Sensorbolzen zur Krafterfassunq sowie damit ausgestattetes Flurförderzeuq

Die Erfindung betrifft einen Sensorbolzen zur Krafterfassung sowie ein Flurförderzeug mit einem Sensorbolzen.

Sensorbolzen zur Krafterfassung sind insbesondere im englischen Sprachgebrauch unter dem Begriff „load pin" bekannt und werden gelegentlich auch als Sensorstifte oder Messbolzen bezeichnet. Solche Sensorbolzen werden in verschiedenen Vorrichtungen eingebaut, um Krafteinwirkungen auf bestimmte Vorrichtungsteile messen oder zumindest feststellen zu können. Dabei arbeiten die Sensorbolzen in der Regel mit Dehnungsmessstreifen, die auf entsprechende Bauteile des Sensorbolzens übertragene Scherkräfte erfassen. Beispiele für Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen finden sich auf folgenden Intemetseiten:

http://www.strainsert.com/images/page8drawtable.jpg http://www.strainsert.com/pages/load-pins-overview.php http://www.lcmsystems.com/load_pin_application_note.html http://www.sentranllc.com/load_pin.htm

In der DE 38 02 332 A1 ist der Einsatz eines Sensorbolzens mit Dehnungsmessstreifen in Flurförderzeugen beschrieben. Dabei ist der Sensorbolzen, der in dieser Druckschrift als Messbolzen bezeichnet wird, in einem Verbindungsteil zwischen Gabelrücken und Gabelzunge eines Gabelzinkens eines Hubgabelstaplers untergebracht. Über die Dehnungsmessstreifen im Messbolzen kann das Gewicht der von den Gabelzinken aufgenommenen Lasten gemessen werden.

Mit Dehnungsmessstreifen arbeitende Sensorbolzen können bauartbedingt eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreiten. Der kleinste kommerziell erhältliche Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen weist einen Durchmesser von 9,4 mm auf. Für spezielle Anwendungsfälle sind jedoch Sensorbolzen wünschenswert, die besonders platzsparend aufgebaut sind und z.B. einen Durchmesser von höchstens 8 mm aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, die auch in platzsparender Bauart ausführbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht.

Im Gegensatz zu den üblichen Sensorbolzen arbeitet der erfindungsgemäße Sensorbolzen also nicht mit Dehnungsmessstreifen, sondern nach einem völlig anderen Prinzip, nämlich nach einer spannungsoptischen Methode. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass bestimmte Materialien ihre Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung bei äußeren Kräften ändern. Die veränderte Lichtdurchlässigkeit kann mittels eines Sensors erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise lässt sich auf die Größe der einwirkenden Kräfte rückschließen.

Ein Beispiel für eine für eine solche Änderung der Lichtdurchlässigkeit ist die Ausbildung einer optischen Achse durch die mechanische Spannung in dem Material abhängig von der mechanischen Beanspruchung. Eine solche optische Achse bildet sich für jeden Punkt des Materials abhängig von Richtung und Größe der mechanischen Spannung aus. Einfallendes Licht wird in seine Polarisationsebene parallel zur optischen Achse, den außerordentlichen Strahl, und senkrecht zur optischen Achse, den außerordentlichen Strahl zerlegt. Für beide Teilstrahlen der Zerlegung kommt es beim Durchlaufen des Materials zu einer relativen Phasenverschiebung zueinander, so dass aus linear polarisiertem einfallendem Licht elliptisch polarisiertes Licht mit den Extremfällen zirkulär polarisiertes Licht und in der Polarisationsebene gedrehtes linear polarisiertes Licht wird. Dieses Prinzip wird bei industriellen Herstellungsprozessen bereits benutzt, um die Kräfteverteilung innerhalb von Plastikmodellen von bestimmten Bauteilen bei Belastung in bildlicher Darstellung zu veranschaulichen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die spannungsoptische Methode hervorragend eignet, um die bei Sensorbolzen übliche Methode der Erfassung von Kräften mit Dehnungsmessstreifen durch eine weitaus fortschrittlichere Methode zu ersetzen, die wegen ihrer Präzision bei gleichzeitiger Perspektive zur Miniaturisierung völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

Dabei wird für das Sensorelement im Sensorbolzen ein Material mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften verwendet. Zweckmäßigerweise wird das Sensorelement aus einem Polymermaterial gebildet. Besonders bevorzugt weist das Sensorelement ein Epoxidmaterial mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften auf.

Das Sensorelement ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zwischen einem Hauptschalenteil und einem Formschalenteil eingelegt, wobei das Formschalenteil die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet. Das Formschalenteil kann z.B. in seinen Außenbereichen durch Lagerschalen gesichert sein.

Dabei ist das Formschalenteil vorzugsweise zumindest teilweise derart positionsveränderlich, dass es bei Belastung durch eine äußere Kraft verform ungswirkend auf das Sensorelement pressbar ist. Die auf das Formschalenteil wirkende äußere Kraft wird also auf das Sensorelement übertragen, was zu Spannungen im Material des Sensorelements und somit zu einer Veränderung der Lichtdurchlässigkeit des Materials führt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger in gegenüberliegenden Endbereichen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses angeordnet. In seinem Mittelbereich umfasst das Gehäuse das Hauptschalenteil und das Formschalenteil. Das Sensorelement ist ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und in Längserstreckung im Lichtstrahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger ausgerichtet. Dabei ist das Sensorelement vom Hauptschalenteil und Formschalenteil eingeschlossen. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass einerseits die Einwirkung von äußeren Kräften auf das Sensorelement ermöglicht wird und andererseits das Sensorelement von Umgebungslicht abgeschirmt wird, während gleichzeitig die Lichtquelle und der Lichtempfänger in korrekter Position bezüglich des Sensorelements gehalten werden.

In einer günstigen Ausführungsform sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger an derselben Seite des Sensorelements angeordnet und ist das Sensorelement an der gegenüberliegenden Seite mit einem den optischen Weg umkehrenden Element, insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegeln oder totalreflektierenden Flächen versehen.

Dadurch ist es möglich, einen besonders kompakten Sensorbolzen herzustellen. Insbesondere ermöglicht dies einen Aufbau, bei dem beispielsweise nur das Sensorelement, gegebenenfalls in einem Gehäuse, in einen Raum ragt, in dem z.B. ein Druck gemessen werden soll. Dabei ist es möglich, ohne ein spezielles Gehäuse auszukommen oder dieses dünnwandig als reinen Kontaktschutz zu der Umgebung auszuführen, wenn eine Umkehr des optischen Weges an einem fest verbundenen Spiegel oder zwei angeformten totalreflektierenden oder auch verspiegelten Flächen erfolgt, die unter 45 ° zu einer Längsachse des Sensorelements und untereinander unter einem Winkel von 90° angeordnet sind.

Zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger einerseits sowie dem Sensorelement andererseits kann vorteilhaft ein Polarisationsfilter angeordnet sein.

Wenn das reflektierende Element geeignet so gestaltet wird, dass insbesondere durch einen Phasensprung die Änderung der Polarisationsrichtung beim erneuten Durchlaufen des Sensorelements nochmalig erfolgt, so kann ein kürzeres Sensorelement verwendet werden. Auch ist nur ein Polarisationsfilter erforderlich. Es ist auch denkbar, lediglich das Sensorelement des Sensorbolzens durch eine Bohrung in einen Bereich ragen zu lassen, in dem etwa der Druck gemessen werden soll. Dabei kann eine noch weitere Vereinfachung erreicht werden, indem das Sensorelement in ein Gehäuse eingesetzt ist, das an einer Seite oder zwei gegenüberliegenden Seiten in seiner Wandstärke geschwächt ist. Dadurch ergibt sich bei äußerem Druck eine bevorzugte Verformungs- und Krafteinwirkungsrichtung auf sehr einfache Weise. Als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaften kann vorteilhaft eine Verringerung des Lichtdurchlasses bzw. eine Intensitätsabschwächung des Lichts der Lichtquelle von dem Lichtempfänger erfasst werden.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger mit Polarisationsfiltern ausgestattet. Die Polarisationsfilter können an dem Lichtempfänger bzw. der Lichtquelle angeordnet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Sensorelements jeweils einen Polarisationsfilter anzuordnen, beispielsweise aufzukleben. Dadurch wird ermöglicht, dass auch Verwindungskräfte erfasst werden können.

Vorteilhaft kann durch die relative Orientierung der Polarisationsfilter zueinander als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung oder Intensitätserhöhung von dem Lichtempfänger erfasst werden. Dabei können die Polarisationsfilter zueinander gleich ausgerichtet sein und kann als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung von dem Lichtempfänger erfasst werden. Im Fall von zueinander im Winkel von 90° ausgerichteten Polarisationsfiltern erfolgt erst bei Druckausübung überhaupt ein Lichtdurchlass, da bei unbelastetem Sensorelement es zu einer Totalauslöschung kommt.

Die Erfindung erlaubt eine besonders platzsparende Ausgestaltung des Sensorbolzens, insbesondere die Ausgestaltung mit einem Durchmesser von weniger als 8mm. Bevorzugt weist dabei das Sensorelement einen Durchmesser von weniger als 9 mm, insbesondere im Bereich von 2 bis 5 mm, auf.

Der erfindungsgemäße Sensorbolzen kann die herkömmlichen Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, unmittelbar ersetzen und kann überall dort eingesetzt werden, wo auch die bisherigen Sensorbolzen zur Anwendung kommen. Er ist allerdings deutlich preisgünstiger herzustellen als die bisherigen Sensorbolzen. Außerdem zeichnet er sich durch eine besonders hohe Messgenauigkeit aus. Dabei kann er auch für die Erfassung hydraulischer oder pneumatischer Drücke verwendet werden. Darüber hinaus kann er wesentlich kompakter gebaut werden, so dass er zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Insbesondere eignet er sich für solche Anwendungsfälle, bei denen Sensorbolzen mit Durchmessern von weniger als 8 mm gefordert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Flurförderzeug mit einem Sensorbolzen.

Bezüglich des Flurförderzeugs wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sensorbolzen gemäß Anspruch 1 verwendet wird, der ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften aufweist, welches in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist, wobei das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Flurförderzeugs sehen vor, dass ein Sensorbolzen mit den in einem der Ansprüche 2 bis 9 aufgeführten Merkmalen verwendet wird.

Zweckmäßigerweise ist der Sensorbolzen in eine Hydraulikeinrichtung des Flurförderzeugs integriert. Beispielsweise können auf diese Weise Hydraulikdrücke in Hubeinrichtungen von Gabelstaplern erfasst und/oder gemessen werden.

Mit Vorteil kann der Sensorbolzen auch in eine Bremseinrichtung des Flurförderzeugs integriert sein. Dadurch können z.B. Bremskräfte in einem Bremshydraulikkreislauf erfasst werden.

Besonders bevorzugt ist der Sensorbolzen in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremshebel, beispielsweise einem Handbremshebel, des Flurförderzeugs eingebaut, um die dort auftretenden Kräfte direkt zu erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Sensorbolzen wird ermöglicht, in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, die von einem von der Bedienperson betätigten Bremshebel, einem Bremsseil und einem die Bremseinrichtung betätigenden Bremsbetätigungshebel besteht, die von der Bedienperson an dem Bremshebel aufgebrachten Betätigungskräfte zu erfassen. Eine solche Anwendung wird erst aufgrund der platzsparenden Bauweise des erfindungsgemäßen Sensorbolzens ermöglicht. Herkömmliche Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, sind hierfür ungeeignet, weil hier Durchmesser von weniger als 8 mm gefordert sind.

Die Aufgabe kann auch durch ein Verfahren zur Kraftmessung mit einem Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften, insbesondere optischer Anisotropie bei Krafteinwirkung, gelöst werden, wobei das Sensorelement zwischen zwei Polarisationsfiltern oder zwischen einem Polarisationsfilter und einem den optischen Weg umkehrenden Element, insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegel, oder totalreflektierenden Flächen, in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht. Zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung wird eine Intensitätsänderung des Lichtes aufgrund von Änderungen der Polarisation beim Durchlaufen des Sensorelements erfasst.

Bei zueinander parallel ausgerichteten Polarisationsfiltern kann zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung eine Intensitätsverminderung des Lichtes beim Durchlaufen des Sensorelements erfasst werden.

Vorteilhaft kommt das Verfahren zur Bestimmung von Kräften von Vorrichtungen eines Flurförderzeugs zum Einsatz, insbesondere zur Bestimmung von hydraulischen Drücken.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Hierbei zeigt die

Fig. 1 eine Explosionszeichnung der Bauteile eines erfindungsgemäßen

Sensorbolzens und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorbolzens.

Der Sensorbolzen 13 der Fig. 1 weist ein als Epoxidkem ausgebildetes Sensorelement 1 auf, der zwischen einem Hauptschalenteil 5 und einem Formschalenteil 6 eingelegt ist. Das zylinderförmige Sensorelement 1 ist koaxial im Lichtstrahlengang angeordnet, der sich zwischen der Lichtquelle 15 und dem Lichtempfänger 7 erstreckt. Die Lichtquelle 15 ist in einer Endkappe 2 untergebracht, die den Sensorbolzen 13 an einer Seite in axialer Richtung abschließt. Zwei halbkreisförmige Lagerschalen 3 und 4 an beiden Endbereichen des Formschalenteils 6 halten das Formschalenteil 6 einerseits in Position und erlauben andererseits, dass das Formschalenteil 6 auf das Sensorelement 1 gepresst werden kann, wenn eine äußere Kraft F auf das Formschalenteil 6 einwirkt. Das Formschalenteil 6, das Hauptschalenteil 5 und die halbkreisförmigen Lagerschalen 3 und 4 werden durch die Endkappe 2, die z.B. eine LED- Lichtquelle 15 beinhaltet, sowie einem am gegenüberliegenden Ende des Sensorbolzens 1 angeordneten Gehäuse 8, welches den Lichtempfänger 7 enthält, zusammengehalten.

Durch diese Konstruktion wird ermöglicht, dass durch eine äußere Kraft F erzeugter Druck auf das Sensorelement 1 ausgeübt werden kann, während das Sensorelement 1 gleichzeitig von Umgebungslicht abgeschirmt wird sowie Lichtquelle 15 und Lichtempfänger 7 in korrekter Position bezüglich des Sensorelements 1 gehalten werden.

Das Sensorelement ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Araldit-Epoxid-Harz geformt und weist einen Durchmesser von 3 mm auf.

An beiden Enden des Sensorelements 1 sind Polarisationsfiltern 11 und 12 angebracht. Diese können z.B. auf die Stirnseiten des Sensorelements 1 aufgeklebt sein.

Das Gehäuse 8 für den Lichtempfänger 7 sowie ein zugeordnetes Befestigungsteil 14 können aus lichtundurchlässigem Kunststoff bestehen, während die übrigen Bauteile des Sensorbolzens 13 aus Stahl gefertigt sein können.

Das Gehäuse 8 ist im zusammengebauten Zustand des Sensorbolzens 13 in einer Endkappe 9 angeordnet, an der eine nicht mehr dargestellte Signal- und/oder Stromleitungen führende Steckereinrichtung angeordnet werden kann.

Mittels Durchgangsbohrungen 10, die das Hauptschalenteil 5 in Längsrichtung durchdringen, können auf einfache Weise Stromleitungen zu einer in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle zu deren elektrischen Versorgung geführt werden.

Die Funktionsweise des Sensorelements 1 ist folgendermaßen: Durch den Epoxidkern des Sensorelements 1 wird ein Lichtstrahl der in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle 15 (z.B. LED) gesendet und von dem im Gehäuse 8 angeordneten Lichtempfänger 7 erfasst. Bei einer Belastung des Formschalenteils 6 durch eine äußere Kraft F wird Druck auf das als Epoxidkern ausgebildete

Sensorelement 1 ausgeübt, wodurch sich der Epoxidkern des Sensorelements 1 verformt und der Lichtdurchlass durch das Sensorelement 1 verringert wird. Die Veränderung des Lichtsignals kann durch den Lichtempfänger 7 erfasst und z.B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.

Dabei wird durch den ersten Polarisationsfilter 11 das Licht aus der Lichtquelle 15 polarisiert und durchläuft das Sensorelement 1 als polarisiertes Licht. Durch die äußere Kraft F entstehen Spannungen in dem Sensorelement 1 , die in einem Verhältnis zur Größe der Kraft F stehen. Diese Spannungen bewirken in dem Sensorelement 1 ortsabhängig die Ausbildung von optischen Achsen oder Hauptachsen, und eine Änderung der Polarisation des durchlaufenden Lichts in ellipsoid polarisiertes Licht, wobei der qualitative und quantitative Umfang dieser Änderung abhängig von dem Maß der Spannungen in dem Sensorelement 1 ist. Als extreme Fälle kann es zu einer Zirkularen Polarisierung oder einer Drehung der Polarisationsebene kommen. Durch den zweiten, in dem gleichen Winkel ausgerichteten, Polarisationsfilter 12 als Analysator führt dies dazu, dass die nunmehr nicht mehr mit dem zweiten Polarisationsfilter ausgerichteten Anteile des ellipsoid polarisierten Lichtes herausgefiltert werden und die erfasste Intensität des Lichtes in dem Lichtempfänger 7 gegenüber dem unbelasteten Sensorelement 1 abnimmt. Somit wird die Lichtdurchlässigkeit durch das Sensorelement 1 veringert, wodurch eine Erfassung von auf das Sensorelement 1 ausgeübten Kräften möglich wird.

Alternativ ist auch denkbar, die Polarisationsfilter 11 , 12 zueinander unter einem Winkel vom 90° bzw. diese senkrecht zueinander auszurichten, so dass bei unbelastetem Sensorelement 1 es zu einer maximalen Auslöschung der Intensität kommt und erst, wenn durch Spannungen in dem Sensorelement 1 eine Änderung der Polarisation des durchlaufenden Lichtes erfolgt, bei zunehmender Kraft F es zu einer Erhöhung der erfassten Lichtintensität kommt. Dies ermöglicht eine besonders empfindliche und genaue Erfassung der wirkenden Kraft. Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorbolzens. Den Bauteilen der Fig. 1 entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Sensorbolzen 13 weist ein als Epoxidkern ausgebildetes Sensorelement 1 auf, der zwischen dem Hauptschalenteil 5 und dem Formschalenteil 6 eingelegt ist. Das zylinderförmige Sensorelement 1 ist koaxial im Lichtstrahlengang angeordnet, der sich zwischen einer Lichtquelle 15 und einem in demselben Gehäuse angeordneten Lichtempfänger 7 über ein den optischen Weg umkehrendes Element 24, beispielsweise an dem anderen Ende des Sensorelements 1 angeformte, den Strahlengang umkehrenden Reflexionsflächen 25 erstreckt. Die zwei halbkreisförmigen Lagerschalen 3 und 4 an beiden Endbereichen des Formschalenteils 6 halten das Formschalenteil 6 einerseits in Position und erlauben andererseits, dass das Formschalenteil 6 auf das Sensorelement 1 gepresst werden kann, wenn eine äußere Kraft F auf das Formschalenteil 6 einwirkt. An dem einen Ende des Sensorelements 1 ist der Polarisationsfilter 12 angebracht.

Durch die Reflexionsflächen 25, die nach dem Prinzip der Totalreflexion wirken, jedoch auch verspiegelt sein können, wird das von der Lichtquelle 15 ausgesandte Licht reflektiert und gelangt zurück zu dem Lichtempfänger 7.