DE3429348C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem magnetoelastischen Kraftmesser nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist schon ein solcher Kraftmesser aus der DE 30 04 592 A1 be­ kannt, der in einer elektrohydraulischen Hubwerksregeleinrichtung eines Traktors mit angelenktem Pflug die Kraft in einem Unterlenker in vorteilhafter Weise mißt. Bei diesem als Bolzen ausgebildeten Kraftmesser liegt in einer Trennebene zwischen Unterlenker und La­ gerstelle eine Erregerwicklung, Sekundärwicklung und Magnetkernanord­ nung aufweisender Kraftgeber, der über die Schubspannung in der Wand des Bolzens ein zur Unterlenkerkraft proportionales Signal er­ mittelt. Bei diesem Kraftmesser kann unter ungünstigen Betriebsbe­ dingungen der Fall eintreten, daß durch den schwenkbaren Unterlenker Torsionsspannungen im Bolzen die Genauigkeit des Meßergebnisses be­ einflussen. Auch fließt nur ein Teil der durch Schubspannung ver­ drängten Feldlinien durch die Pole der Sekundärspulen und die Sig­ nalausbeute ist deshalb geringer. Ferner führt die mehrteilige Magnetkernbauweise zu einer relativ aufwendigen Bauweise.

Ferner ist aus der DE 23 35 243 A1 eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen in einem Bauteil bekannt, die nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeitet. Bei dieser Vorrichtung ist eine konische Hülse aus ferromagnetischem Material in eine passende Bohrung des Bauteils eingeführt, wobei die Hülse in ihrem Inneren den eigentlichen Trafo­ geber aufnimmt. Obwohl hier ein zylindrischer Körper mit außen angeordneten Längsrillen für die Primär- und Sekundärwicklung eine einfache Magnetkernanordnung erlaubt, ermöglicht diese Vorrichtung nur das Messen von Spannungen in dem die konische Hülse umgebenden Bauteil. Um durch das Einpressen der konischen Hülse im Bauteil den Kraftanschluß zu erhalten, der für dieses Meßprinzip notwendig ist, wird der Prüfkörper bereits vorgespannt und dadurch kann es bereits zu Meßfehlern kommen.

Weiterhin ist aus der DE 25 50 288 A1 ein magnetoelastischer Kraft­ messer bekannt, bei dem die Magnetkernanordnung kreuzformig mit einem gemeinsamen Flußführungsteil in der Mitte für Erregerwicklung und Meßwicklung ausgebildet ist. Bei diesem Kraftmesser wird der symmetrisch mit vier gleich langen Armen ausgebildete Magnetkern mit seinen Arm-Enden auf einem eine quadratische Grundform aufweisenden Halter befestigt, der seinerseits mit dem Meßobjekt verschweißt wird, so daß sich der Kraftmesser nur für bestimmte Anwendungsfälle eignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem gattungsbildenden Kraftmesser diesen hinsichtlich Bauweise und Herstellung zu ver­ bessern, ohne dabei dessen Meßergebnisse zu beeinträchtigen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem magnetoelastischen Kraftmesser mit den Merkmalen des Oberbegriffs im Anspruch 1 durch die kenn­ zeichnenden Merkmale. Auf diese Weise hat der Kraftmesser den Vor­ teil, daß er trotz einfacherer Bauweise eine größere Signalausbeute ermöglicht; bei ihm fließen alle durch die Schubspannung verdrängten Feldlinien durch die Pole der Sekundärspule. Zudem werden bei ihm Signalverfälschungen infolge von vom Drehmoment herrührenden Spannungen weitgehend ausgeschaltet. Ferner läßt sich der Kraft­ messer einfach herstellen und auch leicht montieren. Zudem eignet er sich für weitere Ausgestaltungen insbesondere im Hinblick auf Kom­ pensation anderer Einflüsse.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 ange­ gebenen Kraftmessers möglich. Besonders vorteilhaft ist seine An­ wendung als Kraftmeßbolzen in elektrohydraulischen Hubwerksregelein­ richtungen von landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen magnetoelastischen Kraftmesser in verein­ fachter Darstellung, wie er in einer elektrohydraulischen Hubwerksregeleinrichtung eines Traktors zur Messung der Zugkraft im Lenker verwendbar ist, Fig. 2 eine Seiten­ ansicht des Kraftmessers, Fig. 3 eine Vorderansicht des eigentlichen Transformatorgebers im Kraftmesser nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und Fig. 4 und 5 jeweils eine Mantelabwicklung der Bohrungswand im Kraftmesser im Bereich des Transformatorgebers mit dem Verlauf der ma­ gnetischen Feldlinien einmal bei unbelasteten und zum an­ deren bei belastetem Zustand. Fig. 6 und 7 zeigen die Verhältnisse entsprechend Fig. 4 und 5, jedoch bei ver­ tauschter Anordnung von Erreger- und Meßwicklung. Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungs­ form des Transformatorgebers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen ma­ gnetoelastischen Kraftmesser 10 der im wesentlichen als rohrförmiger Bolzen 11 aus ferromagnetischem Material aus­ gebildet ist. Der Hohlraum im Bolzen 11 ist als durchge­ hende Bohrung 12 dargestellt, in welcher ein Transforma­ torgeber 13 angeordnet ist.

Auf dem Bolzen 11 ist in an sich bekannter Weise ein Un­ terlenker 14 eines bei Traktor üblichen Dreipunktgestän­ ges schwenkbar gelagert, der in Pfeilrichtung 15 eine Zugkraft F auf den Bolzen 11 ausübt. Der Bolzen 11 stützt sich beidseitig vom Unterlenker 14 in gehäusefesten La­ geraugen 16, 17 des Traktors ab, so daß auf jedes Lager­ auge 16, 17 im wesentlichen die halbe Zugkraft F/2 wirkt.

Der Transformatorgeber 13 liegt nun im Bereich einer Trennebene 18, die senkrecht zur Längsachse 19 des Bol­ zens 11 verläuft und den Bolzen im Bereich zwischen Un­ terlenker 14 und Lagerauge 16 schneidet, also in einer Scherzone.

Wie die Fig. 3 näher zeigt, weist der Transformatorge­ ber 13 einen kreuzförmig ausgebildeten Magnetkern 20 auf, der einstückig ausgebildet ist und aus ferromagnetischem Material besteht. Der kreuzförmige Magnetkern 20 bildet eine erste (21), zweite (22), dritte (23) sowie eine vierte Polfläche 24. Der Magnetkern 20 weist in seiner Mitte ein Flußführungsteil 25 auf, das dem Primärkreis und dem Sekundärkreis des Transformatorgebers 13 gemein­ sam zugeordnet ist. Um das Flußführungsteil 25 herum ist in der Trennebene 18 oder zumindest in einer dazu nahe­ liegenden parallelen Ebene eine dem Primärkreis zugeord­ nete Erregerwicklung 26 angeordnet. Ferner ist auf dem Flußführungsteil 25 eine Meßwicklung 27 angeordnet, wel­ che in einer Ebene liegt, die sowohl senkrecht zur Trenn­ ebene 18 verläuft als auch senkrecht zu einer Ebene durch sämtliche Polflächen 21 bis 24.

Wie die Fig. 2 näher erkennen läßt, bildet der kreuz­ förmige bzw. X-förmige Magnetkern 20 ein plattenförmiges Bauelement, das sich relativ einfach herstellen läßt und leicht in die Bohrung 12 des Bolzens 11 einsetzbar ist.

Die Erregerwicklung 26 und die Meßwicklung 27 lassen sich an dem kreuzförmigen Magnetkern 20 relativ leicht anord­ nen und behindern den Einbau des Magnetkerns in die Boh­ rung 12 nicht. Die Anschlüsse beider Wicklungen 26, 27 sind aus der Bohrung 12 herausgeführt und stehen dort mit einem elektrischen Schaltkreis 28 zum Betreiben des Transformatorgebers 13 in Verbindung. Der plattenförmige Magnetkern 20 ist ferner so ausgebildet und angeordnet, daß die durch die vier Polflächen 21 bis 24 definierte Ebene die Längsachse 19 des Bolzens 11 schneidet und daß in dieser Ebene auch zumindest die Vorzugsrichtung der Zugkraft F liegt, wobei die Zugkraft F innerhalb eines begrenzten Bereiches um die Längsachse 19 schwenken kann. Der symmetrisch zur Trennebene 18 und auch zur Längsachse 19 ausgebildete Magnetkern 20 ist in der Bohrung 12 zudem so angeordnet, daß er mit seinen Polflächen 21 und 22 die Wand der Bohrung 12 im Bereich des Lagerauges 16 berührt, während er mit seinen beiden anderen Polflächen 23 und 24 an der Wand der Bohrung 12 im Bereich des Unterlenkers 14 anliegt, so daß der Transformatorgeber 13 im Bereich ei­ ner Scherzone liegt.

Die Wirkungsweise des magnetoelastischen Kraftmessers 10 wird wie folgt erläutert, wobei auf die Fig. 1 bis 5 Bezug genommen wird.

Es sei davon ausgegangen, daß im unbelasteten Zustand keine Zugkraft F auf den Unterlenker 14 wirke und die Erregerwicklung 26 von einer Wechselstromquelle mit ge­ eigneter Frequenz gespeist wird. Der von der Erreger­ wicklung 26 verursachte Primärfluß teilt sich in einen ersten Teilfluß 31 über die erste (21) und die dritte Polfläche 23 sowie in einen zweiten Teilfluß 32 über die zweite (22) und die vierte Polfläche 24, wie dies in Fig. 3 näher dargestellt ist. In Fig. 4 ist zugleich ei­ ne Mantelabwicklung der Wand der Bohrung 12 im Bereich des Transformatorgebers 13 dargestellt, woraus der Ver­ lauf der Feldlinien des magnetischen Flusses durch die Bohrungswand zwischen den Polflächenpaaren 21 und 23 des ersten Teilflusses 31 und den Polflächenpaaren 22 und 24 des zweiten Teilflusses 32 erkennbar ist. Fig. 4 macht dabei deutlich, daß kein magnetischer Querfluß von der ersten Polfläche 21 zur vierten Polfläche 24 bzw. von der zweiten Polfläche 22 zur dritten Polfläche 23 existiert. Somit findet auch kein magnetischer Fluß durch die Meß­ wicklung 27 statt, so daß in ihr keine Meßspannung indu­ ziert werden kann. Dementsprechend meldet der elektrische Schaltkreis 28 im unbelasteten Zustand nach Fig. 4 den Wert Null für die Größe der Zugkraft F.

Im belasteten Zustand wirkt der Unterlenker 14 mit einer Kraft F auf den Bolzen 11, der sich über eine jeweils halb so große Kraft in den Lageraugen 16, 17 abstützt. Dementsprechend wirken in dem Rohrquerschnitt des Bol­ zens 11 in der Trennebene 18 Spannungen, welche die Per­ meabilität des ferromagnetischen Materials in diesem Be­ reich ändern. Diese Permeabiltätsänderungen führen zu ei­ nem Feldlinienverlauf des magnetischen Flusses, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei werden die Teilflüsse 31 und 32 des Primärflusses geschwächt und es baut sich ein Sekundärfluß 33 auf, wobei ein erster Querfluß 34 so­ wie ein zweiter Querfluß 35 jeweils von der zweiten Pol­ fläche 22 schräg durch die Wand der Bohrung 12 zu der dritten Polfläche 23 verläuft. Dieser Sekundärfluß 33 durchströmt nun zwangsweise die Meßwicklung 27 und in­ duziert in ihr ein Spannungssignal, das über den elek­ trischen Schaltkreis 28 in ein einsprechendes Meßsignal umgewandelt wird, dessen Größe proportional zur Größe der Zugkraft F ist. Durch die Ausbildung und Anordnung des Transformatorgebers 13 wird dabei erreicht, daß je­ der Querfluß der magnetischen Feldlinien die Meßwicklung 27 durchdringt und somit eine relativ hohe Signalausbeute gewährleistet ist.

Durch den schwenkbar auf dem Bolzen 11 angeordneten Un­ terlenker 14 können im Bolzen 11 auch Spannungen infolge von Torsion hervorgerufen werden. Durch die Ausbildung und Anordnung des Transformatorgebers 13 haben aber der­ artige Spannungen keinen störenden Einfluß auf das Meß­ ergebnis, dessen elektrisches Signal proportional zu der aufgebrachten Kraft F ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die entsprechenden Verhältnis­ se wie in Fig. 4 bzw. 5, wenn anstelle der in Fig. 3 ge­ zeigten Anordnung die Erregerwicklung und die Meßwicklung vertauscht angeordnet werden, wodurch grundsätzlich der gleiche Meßeffekt erreichbar ist. Die dann vorhandenen vier Teilflüsse 36 bis 39 verlaufen im unbelasteten Zustand nach Fig. 6 in zwei zueinander parallelen, zur Längsachse 19 senkrecht verlaufenden Ebenen, wie dies die Mantelabwick­ lung nach Fig. 6 zeigt. Im belasteten Zustand nach Fig. 7 treten die quer verlaufenden Sekundärflüsse 41, 42 auf, die zwangsweise die zugeordnete Meßwicklung durchströmen. Der Weg für die Sekundärflüsse 41, 42 ist dabei gleich lang wie bei der Anordnung nach Fig. 5.

Die Fig. 8 zeigt einen zweiten Transformatorgeber 45, der sich von demjenigen nach Fig. 3 vor allem dadurch unterscheidet, daß der kreuzförmige Magnetkern 20 ein­ schließlich Wicklungen 24, 27 in einem Bolzen 46 aus Kunststoff eingegossen sind und die elektrischen An­ schlüsse stirnseitig herausgeführt werden. Der Außen­ durchmesser der Pole 21, 22, 23, 24 kann dann durch z. B. Schleifen sehr leicht auf das gewünschte Maß gebracht werden, so daß nach dessem Einbau in die Bohrung 12 je­ weils ein vorbestimmter, definierter Luftspalt zwischen Polen und Bohrungswand verbleibt, so daß Verformungen des hülsenförmigen Bolzens 11 im Betrieb nicht den Trans­ formatorgeber 45 beeinflussen. Die Ausführung nach Fig. 8 ist besonders einfach, robust und montagefreundlich.

Selbstverständlich sind an dem gezeigten Kraftmesser Än­ derungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzu­ weichen. So ist der Kraftmesser nicht auf eine Anwendung bei elektrohydraulischen Hubwerksregelungen begrenzt, sondern kann auch bei anderen Einsatzfällen verwendet werden, wo vergleichbare Verhältnisse, insbesondere eine Scherzone am Meßbolzen vorhanden ist. Zudem läßt sich der Transformatorgeber auch dahingehend erweitern, daß mit relativ geringen Änderungen hysteresekompensierende Spulen angebracht werden können. Ferner läßt sich bei ent­ sprechender Ausführung der geometrischen Oberfläche der vier Polflächen erreichen, daß Unregelmäßigkeiten eines beliebig gestalteten ferromagnetischen Prüflings, wie Luftspalt, Spannungszustand, Textur etc. als Signal in Betrag und Richtung ausgewertet werden können. Für den Bolzen können Werkstoffe verwendet werden, deren Permeabi­ lität abhängig von Spannungen sich erhöht oder sinkt; der Bolzen kann auch nur teilweise, nämlich in dem von den Feldlinien durchfluteten Bereich, aus ferromagnetischem Material gebildet sein. Auch können bei einem zweiseitig abgestützten Bolzen zwei Trafogeber in den beiden Scher­ zonen angeordnet werden, um die Größe und Genauigkeit des Meßsignals zu erhöhen. Je nach Wahl des Werkstoffs kann es zweckmäßig sein, den Magnetkern aus einem einzigen Stück oder aus mehreren, gleichformigen Trafoblechen auf­ zubauen.

Claims (8)

1. Magnetoelastischer Kraftmesser mit einem rohrförmigen Bolzen aus zu­ mindest teilweise ferromagnetischem Material, der in seinem Hohlraum wenigstens eine mit Wechselstrom gespeiste Erregerwicklung zur Er­ zeugung eines magnetischen Primärflusses aufweist und der eine Meß­ wicklung hat, in der ein von der zu messenden Kraft abhängiger Se­ kundärfluß eine Signalspannung induziert und mit einer diesen Wick­ lungen zugeordneten Magnetkernanordnung, deren vier Polflächen im Bereich einer zwischen Krafteinleitungs- und Kraftabstützstelle ver­ laufenden Diagonalen an der Hohlraum-Innenwand anliegen, wobei die zwischen den Polen verlaufenden, magnetischen Flußlinien die Rohr­ wand durchdringen und bei dem die Ebenen der beiden Wicklungen im wesentlichen aufeinander senkrecht stehen und die Erregerwicklung und die Meßwicklung im wesentlichen bei einer Trennebene zwischen den Kraftangriffsstellen zweier Bauelemente liegen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetkernanordnung (20) kreuzförmig mit einem ge­ meinsamen Flußführungsteil (25) in der Mitte für Erreger- (26) und Meßwicklung (27) ausgebildet ist, daß die vier Polflächen (21, 22, 23, 24) im wesentlichen in einer durch die Längsachse (19) des Bol­ zens (11) verlaufenden Ebene liegen und daß die Ebene von Erreger­ wicklung (26) oder Meßwicklung (27) im wesentlichen in der Trennebe­ ne (18) liegt.

2. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Polflächen (21, 22, 23, 24) der Magnetkernanordnung (20) mindestens weitgehend in der Ebene liegen, in der auch die zu messende Kraft (F) über ein Bauteil (14) auf den Bolzen (11) einwirkt.

3. Kraftmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Polflächen (21, 22, 23, 24) der Magnetkernan­ ordnung an einem einstückigen Kern (20) ausgebildet ist, der insbesondere aus mehreren formgleichen Trafoblechen aufgebaut ist.

4. Kraftmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (21, 22, 23, 24) sym­ metrisch zur Längsachse (19) des Bolzens (11) und zu der durch die radial verlaufende Wicklung (26) gebildeten Ebene, insbesondere der Trennebene (18) liegen.

5. Kraftmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungs­ stelle die Lagerung eines schwenkbaren Lenkers (14) ei­ nes landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeugs, insbesondere eines Traktors ist.

6. Kraftmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker (14) auf dem Bolzen (11) zwischen zwei ge­ häusefesten Lagerstellen (16, 17) angeordnet ist.

7. Kraftmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in bezug auf die durch die radial verlaufende Wicklung (26) gebildete Ebene (18) das auf einer Seite liegende Polflächen-Paar (21, 22) im Bereich der Lagerstelle (16) und das auf der anderen Seite liegende Polflächen-Paar (23, 24) im Bereich des Lenkers (14) an der Innenwand des hohlen Bolzens (11) anliegen.

8. Kraftmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorgeber (45) in einem Bolzen (46) aus Kunststoff oder dgl. ver­ gossen ist und seine Polflächen (21 bis 24) radial aus dem Bolzen (46) herausragen.