专利名称：力传感器和力传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的力传感器。
背景技术：
这种类型的力传感器例如用于农业拖拉机。其在那里作为铰链栓用于将下部导杆固定在农业拖拉机上，并且测量作用在下部导杆上的拉力或者剪力。其它应用领域例如是在干草捆压机或者叉车中的载荷测量。DE 30 04 952 A1描述了一种这样的传统的力测杆。力测杆具有一个空心圆柱形壳体。在端面侧的壳体开口中插入磁性测量转换器，其检测壳体的机械载荷。该磁性测量转换器配备了一个初级线圈和两个次级线圈，并且测量壳体材料在剪应力或拉应力下改变的磁弹性。
一种这样的传统的力传感器工作可靠，但是其制造花费高且昂贵。
发明内容
本发明的任务是提供一种构造简单且可成本低廉地制造的力传感器，其尤其可以作为铰链栓使用。
该任务通过一种具有权利要求1所述特征的力传感器解决。此外该任务还通过在权利要求19中所述的力传感器制造方法解决。
按本发明的力传感器具有一个圆柱形的壳体，该壳体可以通过一个垂直于其中轴线作用于该壳体的力弹性变形。该壳体具有一个空腔。在该空腔中设置了一个测量转换器装置，壳体的变形可以用该测量转换器装置进行检测。
本发明的特征在于，测量转换器装置具有一个薄片形的支撑板，在该支撑板的表面上固定着一个应变测量转换器，并且支撑板如此地固定在空腔中，从而将壳体的变形传递到支撑板上。
按本发明的力传感器可以可靠并且此外还可以特别简单地进行制造。应变测量转换器是用于机械变形的已经得到证明的测量转换器。通过将应变测量转换器固定在支撑板上，该应变测量转换器可以特别简单地以很少的装配费用布置在力传感器的壳体空腔中。将支撑板固定在空腔中例如比将应变测量转换器直接固定在壳体内壁上显著更简单。此外支撑板允许将应变测量转换器在空腔中以对于希望的力测量方向最佳的位置和定向进行布置，而无需结构复杂的空腔。在力传感器上可以设置一个有限的纵向区段作为剪力的检测区段。此外，支撑板将壳体的机械变形有方向选择性地传递到应变测量转换器上，从而可以规定优选的力测量方向。由此减小了干扰作用。支撑板本身可以非常简单地例如作为板材冲压件进行制造。此外由于布置在空腔中，应变测量转换器很好地防止了污染。
根据本发明的另一个方面，在制造力传感器时，将支撑板以相对于空腔过量的方式进行制造。支撑板通过下面的方式固定在空腔中，即空腔沿着一个垂直于壳体中轴线的方向通过外力作用而弹性拓宽，从而支撑板插入拓宽的空腔中，并且在将空腔卸载后，支撑板夹紧在空腔中。由此将支撑板特别简单且稳定地固定在空腔中。
本发明优选的设计方案在从属权利要求中给出。
根据一种优选的实施方式，支撑板具有一个边缘，该支撑板在该边缘上传力连接和/或形状配合连接地与空腔的内壁相连接。这种简单的结构允许将由壳体上的剪力引起的拉应力或剪应力传递到支撑板上，并在其表面上进行测量。此外还进行重要的方向选择，因为平行于支撑板表面指向的剪力比垂直于支撑板表面指向的剪力在支撑板的表面上引起明显更高的机械应力。
当支撑板在空腔中夹紧在内壁的相对置的区段之间时，实现了将支撑板特别简单和可靠地固定在空腔中。这种固定方式保证了支撑板边缘上的机械应力良好地耦合。
但是也可以通过下面的方法将支撑板进行可靠地固定并将应力良好地进行耦合，即将支撑板的边缘区段与空腔的内壁粘接、钎焊或者焊接。
当支撑板的表面平行于壳体的中轴线定向，并且该中轴线延伸通过支撑板端面侧的侧面时，可以将平行于支撑板的表面作用在支撑板上的剪力的耦合进一步优化。
在一种应变测量转换器相对于圆柱形壳体的中轴线以45°的角度进行布置的布置方案中可以获得特别高的测量信号的信号上升，因为由剪力引起的剪应力表现为变形的圆柱区段的对角线的伸长或者压缩。
为了减小干扰信号，优选将应变测量转换器固定在关于壳体弯曲的中性轴线的区域中。
根据一种优选的设计方案，通过支撑板上的榫以及通过壳体中容纳该榫的凹穴来明确规定支撑板在壳体中的角度位置。通过这种方式保证了位置正确地安装支撑板。由此可以事先确定力测量方向，并通过壳体的外部结构来规定例如外部防扭定位。
其它设计方案明显简化了制造。例如优选所述空腔具有从圆柱形壳体的端面出发沿着中轴线构造的盲孔或者通孔的形状。此外有利的是，测量转换器装置具有用于插入容纳孔、也就是说盲孔或者通孔的塞子，在该塞子上安置了突出的舌簧形状的支撑板。由此可以将支撑板在加工过程中与将容纳孔进行封闭的塞子一起进行装配。在盲孔的情况下不再需要其它工序来封闭容纳孔。由塞子和支撑板预装配的结构单元此外还可以简单和有效地进行操作。此外可以在塞子中设置用于分析应变测量转换器的信号的电子装置。由此获得了一种紧凑的测量转换器单元，其装配容易，并且提供稳定的与车辆有关的测量信号。如果在塞子上或者通过容纳孔中的阶梯构成一个与塞子或者说支撑板插入深度相关的止挡，那么力传感器的在其中可以检测剪力的纵向区段可以可重复地固定，并由此消除了在制造中的样本参数差异。
一种特别简单地制造的力传感器的突出之处在于，支撑板基本上具有矩形薄片的形状，并且在其平行于壳体中轴线延伸的纵向边缘上与盲孔的内壁或者说与通孔的内壁相连接。在这种结构中，剪力检测区域被限制在壳体的一个短的纵向区段上，在该纵向区段中也布置了应变测量转换器。由此可以减小干扰影响。
根据一种特别优选的设计方案，支撑板在其中设置了应变测量转换器的区域中具有宽度变窄部分，从而在该变窄部分的区域中在纵向边缘和盲孔的内壁或者说通孔的内壁之间形成了一个间隙。由此可以将支撑板的剪应力或者说由剪应力引起的斜向伸长集中到其中固定了应变测量转换器的区域上。由此改善了信号上升。另外力传感器具有一个稍微更宽的剪力检测区段。该检测区段的宽度可以通过逐渐变窄的区段的长度来调节。
如果在支撑板的剪切测量区域内相互垂直地布置了两个按半桥方式连接的电阻应变片，那还可以补偿由温度波动引起的干扰作用以及垂直于支撑板表面的剪力。
根据另一种优选的设计方案，在支撑板的剪切测量区域内成对地在支撑板相对置的表面上设置了四个按全桥方式连接的电阻应变片。利用这种布置方式获得了一种较高的信号振幅，并且也可以补偿扭应力。
在另一种优选的设计方案中，在两个沿壳体的纵向间隔开的剪切测量区域内分别相互垂直地布置了两个电阻应变片，并且这四个电阻应变片以全桥方式布置，使得在这两个剪切测量区域中检测到的剪力相加，只要它们同向指向。这允许在两侧支承的杆中检测在两个轴承孔上出现的力的总和。由于轴承磨损而可能非对称的载荷分布由此不会引起测量结果的失真。
在制造这种力传感器时，优选使用于使壳体弹性变形的力作用垂直于支撑板的表面指向。因为有待测量的力平行于支撑板的表面定向，通过该力-即使在较大的过载下-也不会使空腔横向于支撑板拓宽。由此实现了将支撑板始终可靠地固定在壳体中。
下面参考附图中示出的实施例对本发明以及其优点进行更详细地解释。附图示出图1是一种农业拖拉机的示意图，该农业拖拉机具有一个犁和一个力测量装置，其中该犁固定在一个后面的提升机构上，而该力测量装置则在下部导杆的轴承上测量剪力或者拉力；图2是下部导杆的轴承区域沿着剖切线A-A的剖面图，具有一个插入固定曲臂上轴承孔中的力测杆和一个按本发明第一实施方式的保持在其中的测量转换器嵌件；图3A示出了一种测量转换器嵌件，其用于图2中所示的力测杆中；图3B是力测杆沿着图2中C-C线的放大剖面图；图4根据力测杆的示意横截面图解表示了在制造力测杆时支撑板的固定；图5示出了与图2的视图类似的剖面，其中根据本发明一种第二实施方式具体构造在剪切测量区域范围内测量转换器嵌件的支撑板；
图6也示出了与图2的视图类似的剖面，其中根据本发明一种第三实施方式在测量转换器嵌件的支撑板上可以在两个剪切测量区域中检测剪应力。
具体实施例方式
图1示出了一种农业拖拉机1的示意图，在其背面固定了一个具有一个犁4的提升机构3。该提升机构3通过不同的导杆支撑在农业拖拉机1的背面上。对于导杆，在图1中示出了一个下部导杆6和一个上部导杆7。下部导杆6固定在农业拖拉机1的两个固定曲臂8、9上。在下部导杆6上固定着像犁4一样的悬挂式农具。下部导杆6通过铰链栓10固定在固定曲臂8和9上。铰链栓10设有力测量装置，通过该力测量装置检测下部导杆6上的剪力或者拉力。具有集成的力测量装置的铰链栓10也称为力测杆。通过信号线12将与所测量的力相应的信号传送给一个控制器14。该控制器14例如触发提升机构3，用于调节犁4的下降深度。
在图2中以沿着A-A线的剖面图更精确地示出了下部导杆6在其中借助于力测杆10固定在固定曲臂8和9上的区域。力测杆10插入固定曲臂8和9的容纳孔中。在力测杆10上固定着一个支架48。借助于该支架48将力测杆10不可相对扭转并且以预先规定的插入深度固定在容纳孔中。通过球形衬套16将下部导杆6可以转动地在固定曲臂8和9之间保持在力测杆10上。
力测杆10具有一个圆柱形的壳体20，在该壳体中从端面处掏制一个阶梯形的盲孔22。在该盲孔22中固定着一个测量转换器嵌件24。在图3A中单独示出了该测量转换器嵌件24。该测量转换器嵌件24构成了一个预安装的结构单元，该结构单元固定在壳体20的盲孔22中。该测量转换器嵌件24具有一个塞子26和一个薄片形的支撑板28，该支撑板28以舌簧的形式装配在塞子26上。设置在塞子26的环绕的环形槽中的密封环50用于盲孔22的密封。在塞子26的内部安置了一个放大器电子装置，该放大器电子装置在信号线12上发送一个测量信号。塞子26支撑在孔22的阶梯上，如图2所示。支撑板28从塞子26出发突出伸入盲孔22中。支撑板28平行于壳体20的中轴线布置，并且在其纵向上被中轴线横穿。在支撑板的在图2中面对观察者的前面，其设有电阻应变片30。电阻应变片30以45°的角度倾斜于壳体的中轴线布置，并且全面积地与支撑板粘接在一起。在支撑板28的背面，以相同的方式与电阻应变片30对置地粘接了另一个电阻应变片32。该电阻应变片32相对于电阻应变片30旋转了90°。图3B示出了力测杆10沿着图2中剖切线C-C的剖面图，其具有插入其中的测量转换器装置24。可以看到固定在盲孔22中间的支撑板28，该支撑板在两侧都装备有电阻应变片30和32。
如图2或者3A进一步示出的，电阻应变片32的连接线通过支撑板28中的孔34引到前面，并且与电阻应变片30的连接线一起与一个仅仅示意示出的连接插头36相连接。通过连接插头36将电阻应变片30和32与安置在塞子26中的放大器电子装置相连接。电阻应变片30和32作为半桥连接。这允许对由温度引起的信号变化进行补偿。
榫38在侧面安置在支撑板28上。该榫38嵌入孔40中，该孔从盲孔22中的一个阶梯开始延伸到壳体20中。支撑板28具有细长的、基本上呈矩形薄片的形状。在背向塞子26的区段中，该支撑板28在其沿着纵向延伸的边缘42处固定在盲孔22的内壁上。这尤其适用于电阻应变片30和32在其中粘接在支撑板28上的区域。在这种布置方案中，壳体20的在其中布置了电阻应变片30和32的纵向区段构成了一个检测区段44，在该检测区段44中力测杆10对于剪力是敏感的。在检测区段44中，壳体20的剪应力引起支撑板28的固定在该区域中的区段变形。电阻应变片30和32检测到支撑板28在检测区段44的区域内由剪应力引起的斜向伸长或压缩。
通过支架48确保了电阻应变片30和32以及由此检测区段44处于一个剪切区域中，在该剪切区域中，球形衬套16和固定的固定曲臂8在力作用在下部导杆上的情况下引起力测杆10的剪应力。
支撑板28由于其布置在壳体22的中轴线上而处于一个在弯曲应力方面的中性轴线上。由此在任何情况下检测到的弯曲应力都非常弱。此外，支撑板28的旋转角方向通过支架48和榫38确定。通过布置支撑板28和电阻应变片30和32，主要检测平行于支撑板28前面或者背面的表面的剪力。垂直于该表面的剪力表现为支撑板28沿着纵向的伸长，并且通过电阻应变片30和32作为半桥连接来补偿。
支撑板28的前面和背面在农业拖拉机上使用时通常平行于水平线定向，用于尽可能有效地测量由悬挂式农具沿水平方向作用在力测杆10上的拉力。
现在根据图4来描述支撑板28在壳体20的盲孔22中的固定。从左向右示出了固定过程的分步骤。支撑板28的宽度相对于盲孔22的内径具有微小的过量。通过沿着垂直于支撑板28前面或者说背面的方向施加一个压力，壳体20弹性变形为一个椭圆。由此盲孔22沿着支撑板28的宽度方向拓宽。将测量转换器嵌件24连同支撑板28先行插入变形的壳体中。然后将壳体20卸载，从而回复到初始的圆形形状。由此将支撑板28在盲孔22中夹紧在相对置的内壁之间。这种固定允许可靠地传递剪力，因此也可靠地将剪应力或者拉应力从壳体20传递到支撑板28上。作为替代方案，可以将支撑板28在其纵向边缘42上也与盲孔22的内壁进行焊接、钎焊或者粘接。但这会引起更高的制造费用。
根据在图5中示出的本发明的第二实施方式描述了按本发明的力测杆10的有利改进。这些改进可以单独使用，或者也可以相互组合使用。基本结构相应于第一实施方式的基本结构。
根据第二实施方式，在支撑板28的前面和背面分别布置了两个电阻应变片。这些电阻应变片相互扭转90°定向。电阻应变片与壳体20的中轴线分别夹一个45°的角。在所示出的实施例中，两个电阻应变片已经一起相互垂直地布置在应变测量元件52上。该应变测量元件粘接在支撑板28前面的表面上。在支撑板的背面上也与应变测量元件52对置地设置了相应的应变测量元件。所有四个电阻应变片以全桥的方式连接。由此除了由温度引起的信号外，还可以补偿作用在力测杆10上的扭应力。
另一种改进涉及支撑板28的形状。该支撑板在其纵向边缘42处分别设有凹穴54和55。由此在盲孔22的内壁和支撑板28之间分别形成了一个间隙。凹穴54和55对置地设置在检测区段44的区域中。支撑板28因此在该区域中逐渐变窄。电阻应变片设置在支撑板28的逐渐变窄的纵向区段内部。通过变窄部分实现了支撑板28中剪力更好地耦合。检测区段44的宽度可以通过凹穴54和55的长度来调节。尤其是由剪力引起的斜向伸长或压缩集中到支撑板28的逐渐变窄的纵向区段上。由此该位置在设计上实现了剪力最优的检测。因此电阻应变片可以以很小的花费进行最优的安置。另外，凹穴54和55使得由壳体20和测量转换器嵌件24组成的测量装置相对于支撑板28沿纵向方向的微小移动是可以容忍的。
环形槽57具有类似的作用，该环形槽环绕地在壳体20的外侧构成。其使得剪力集中在壳体20的由该环形槽覆盖的纵向区段上。由此力测杆20相对于其插入深度方面的略微改变是可以容忍的。
根据图6中示出的本发明第三实施方式，描述了按本发明的力测杆10的另一种改进。基本结构与第一实施方式的基本结构相应。
壳体20中的盲孔22的长度这样构造，使得其也延伸通过在球形衬套16和固定曲臂9之间构成的第二剪切区域。支撑板28沿着纵向也延伸通过两个剪切区域。除了检测区段44，构造了一个另外的检测区段46，力测杆10在该检测区段46中可以检测剪力。在检测区段44中，支撑板28支撑着应变测量元件52。在检测区段46中，在支撑板28上还固定着一个另外的应变测量元件53。在两个应变测量元件52和53上集成着两个相互垂直布置的电阻应变片。总共四个包含在这两个应变测量元件52、53中的电阻应变片连接成全桥。这种连接这样设计，使得在检测区段44和46中检测到的同向的剪力在全桥的输出信号中相加。
由下部导杆6施加在力测杆10上的力通常各有一半作用在固定曲臂8和9上。但是这种分配在容纳孔和力测杆10非对称磨损时会改变。由此在这两个剪切区域中出现的剪力是不同的。通过检测作用在这两个检测区段44和46中的剪力的总和可以非常精确和可靠地确定作用在下部导杆6上的拉力或者剪力。
第二实施方式的改进、尤其是支撑板28在相应的检测区段中的变窄部分可以很容易地在第三实施方式中应用。
附图标记列表1 农业拖拉机3 提升机构4 犁6 下部导杆7 上部导杆8 固定曲臂9 固定曲臂10力测杆12信号线14控制器16球形衬套20壳体22盲孔24测量转换器嵌件26塞子28支撑板30电阻应变片32电阻应变片34孔36连接插头38榫40孔42纵向边缘44检测区段46检测区段48支架50密封环52电阻应变片53电阻应变片54凹穴
55凹穴57环形槽
权利要求
1.力传感器，其具有圆柱形壳体(20)，该壳体可以通过垂直于该壳体的中轴线作用在该壳体上的力弹性变形，并且该壳体还具有空腔(22)，并且所述力传感器还具有布置在该空腔(22)中的测量转换器装置(24)，利用该测量转换器装置可以检测壳体(20)的变形，其特征在于所述测量转换器装置(24)具有薄片状的支撑板(28)和固定在该支撑板(28)的表面上的应变测量转换器(30、32；52、53)，并且所述支撑板(28)固定在空腔(22)中，使壳体(20)的变形传递到支撑板(28)上。
2.按权利要求1所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)具有边缘(42)，该支撑板在该边缘上传力连接和/或形状配合连接地与空腔(22)的内壁连接。
3.按权利要求1或者2所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)在空腔(22)中夹紧在内壁的相对置的区段之间。
4.按权利要求1或者2所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)的边缘区段与空腔(22)的内壁粘接、钎焊或者焊接。
5.按前述权利要求中任一项所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)的表面平行于壳体(20)的中轴线定向，并且所述中轴线延伸通过支撑板(28)的端面侧的侧面。
6.按前述权利要求中任一项所述的力传感器，其特征在于所述应变测量转换器(30、32；52、53)相对于圆柱形壳体(20)的中轴线以45°的角度布置。
7.按前述权利要求中任一项所述的力传感器，其特征在于所述应变测量转换器(30、32；52、53)布置在关于壳体(20)的弯曲的中性轴线区域中。
8.按前述权利要求中任一项所述的力传感器，其特征在于通过所述支撑板(28)上的榫(38)和壳体(20)中容纳该榫(38)的凹穴(40)明确规定支撑板(28)在壳体(20)中的角度位置。
9.按前述权利要求中任一项所述的力传感器，其特征在于所述空腔(22)具有从圆柱形壳体(20)的侧面出发沿着中轴线构造的盲孔(22)或者通孔的形状。
10.按权利要求9所述的力传感器，其特征在于所述测量转换器装置(24)具有用于插入盲孔(22)或者通孔中的塞子(26)，在该塞子上安置了突出的舌簧形式的支撑板(28)。
11.按权利要求10所述的力传感器，其特征在于在所述塞子(26)中布置了用于分析应变测量转换器(30、32；52、53)的信号的电子装置。
12.按权利要求10或者11所述的力传感器，其特征在于在所述塞子(26)上或者通过盲孔(22)或通孔中的阶梯来构造与塞子(26)或者说支撑板(28)插入深度相关的止挡。
13.按权利要求9到12中任一项所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)基本上具有矩形薄片的形状，并且在其平行于壳体(20)中轴线延伸的纵向边缘(42)上与盲孔(22)的内壁或者说通孔的内壁相连接。
14.按权利要求13所述的力传感器，其特征在于所述支撑板(28)在其中布置了应变测量转换器(52)的区域中具有其宽度的变窄部分(54、55)，并且在该变窄部分(54、55)的区域中在纵向边缘(42)和盲孔(22)的内壁或者说通孔的内壁之间形成一个间隙。
15.按权利要求1到14中任一项所述的力传感器，其特征在于在所述支撑板(28)的剪切测量区域(44)内相互垂直地布置了两个按一种半桥的方式连接的电阻应变片(30、32)。
16.按权利要求1到14中任一项所述的力传感器，其特征在于在所述支撑板(28)的剪切测量区域(44)内成对地在支撑板(28)的相对置的表面上相互垂直地布置了四个按一种全桥的方式连接的电阻应变片(52)。
17.按权利要求1到14中任一项所述的力传感器，其特征在于在两个沿着壳体(20)的纵向间隔开的剪切测量区域(44、46)内分别相互垂直地布置了两个电阻应变片，并且这四个电阻应变片(52、53)以一种全桥的方式连接，从而将在这两个剪切测量区域(44、46)中检测到的剪力相加，只要其相同指向。
18.用于制造按前述权利要求中任一项所述的具有圆柱形壳体(20)的力传感器(10)的方法，其中将所述支撑板(28)相对于空腔(22)以过量的方式进行制造，并且其中所述支撑板(28)按如下方式固定在空腔(22)中，即将所述空腔(22)沿着垂直于壳体(20)的中轴线的方向通过外力作用进行弹性拓宽；将支撑板(28)插入拓宽的空腔中；在将空腔(22)卸载的情况下支撑板(28)夹紧在空腔(22)中。
19.按权利要求18所述的制造方法，其特征在于所述在制造过程中用于弹性变形的力作用垂直于支撑板(28)的表面指向。
全文摘要
力传感器具有圆柱形壳体，该壳体可以通过垂直于其中轴线作用在该壳体上的力弹性变形。该壳体还具有空腔。在该空腔中布置了测量转换器装置，利用该测量转换器装置可以检测壳体的变形。所述测量转换器装置具有薄片状的支撑板，在其表面上固定了应变测量转换器。所述支撑板固定在空腔中，使壳体的变形传递到支撑板上。
文档编号G01L1/18GK101038220SQ200710084179
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月17日 优先权日2006年2月17日
发明者W·斯特普拉思, J·德雷林, P·蒂尔巴克, O·巴特尔斯 申请人:罗伯特·博世有限公司