-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Kraftmesselement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
-
Aus
DE 103 30 090 A1 ist bereits ein Kraftmesselement bekannt, bei dem das Kraftmesselement einen Bolzen, auf dem eine Membran aufgebracht ist, aufweist. Die Membran ist von einer Hülse umgeben, auf die, quer zur Längsrichtung des Bolzens, eine zu messende Kraftkomponente aufgebracht wird, wobei die Hülse derart zum Bolzen beabstandet ist, dass die Membran in Abhängigkeit von der Kraftkomponente gedehnt wird, wobei auf der Membran eine Sensorik zu Messung der Dehnung vorgesehen ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Kraftmesselement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Anordnung eines Steges, vorzugsweise in oder quer zur Kraftrichtung, wobei der Steg wenigstens in einem Teilbereich verformt wird, im Wesentlichen Kräfte in nur einer Richtung erkannt werden und gleichzeitig eine sehr kleine Baugröße des Kraftmesselements erreicht wird. Die kleine Baugröße ermöglicht, dass die Elemente zur Krafteinleitung und zur Kraftableitung eng beieinander liegen, damit kann anstatt eine Schraube auch ein Bolzen verwendet werden.
-
Unter Verformung wird hier eine im wesentlichen elastische Verformung verstanden, wobei vorliegend die Verformung die Dehnung oder Spannung oder die Einwirkung einer Torsion ist. Insbesondere die Dehnung bedeutet eine Längenänderung und damit Verformung, die sich nach dem Ende der Krafteinleitung wieder zurückbildet.
-
Der Steg verbindet dabei den Bolzen mit der Hülse. Vorzugsweise kann in einfacher Weise eine Sensorik mittels eines Dünnschichtverfahrens aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufglasen, Aufdampfen oder Aufkleben.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Kraftmesselements möglich.
-
Ist der Steg vorteilhafterweise in Kraftrichtung orientiert, können nur dehnungssensitive Sensoriken verwendet werden. Ist der Steg quer zur zu messenden Kraftrichtung orientiert, dann werden Messelemente verwendet, die die Torsionskraft erfassen. Kombinationen von diesen Sensoriken und Messelementen erlauben die Anordnung des Stegs in einem beliebigen Winkel.
-
Besonders vorteilhaft ist, dass die Hülse und der Bolzen rotationssymmetrisch ausgeführt sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des Kraftmesselements. Auch die Handhabung ist dadurch vereinfacht.
-
Es ist weiterhin von Vorteil, dass eine Sensorik auf dem Bereich angeordnet ist, der gedehnt bzw. gespannt wird. Damit ist eine direkte Messung der Kraft über die Dehnung und die Spannung möglich. Wie oben angeführt, kann die Sensorik im Dünnschichtverfahren einfacherweise aufgebracht werden. Vorteilhafterweise kann nämlich die Sensorik wenigstens einen Dehnmessstreifen und/oder ein piezoresistives Element zur Messung der Dehnung bzw. Spannung aufweisen. Wie oben angegeben kann vorteilhafterweise diese Sensorik in einer Dünnfilmtechnik ausgeführt sein, da der Steg für Dünnfilmfertigungsverfahren gut zugänglich ist.
-
Das Kraftmesselement weist vorzugsweise ein Element zur Kraftableitung auf. Dieses Element kann vorteilhafter Weise aus einem Gewinde oder weiteren Bolzen bestehen. Zusätzlich können an diesem Gewinde oder Bolzen Flächen angebracht sein, die eine eindeutige Ausrichtung oder Montage ermöglichen und ein Verdrehen des Sensors im eingebauten Zustand verhindern.
-
Für eine einfache Herstellung ist es besonders vorteilhaft, dass der Bolzen, die Hülse und der Steg einstückig ausgebildet sind. Dies führt zu einer kompakten und günstigen Bauweise.
-
Vorteilhafterweise kann zwischen der Hülse und dem Bolzen eine Kraftbegrenzung vorgesehen sein. Diese kann als Anschlag ausgeführt sein. Alternativ ist es jedoch möglich, dass die Kraftbegrenzung das Auftreffen der Hülse auf den Bolzen darstellt.
-
Vorteilhafterweise ist es möglich, dass Zwischenelemente vorgesehen sind, die zur Entkopplung von Momenten dienen und zusätzlich die Beanspruchung des Kraftmesselements mindern. Dies kann vorzugsweise durch ein in 7 gezeigtes Kugelgelenk erfolgen. Dieses zweite Zwischenelement kann am Bolzen oder an der Hülse angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, auch starre Zwischenelemente, Elemente wie Gewinde oder Schweißungen, vorzusehen, die jedoch dann nicht zur Entkopplung von Momenten dienen.
-
Eine Verbesserung der Krafteinleitung kann aber auch schon durch einfachere konstruktive Elemente erreicht werden, die im Wesentlichen die Funktion haben, die eigentliche Kraftmessrichtung günstig weiterzuleiten. Entsprechende konstruktive Gestaltungselemente zeigt 8.
-
Vorteilhafterweise weist der Steg einen mittleren verbreiterten Abschnitt auf, der vorzugsweise mit dem Bolzen in Verbindung steht und verschlankte Bereiche, die zwischen dem Bolzen und der Hülse vorgesehen sind. Die Sensorik ist dann vorteilhafterweise jeweils in den verschlankten Abschnitten angeordnet. Diese Anordnung ist besonders günstig zur Kraftmessung. Des Weiteren können in den verschlankten Bereichen die Dehnung der Empfindlichkeit der aufgebrachten Dünnfilmstrukturen durch ihren Schlankheitsgrad angepasst werden, damit diese zwar eine ausreichend hohe Dehnung/Spannung für die Messung erhalten, die Dehnungen/Spannungen aber so eingeschränkt werden, dass die Dünnfilmstruktur nicht zerstört wird. Zusätzlich wird durch diese Anordnung das Kraftmesselement hauptsächlich in ausgwählter Messrichtung empfindlich.
-
Beispielsweise kann durch ein Kugelgelenk ein Momentenentkopplung erreicht werden, so dass beispielsweise bei einer Anordnung des Stegs in Kraftrichtung, beispielsweise in Vertikalrichtung, nur die Vertikalkraft auch erfasst wird und Dreh- oder Querkräfte im wesentlichen unterdrückt werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 ein Blockschaltbild eines Insassenerkennungssystems in einem Fahrzeug,
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
-
3 eine Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
-
4 eine zeichnerische Schnittdarstellung von 3 des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
-
5 eine weitere Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
-
6 eine zeichnerische Schnittdarstellung von 5 des erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
-
7 ein Kugelgelenk zur Entkopplung von Momenten im Zusammenbau mit dem Kraftmesselement und
-
8 ein beispielhafter Querschnitt der vereinfachten Ausführungsform des in 7 gezeigten Funktionselements zur Momentenentkopplung.
-
Zunehmend werden Sitzkraftsensoren als Insassenerkennungssensoren in Fahrzeugen verwendet. Diese Sensoren sind einfach in der Ausführung und zuverlässig im Betrieb. Entscheidend für den Erfolg dieser Kraftmesselemente sind die kleine Bauform und die optimale Kraftmessung.
-
Erfindungsgemäß wird dafür vorgeschlagen, ein Kraftmesselement mit einem Steg auszuführen, der vorzugsweise in Kraftrichtung oder quer dazu orientiert ist. Damit misst der Kraftsensor im Wesentlichen nur in eine Richtung. Und dies ist die Richtung, die für die Applikation des Kraftmesselements als Sitzkraftsensor interessant ist.
-
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Insassenerkennungssystem. Vier Sitzkraftsensoren SGW1 bis SGW4, die pro Sitz vorzugsweise vorgesehen sind, sind über Ausgangsleitungen mit einem Steuergerät ECU verbunden. Das Steuergerät ECU ist dann über eine Ausgangsleitung mit einem Fußgängerschutzsystem, wie beispielsweise einer anhebbaren Motorhaube oder Außenairbags, verbunden. Die Sitzkraftsensoren SGW1 bis SGW4 liefern an das Steuergerät ECU eine Kraftmessung bzw. damit eine Gewichtsmessung des Sitzes und damit des Insassen, der sich auf dem Sitz befindet. Durch die Verwendung von vier Sensoren ist auch die Gewichtsverteilung analysierbar. Insbesondere, ob sich die Person nach vorne beugt, ist über die Gewichtsverteilung messbar. Dies kann vorteilhaft für eine kontrollierte Auslösung von Schutzsystemen genutzt werden, aber es kann auch Anwendung für Komfortfunktionen im Fahrzeug finden, beispielsweise für eine automatische Sitzhöhen- und Sitzlehnenverstellung. Vorliegend sind die Gewichtssensoren SGW1 bis SGW4, die das erfindungsgemäße Kraftmesselement verwenden, über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit dem Steuergerät ECU verbunden. Es ist jedoch alternativ möglich, hier eine Bus-Verbindung vorzusehen, beispielsweise den bekannten LIN-Bus. Die Sitzkraftsensoren SGW1 bis SGW4 sind im Sitzgestühl eingebaut, anstelle einer Schraube oder eines Bolzens. Damit erhöhen solche Sitzkraftsensoren nicht die Bauhöhe des Fahrzeugsitzes, oder sie führen zu einer unwesentlichen Erhöhung.
-
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. Vorliegend ist eine Symmetrieachse 110 vorgesehen. Ein Bolzen 2 ist von einer Hülse 1 umgeben. Die Kraft 200, wirksam in der Zeichenebene, wird hier über ein Zwischenelement 101 auf die Hülse 1 eingekoppelt, wobei dann ein Kraftfluss über einen Steg 3 erfolgt, der die Hülse 1 mit dem Bolzen 2 verbindet. Das Element 101 kann zur Entkopplung von den Momenten denen. Das Element 100 dient zur starren Ankopplung an eine tragende Struktur. Die Wirkungsweise der Elemente 100 und 101 kann auch vertauscht werden, so dass die Hülse 2 über das Element 101 starr an eine tragende Struktur angekoppelt wird und das Element 100 zur Entkopplung von Elementen dient. Für eine einfache Anwendung mit geringen Ansprüchen an die Messgenauigkeit kann sowohl das Element 100 als auch das Element 101 starr an tragende Strukturen, zwischen denen Kräfte gemessen werden sollen, ankoppeln, beispielsweise durch Verschraubung oder Schweißung.
-
Wird eine sehr große Kraft 200 auf die Hülse 1 angewendet, dann bewegt sich die Hülse 1 in Richtung auf den Bolzen 2. Berührt die Hülse 1 den Bolzen 2, ist der Anschlag und damit die Kraftbegrenzung erreicht. Um eine frühere Kraftbegrenzung zu erreichen, kann ein Element 20 vorgesehen sein und zwar als Anschlag. Die Gegenkraft 105 wird, wie gesagt, über das Element 101 abgeleitet. Zusätzlich oder auch alleinig kann wie schon gesagt eine Kraft 201 wirken. Das Kraftmesselement sensiert dann in Bezug auf die in 1 eingezeichneten Richtungen die Differenz der Kräfte 200 und 201. Die auf dem Kraftmessbolzen aufgebrachten Dehnungssensoren können dabei so verschaltet werden, dass man sensieren kann, ob die Differenz in Bezug auf 1 nach oben oder nach unten wirkt.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Steg 3 in Kraftrichtung 200 bzw. 201 orientiert ist, so dass das Kraftmesselement damit im Wesentlichen nur in Kraftrichtung 200 beziehungsweise 201 empfindlich ist. Die Sensorik zur Erfassung der Kraft als Sensorik zur Erfassung der Dehnung bzw. Spannung des Stegs ist auf dem Steg dann selbst angebracht. Die Beabstandung der Hülse zum Bolzen ist so, dass die Kraft die Hülse so verbiegen kann, dass ein Kraftfluss zum Steg 3 gelangt, der hier zu einer Verformung führt. Das Kraftmesselement ist vorzugsweise aus Stahl, beispielsweise aus Edelstahl, gefertigt. Die Elektronik, die die Sensorwerte ausliest, verarbeitet und zum Steuergerät schickt, ist der Einfachheit halber hier weggelassen worden.
-
3 zeigt das erfindungsgemäße Kraftmesselement in einer Gesamtansicht. Deutlich sind der mittlere verbreiterte Bereich 4 und die verschlankten Bereiche 3a und 3b. In den Bereichen 3a und 3b sind beispielsweise dehnungsmessende Elemente angeordnet. Mit dehnungsmessenden Elementen ist es im Wesentlichen möglich, Kraftkomponenten in der Zeichnungsebene der in 1 eingezeichneten Richtungen 200 bzw. 201 auszuwerten. Mit dehnungstorsionsmessenden Elementen können auch Kraftkomponenten erfasst werden, die senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 wirken.
-
4 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements gemäß 3. Die Kraft 200 wird auf die Hülse 1 aufgebracht. Die Kraft fließt über den Steg 3, dabei über die verschlankten Bereiche 3a und 3b, den verbreiterten mittleren Bereich 4 zum Bolzen 2, wobei die Sensorik in den Bereichen 3a und/oder 3b angeordnet ist. Die Anordnung auf beide Bereiche 3a und 3b erhöht die Empfindlichkeit in Kraftmessrichtung und Störkomponenten lassen sich durch eine elektronische Verschaltung und Aufbereitung minimieren. Der Bolzen 2 trägt über den verbreiterten mittleren Bereich 4 die verschlankten Bereiche 3a und 3b. Der Steg 3 besteht damit aus den Elementen 3a, 3b und 4. Zwischenräume 5 zwischen dem Steg 3 und der Hülse 1 können mit einer Membran oder weichen Materialien geschlossen werden.
-
In 4 erfolgt die Krafteinleitung ohne das in 1 eingezeichnete Zwischenelement 101. Das Zwischenelement 101 dient zur Entkopplung unerwünschter Krafteinflüsse; es ist aber nicht unbedingt erforderlich, wenn diese äußeren Krafteinwirkungen klein sind.
-
Die Elemente, vor allem 3a, 3b und 4, sind gegenüber 4 nur zur Hälfte dargestellt, da die Darstellung ein Schnitt durch 3 ist.
-
Anzahl und Ort der angebrachten Dehnmessstreifen in den Bereichen 4, 3a und 3b können unterschiedlich sein. Die Dehnmessstreifen können dabei als einfacher Widerstand oder als elektrische Halbbrücke oder als Vollbrücke ausgeführt werden. Insbesondere die Verwendung von zwei Widerständen oder zwei Halbbrückenelementen, jeweils ein Element im Bereich 3a und das andere Element im Bereich 3b, ergibt die Möglichkeit, durch elektrisches Verschalten dieser Elemente, den Einfluss von Querkräften auf das Messergebnis zu verringern. Insbesondere zwei Halbbrücken an unterschiedlichen Orten können zu einer Vollbrücke verschaltet werden. So dass sich Einflüsse der nicht zu messenden Kraftrichtung aufheben, Einflüsse der zu messenden Kraftrichtung aber voll wirksam werden.
-
In 5 ist nun der Steg 3 erhaben im Vergleich zur Hülse, dessen Schnittdarstellung in 6 gezeigt ist.
-
6 zeigt die Bereiche 3a, 4 und 3b, und es wird deutlich, dass der Steg 3 erhaben über der Hülse ist, was eine besonders einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements ermöglicht.
-
Anmerkung zu 6: die Elemente (insbesondere 3a, 3b und 4) sind gegenüber 5 nur zu Hälfte dargestellt, da die Darstellung ein Schnitt durch 5 ist.
-
7 zeigt den Einsatz eines Kugelgelenks im Zusammenspiel mit dem erfindungsgemäßen Kraftmesselement. Die Elemente 101a und 101b sind rotationssymmetrisch um die Achse 110 gefertigt. Die Elemente 101a und 101b kontaktieren über eine kugelförmige Fläche 101f deren Mittelpunkt auf der Achse 110 liegt. Die kontaktierenden Flächen müssen dabei ein geringes Spiel aufweisen oder durch die Materialwahl nur gering aufeinander reiben. Die Achse 110 fällt im Idealfall mit der Achse der Hülse 1 und des Bolzens 2 zusammen. Dieses Kugelgelenk entkoppelt dann damit die Momente um die Achse 110 und um die Achse die senkrecht aus der Zeichnungsebene herausragt. Damit werden die wesentlichen Störgrößen, die ebenfalls ein Signal auf den dehnungsmessenden Elementen hervorrufen würde herausgekoppelt.
-
Die anderen Kraftstörgrößen (Kräfte in Richtung der Achse 110 und senkrecht aus der Zeichnungsebene heraus) und das Moment um die Achse 111 werden durch die ausgeführte erfindungsgemäße Gestalt des Kraftmesselementes unterdrückt, so dass mit diesem Kraftelement letztendlich nur die Kraftkomponenten (200) und/oder (201) erfasst werden können, was für z. B. die Gewichtssensierung in sich bewegenden Fahrzeugen besonders vorteilhaft ist.
-
8 zeigt noch weitere Ausführungsformen der Querschnittsflächen der Elemente 101a und 101b aus 7. Hier wird eine Momentenfreiheit durch ein ausreichendes Spiel zwischen den Elementen erreicht, wobei eine Materialpaarung gewählt werden sollte, die einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist.