94: Endanschluss
96: Endanschluss
A: erstes Sensorsignal
B: zweites Sensorsignal
F: Kraft
FA: resultierender Kraftvektor
FB: resultierender Kraftvektor
FXY: Querkraft
Fz: Aufliegerkraft
X: Nebenwirkungsrichtung
Y: Nebenwirkungsrichtung
Z: Hauptwirkungsrichtung

Claims

Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30), insbesondere für eine Anhängerkupplung (10) eines Kraftfahrzeugs, zum Ausgeben eines für eine entlang einer Hauptwirkungsrichtung (Z) auf einen Messkörper (28), insbesondere auf eine Anhängerkupplung (10), wirkenden Krafthauptkomponente (Fz) indikativen Kraftsensorsignals (A-B), wobei die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) ausgebildet ist, eine Beeinflussung des Kraftsensorsignals (A-B) durch wenigstens eine entlang einer von der Hauptwirkungsrichtung (Z) verschiedenen Nebenwirkungsrichtung (X, Y) wirkenden Kraftnebenkomponente (F_XY) zu verringern und/oder zu unterdrücken, wobei die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) eine erste Sensoreinrichtung (32), die zum Erfassen einer durch eine auf den Messkörper (28) wirkenden Kraft (F) verursachte Verformung (50, 54) und Ausgeben eines darauf basierenden ersten Sensorsignals (A) ausgebildet ist, und eine zweite Sensoreinrichtung (34) umfasst, die zum Erfassen einer durch die Kraft (F) verursachten Verformung (50, 54) und Ausgeben eines darauf basierenden zweiten Sensorsignals (B) ausgebildet ist, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) so ausgebildet sind, dass das Kraftsensorsignal (A-B) durch Differenzbildung des ersten Sensorsignals (A) und des zweiten Sensorsignals (B) erzeugbar ist, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) relativ zu dem Messkörper (28) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) einen Magnetostriktionssensor (56) umfassen.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (32) und die zweite Sensoreinrichtung (34) als einstückiges Sensorelement (35) ausgebildet sind.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (32) und/oder die zweite Sensoreinrichtung (34) und/oder das Sensorelement (35) einen Dehnungsmessstreifen (38, 42) umfasst.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionssensor (56) wenigstens eine Generatorspule (60, 70), die ausgebildet und angeordnet ist, ein Messmagnetfeld (62, 72) an den Messkörper (28) anzulegen, und eine Mehrzahl von Sensorspulen (64, 74) umfasst, die ausgebildet und angeordnet sind, das durch die Verformung (50, 54) des Messkörpers (28) beeinflusste Messmagnetfeld (62, 72) zu erfassen.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionssensor (56) eine erste Generatorspule (60) und eine zweite Generatorspule (62) umfasst, die elektrisch in Serie geschaltet sind.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionssensor (56) eine erste Spulengruppe (58) mit einer Mehrzahl von ersten Sensorspulen (64) eines ersten Wicklungssinns und eine zweite Spulengruppe (68) mit einer Mehrzahl von zweiten Sensorspulen (74) eines dem ersten Wicklungssinn gegensätzlichen zweiten Wicklungssinns umfasst.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulengruppe (58) und die zweite Spulengruppe (68) elektrisch in Serie geschaltet sind.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionssensor (56) eine erste Spulengruppe (58), die eine erste Generatorspule (60) und eine Mehrzahl von ersten Sensorspulen (64) aufweist, und eine zweite Spulengruppe (68) umfasst, wobei die erste Spulengruppe (58) und die zweite Spulengruppe (68) einander gegenüberliegend relativ zu dem Messkörper (28) derart angeordnet sind, dass das von der ersten Spulengruppe (58) erzeugte Messmagnetfeld (62) die zweite Spulengruppe (68) weniger beeinflusst, wenn ein Messkörper (28) zwischen der ersten Spulengruppe (58) und der zweiten Spulengruppe (68) angeordnet ist.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Generatorspule (60, 70) auf einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei Sensorspulen (64, 74) zwischen den zwei Sensorspulen (64, 74) angeordnet ist, sodass die Spulen (60, 64, 70, 74) eine lineare Spulenanordnung (66, 76) bilden.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Generatorspule (60, 70) auf der gedachten Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorspulen (64, 74) mittig zwischen den zwei Sensorspulen (64, 74) angeordnet ist.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Spule (60, 64, 70, 74) als Planarspule (80) ausgebildet ist.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspule (80) als Leiterbahn ausgebildet ist.
Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionssensor (56) eine Leiterplattenanordnung (78) umfasst, welche vorzugsweise die erste Spulengruppe (58) und die zweite Spulengruppe (68) relativ zu dem Messkörper (28) einander gegenüberliegend positioniert.
Kraftmessanordnung (24) für eine Anhängerkupplung (10), wobei die Kraftmessanordnung (24) eine Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die Anhängerkupplung (10) den Messkörper (28) bildet und die Einzelrichtungskraftsensorvorrichtung (30) auf einer Oberseite (36) und einer Unterseite (40) der Anhängerkupplung (10) angeordnet ist.
Kraftmessverfahren zum Messen einer entlang einer Hauptwirkungsrichtung auf einen Messkörper (28), insbesondere auf eine Anhängerkupplung (10), wirkenden Kraft (F), mit den Schritten: a) Anlegen eines ersten Messmagnetfeldes (62) an eine erste Seite (36) des Messkörpers (28) und anlegen eines zweiten Messmagnetfeldes (72) an eine zweite Seite (40), die der ersten Seite (36) gegenüberliegt, des Messkörpers (28); b) Erfassen der aufgrund der Kraft (F) verursachten Verformung (50, 54) des Messkörpers (28) auf der ersten Seite (36) und der zweiten Seite (40), um ein erstes Sensorsignal (A) und ein zweites Sensorsignal (B) zu erhalten, die jeweils indikativ für die Kraft (F) sind; c) Subtrahieren der beiden Sensorsignale (A, B) voneinander, um ein Kraftsensorsignal (A-B) zu erhalten, das indikativ für die Krafthauptkomponente (Fz) entlang der Hauptwirkungsrichtung (Z) ist.