DE2941378A1

DE2941378A1 - Lastwandler

Info

Publication number: DE2941378A1
Application number: DE19792941378
Authority: DE
Inventors: John Stuart Forrester; David Rendall
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2439394B1; FR2439394A1; JPS5555234A; US4320667A

Description

Lucas Industries Limited
Great King Street,
Birmingham B19 2XF/England

Lastwandler

Die Erfindung betrifft einen Lastwandler, insbesondere einen Lastwandler, der geeignet ist, die Achsenbelastung eines Fahrzeugs zu messen.

Vorrichtungen zum Messen einer Last sind bekannt, die elektrische Dehnungsmeßstreifen haben und induktive Lastwandler aufweisen, die nach dem Differentialtransformer-Prinzp. Solche Vorrichtungen haben aber den Nachteil, daß sie verhältnismäßig teuer sind.

Auf dem Prinzip variabler Kapazitäten beruhende Lastwandler sind an sich bekannt, z.B. durch die britischen Patentschriften 1 085 404 und 1 453 934; damit solche Vorrichtungen eine im wesentlichen lineare Ausgangsinformation geben können, sind sie mechanisch kompliziert und/oder weisen komplizierte elektronische Schaltungen auf, wodurch wiederum die Kosten erhöht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen auf Kapazitätsänderung beruhenden Lastwandler zu schaffen, der eine im wesentlichen lineare Ausgangsanzeige gibt, aber verhältnismäßig einfach im Aufbau und im Verhältnis zu bekannten Lastwandlern billig ist.

C/w. - 5 -

030018/0749

29A1378

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Lastwandler ein bei Beaufschlagung durch eine Last entgegen einer Federung entsprechend der Größe der Last bewegtes Element sich in ein Gehäuse hinein erstreckt, eine Elektrode eines variablen Kondensators von einem Träger getragen wird und die zweite Elektrode des Kondensators getragen wird von einem anderen Träger, der hohl ist und in dem der erstgenannte Träger angeordnet ist, so daß die Träger rechtwinklig zu den einander zugekehrten parallelen Flächen der Elektroden relativ zueinander gleitend bewegbar sind, so daß eine Bewegung des Elements die Relativbewegung der Träger gegeneinander und damit die Änderung des Abstandes der einander parallel bleibenden Elektroden voneinander entsprechend der Belastung des Elements bewirkt.

Ein solcher Lastwandler ist nicht nur einfach, sondern der Kondensator kann so gewählt werden, daß seine Kapazität sich im wesentlichen direkt oder entgegengesetzt der Größe der Last ändert, so daß die elektrische Schaltung zum Erzeugen einer linearen Spannung oder eines linearen Stroms vereinfacht werden kann^

Vorzugsweise -ist der Lastwandler so gebaut, daß der Abstand zwischen den Elektrodenoberflächen sich im wesentlichen linear mit der Last ändert und daß die Kapazität sich im wesentlichen umgekehrt zur Last ändert.

Vorzugsweise ist auch der erstgenannte Träger hohl und das von der Last beaufschlagte Element erstreckt sich durch diesen Träger hindurch, und ist an dem genannten Element befestigt.

Die Elektroden des Kondensators sind vorzugsweise ebene, einander parallele Platten.

Der Kondensator bildet vorzugsweise einen Teil eines elektrischen Oszillators, der eine Frequenz erzeugt, die von der Kapazität des Kondensators und somit von der aufgebrachten

030018/0749

— D ~

Last abhängig ist.

Die Frequenz dieses Oszillators ist vorzugsweise umgekehrt proportional der Kapazität. Der Oszillator ist vorzugsweise ein astabiler RC-Rechteckwellen-Oszillator, insbesondere unter Verwendung eines CMOS-Inverters.

Der Oszillator bildet vorzugsweise einen Teil eines elektrischen Stromkreises, der Mittel zum Umwandeln der Ausgangsfrequenz in eine Spannung aufweist, die der aufgebrachten Last entspricht.

Vorzugsweise ist der elektrische Stromkreis in dem Gehäuse untergebracht.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Lastwandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Stromkreis für einen Lastwandler nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt grafisch die Wirkungsweise des in Fig. dargestellten Lastwandlers.

Der in Fig. 1 dargestellte Lastwandler besitzt ein hohles Gehäuse 10 von rechteckigem Querschnitt, das aus Dural besteht und an seinem einen Ende eine mit ihm aus einem Stück bestehende Bodenplatte 11 hat. In der Mitte der Bodenplatte 11 ist eine mit Innengewinde versehene Öffnung 12 vorgesehen, in die eine aus Stahl bestehende Schraube 13 eingeschraubt ist und zur Justierung mehr oder weniger tief einschraubbar ist. Auf die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 10 ist

030018/0749

mittels Schrauben 14 eine Stahlplatte 15 aufgeschraubt, die eine mit Innengewinde versehene Bohrung 16 aufweist, die mit der Öffnung 12 der Grundplatte 11 fluchtet. Die öffnung 16 ist mit einem mit der Platte 15 aus einem Stück bestehenden und von ihr nach außen vorspringenden Ring 17 versehen.

In die Bohrung 16 ist eine sich in das Innere des Gehäuses 10 erstreckende, mit ihm koaxiale und mit Außengewinde versehene Hülse 18 eingeschraubt. Die Hülse 18 besteht aus einem Acetal Copolymer, wie es unter dem Warenzeichen "KEMATAL" vertrieben wird, und ist gegenüber der Deckplatte 15 durch eine Gegenmutter 19 gesichert. An ihrem freien Ende besitzt sie einen mit ihr aus einem Stück bestehenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Flansch 21, der auf seiner der Grundplatte 11 zugekehrten Fläche eine ringförmige Messingplatte 22 trägt, die die eine Elektrode eines variablen Kondensators 23 bildet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Flansches 21 ist mittels Schrauben 24 eine ringförmige Schaltungsplatte 25 vorgesehen, die Teile der in der Fig. 2 dargestellten Schaltung trägt.

In der Hülse 18 kann eine mit ihr und dem Gehäuse 10 koaxiale Hülse gleiten, die ebenfalls aus KEMATAL besteht. Die Hülse 26 ragt an ihrem einen Ende über die Hülse 18 hinaus und besitzt dort einen mit ihr aus einem Stück bestehenden radialen Flansch 27, der gegenüber der Platte 22 eine mit dieser parallelen ringförmigen Messingplatte 28 trägt. Die Platte 28 bildet die zweite Elektrode des Kondensators 23, dessen Kapazität durch Bewegen der Platte 28 gegenüber der Platte 22 geändert werden kann.

Durch die Hülsen 26, 28 hindurch erstreckt sich ein mit Stufen versehener, zylindrischer, aus einsatzqehärtetem Stahl bestehender Stempel 29, der an seinem einen Ende die Deckplatte 15 überragt, und einen breiteren Kopfteil 31 besitzt. Eine verformbare Gummihülse 32 zwischen dem Kopf-

teil 31 und dem Rinq 16 dichtet das Gehäuse 10 qeqen Eintritt unerwünschten Materials ab. Am anderen Ende besitzt der Stempel 29 eine Umfangsnut 33, in der ein gebogener Sprengring 34 aus Stahl liegt, um den Stempel 29 in einer Lage gegenüber der Hülse 26 zu halten. Der Sprengring 34 hält einen Druckring 35 gegen den Flansch 27 der Hülse 26 und drückt ebenfalls das andere Ende der Hülse 26 gegen einen Ansatz 36 des Stempels 29. Der Sprengring 34 ist vorgesehen, um thermische Differentialausdehnungen zwischen Hülse 26 und Stempel 29 auszugleichen.

Das dem Kopfteil 31 gegenüberliegende Ende des Stempels 29 ist im wesentlichen eben und liegt an einer ebenen Fläche eines Knopfes 37 an, der aus einsatzgehärtetem Stahl besteht. Die gegenüberliegende Fläche des Knopfes 27 hat die Form eines Teils einer Kugel und sitzt in einer entsprechenden Ausnehmung 38 eines aus Stahl bestehenden Trägers 39, der oberhalb der Schraube 13 gehalten wird durch ein Paar C-förmiger Federn 41 von konstanter Federkraft, die sich zwischen dem Träger 39 und der Unterseite der Deckplatte 15 erstrecken. Die Schraube 13 begrenzt die Bewegung des Trägers 39 und verhindert daher eine Überbeanspruchung der Federn 41.

Der Ansatz 36 liegt im wesentlichen in Flucht mit dem inneren Ende der Bohrung 16, so daß beim Auftreten von thermischen Ausdehnungsdifferenzen zwischen dem Kunststoffmaterial der Hülse 18, 19 und dem Metall der Federn 41, der Deckplatte 15 und des Stempels 29 die Platten 22, um die gleichen Beträge bewegt werden und daher die Kapazität des Kondensators 23 nicht beeinflußt wird.

Beim Benutzen des Lastwandlers durch eine auf den Kopfteil wirkende Last werden der Stempel 29 und die Hülse 26 in das

030018/0749

Gehäuse hineinbewegt und zwar gegenüber der Hülse 18 und entgegen der Wirkung der Federn 41. Die Platte 28 wird daher von der Platte 22 wegbewegt, um einen Betrag, der direkt proportional der Größe der aufgebrachten Last ist, so daß die Kapazität des Kondensators 23 geändert wird. Ausrichtungsmängel zwischen den Hülsen 18, 16 und dem Stempel 29 können durch Bewegung des Knopfes 37 gegenüber dem Stempel 29 und dem Träger 39 angepaßt werden und daher ändert sich, wie Fig. 3 zeigt, die Kapazität des Kondensators 23 entgegengesetzt der den Stempel 29 belastenden Last.

In dem dargestellten Beispiel werden die Kondensatorplatten 22 und 28 mit Erhöhung der Belastung des Lastwandlers weiter voneinander entfernt; diese Anordnung wird vorgezogen, weil sie jedes Problem beseitigt, das sich aus einer Beschädigung der Flanschen 21, 27 bei mechanischer Überlastung ergeben könnte. Ferner wird vorzugsweise wenigstens eine der Platten 22, 28 gegenüber dem Flansch 21 bzw. 27 zurückgesetzt, so daß ein elektrischer Kurzschluß bei einer Berührung der Flanschen vermieden wird.

Wie Fig. 2 zeigt, bilden der Kondensator 23 und die auf der Schalttafel 25 angeordneten Teile einen astabilen RC-Rechteckwellen-Oszillator 42, der zwischen 20 und 40 KHz arbeitet und eine monostabile Schaltung 43. Der Oszillator 42 und die monostabile Schaltung 43 sind zusammengebaut von einer einzigen CMOS 4O69B hex-Wechselrichterbaugruppe

44, wie sie von der Firma RS Components Ltd. geliefert wird. In dem astabilen Oszillator 42 sind Stifte 1 bis 6 der Baugruppe 44 miteinander über einen 3,3 M Ohm-Widerstand

45 und einen damit in Reihe liegenden 120K Ohm-Widerstand

46 verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände

45, 46 ist mit einer Elektrode des Kondensators 2 3 verbunden, während die andere Elektrode des Kondensators 23 mit den Stiften 4 und 5 der Baugruppe 44 verbunden ist. Der Stift 7 ist geerdet, der Stift 14 mit einer 8-Volt-Gleichstromquelle verbunden und der Stift 6 ist der Ausgangspol des Oszillators 42. Ein astabiler Oszillator, dessen

0300 18/0749

- 10 -

allgemeine Form beschrieben ist in "National Semi-Conductor CMOS Integrated Circuits" 19 75, Application Note AN 118 entitled "CMOS Oscillators" S. 226, woraus ersichtlich ist, daß die Frequenz des Oszillators 42 umgekehrt proportional der Kapazität des Kondensators 2 3 ist. Da die Kapazität des Kondensators 2 3 umgekehrt proportional dem Abstand zwischen den Platten 22 und 28 ist, erzeugt somit der Oszillator 42 an seinem Ausgang eine Frequenz, die direkt proportional dem Abstand zwischen den Elektroden des Kondensators 23 und somit der auf dem Stempel 29 ruhenden Last ist.

Der Ausgang des astabilen Oszillators 42 ist über einen 47 pF Kondensator 48, der ein Teil der monostabilen Schaltung 43 ist, mit dem Stift 9 der Baugruppe 44 verbunden und die Stifte 9 und 10 der Baugruppe sind überbrückt durch einen 120K Ohm-Widerstand 47. Der Stift 11 der Baugruppe 44 ist geerdet über einen 120K Ohm-Widerstand 49 und ist mit dem Stift 8 der Baugruppe über einen 47 pF Kondensator 31 verbunden. Der Stift 8 der Baugruppe 44 ergibt einen Ausgang, der eine konstante Marke einer variablen Rechteckwellenform einer vom astabilen Oszillator 42 bestimmten Frequenz ist. Ein 100K Ohm-Widerstand 42 liegt zwischen dem Stift 8 der Baugruppe 44 und einem Ausgangspol 54, der über einen0,1 pF Kondensator 53 mit Erde verbunden ist. Der durch den Kondensator 53 und den Widerstand 52 bestimmte Schaltkreis bildet einen einfachen Filterkreis, so daß an dem Pol 54 eine Gleichspannung abnehmbar ist, deren Wert direkt proportional der zu messenden Last ist. Eine monostabile Schaltung ähnlich der Schaltung 43 ist auf Seite 625 (Fig. 12) der RCA COS/MOS Integrated Circuits Handbook 1977 beschrieben. Wenngleich auch andere Typen astabiler RC-Rechteckwellen-Oszillatoren benutzt werden können (z.B. Schmitt-Trigger Vorrichtungen), empfiehlt sich

- 11 -

0300 18/0749

die Verwendung von Oszillatoren mit CMOS-Wechselrichtern, da diese nur einen einfachen Timing-Kondensator benötigen, eine geringe Eingangsimpedanz haben und leicht beziehbar sind in doppel-, vierfach- und sechsfach integrierten Baugruppen.

030018/0749

Claims

PATENT AN WA LTS BÜRO

SCHUMANNSTR. 97 · D-4OOO DÜSSELDORF

Telefon.- (02 Π) 68 33 44 Telex: 08S8 6513 cop d

PATENTANWÄLTE: Dip¹.-Ing. W. COHAUSZ Dipl.-Ing. R. KNAUF Dr.-Ing., Dipl.-Wirisch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

Ansprüche:

lij. Lastwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei Beaufschlagung durch eine Last entgegen einer Federung (41) entsprechend der Größe der Last bewegtes Element (29) sich in ein Gehäuse (10) hinein erstreckt, eine Elektrode (28) eines variablen Kondensators (23) von einem Träger (26) getragen wird und die zweite Elektrode (22) des Kondensators (23) getragen wird von einem anderen Träger (18), der hohl ist und in dem der erstgenannte Träger (26) angeordnet ist, so daß die Träger (18, 26) rechtwinklig zu den einander zugekehrten parallelen Flächen der Elektroden (22, 28) relativ zueinander gleitend bewegbar sind, so daß eine Bewegung des Elements (29) die Relativbewegung der Träger (18, 26) gegeneinander und damit die Änderung des Abstandes der einander parallel bleibenden Elektroden (22, 28) voneinander entsprechend der Belastung des Elements (29) bewirkt.
2. Lastwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Oberflächen der Elektroden (22, 28) sich im wesentlichen linear entsprechend der Belastung derart ändert, daß die Kapazität des Kondensators sich entgegen der Belastung ändert.

356

C/w. - 2 -

030018/0749

ORIGINAL INSPECTED
3. Lastwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte Träger (26) ebenfalls hohl ist und das bei Belastung bewegbare Element (29) sich durch ihn hindurch erstreckt und mit diesem Träger (26) fest verbunden ist.
4. Lastwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweitgenannte Träger (26) gegenüber dem Gehäuse (10) unbeweglich ist und die Befestigung der beiden Träger (18, 26) an dem Element (29) bzw. dem Gehäuse (10) derart ist, daß der Abstand zwischen den Flächen der Elektroden (22, 28) im wesentlichen unbeeinflußt von einer Wärmeausdehnung zwischen dem Element (29) und anderen damit verbundenen Teilen des Lastwandlers ist.
5. Lastwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (22, 28) des Kondensators (23) einander parallele, ebene Platten sind.
6. Lastwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß die Federung (41) eine lineare Federcharakteristik hat.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekenn — zeichnet, daß die Federung (41) ein Paar C-förmiger Federn aufweist.
8. Lastwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß der Kondensator (23) einen Teil eines elektrischen Oszillators bildet, der eine Frequenz erzeugt, die von der Kapazität des Kondensators (2 3) und somit von der Belastung des Lastwandlers abhängig ist.

03001 8/0749
9. Lastwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators der Kapazität umgekehrt proportional ist.
10. Lastwandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein astabiler RC-Rechteckwellen-Oszillator ist.
11. Lastwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er ein CMOS-Konverter ist.
12. Lastwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein Teil eines elektrischen Stromkreises ist, der Mittel enthält zum Umwandeln der Frequenz in eine Spannung, die abhängt von der Belastung des Lastwandlers.
13. Lastwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Stromkreis in dem Gehäuse (10) angeordnet ist.

030018/0749