Kraftaufnehmer für die Pedalkraft

Im Fahrzeugbau müssen sämtliche Komponenten eingehenden Tests unterzogen werden. Althen erklärt, wie mittels spezieller Kraftaufnehmer die Pedalkraft gemessen wird, um bestimmte Druckpunkte zu testen und festzulegen.

Pedale in Fahrzeugen sollten sich aus ergonomischen Gründen angenehm betätigen lassen. Die Einstellung darf daher nicht zu steif sein und es sollte nicht zu viel Betätigungskraft aufgewendet werden müssen, um auch längere Fahrten ohne Ermüdung der Füße absolvieren zu können. Andererseits darf z. B. ein Bremspedal auch nicht zu leichtgängig sein, um ungewollt abrupte Stopps zu vermeiden. Deutlich wird hier, dass die Pedale durchaus unterschiedliche Druckpunkte benötigen: Ein Gaspedal verlangt eine andere Pedalkraft als das Bremspedal und das auch je nach Fahrzeugtyp, beispielsweise Auto oder Gabelstapler. Im Test & Measurement im Fahrzeugbau wird in Druckprüfungen eruiert, inwiefern die Pedale eher weicher oder härter eingestellt werden sollten.

Membran- und Biegebalken-Kraftaufnehmer in einem

Um die Pedalkraft zu testen, werden Kraftaufnehmer direkt am Pedal angebracht. Einem unserer Automotive-Kunden liefern wir hierfür eine Mischform aus Membrankraftaufnehmern und Biegebalken-Kraftaufnehmern. Ein reiner Membrankraftaufnehmer, der aufgrund seiner kompakten Größe sehr gut für Prüfstandseinsätze geeignet wäre, reagiert in der Regel sehr empfindlich gegenüber nicht-axialen Belastungen, die bei der Ermittlung der Pedalkraft durchaus auftreten können. Daher nutzt der Zulieferbetrieb einen um die Biegebalkenstruktur ergänzten Kraftaufnehmer, bei dem die Membran mit einer Kreuzstruktur verstärkt ist (Aufnehmer der Serie ALF304). Dieser kann mögliche Winkelkräfte deutlich besser kompensieren als ein reiner Membrankraftaufnehmer. So entstehen nur sehr geringe Messfehler. Je nach Pedalart und zu erwartender Druckkraft werden Kraftaufnehmer mit passendem Messbereich verwendet – die Serie ALF304 verfügt über drei verschiedene Kraftaufnehmer, die auf 2,5 kN, 1 kN und 250 N ausgelegt sind.

Noch präsziser

Wenn noch präziser gemessen werden soll– wie bei einem Automobilherstellerkunden gewünscht – empfehlen wir den Kraftaufnehmer ALF300, der eine sehr spezielle Struktur aufweist: Er ist zylindrisch-ringförmig ausgeführt und verfügt im Inneren über eine komplexe Biegebalkenstruktur. Diese ermöglicht eine noch bessere Fehlerkompensation. Wenn ein Kraftaufnehmer nicht exakt zentrisch beansprucht wird und damit eine Seite stärker belastet wird als die andere, können Messwinkel entstehen, die der ALF300 kompensiert und so eine noch präzisere Messung ermöglicht. Aufgrund seines Aufbaus ist der Sensor allerdings deutlich größer als ein üblicher Pedalkraftaufnehmer der Serie ALF304. Für den Kunden war die Größe zugunsten der höheren Genauigkeit jedoch zu verschmerzen.

Nicht-axiale Belastungen kompensieren

Überprüfungen der Pedalkraft können zum einen automatisiert durchgeführt werden, d.h. dass Aktuatoren auf ein Pedal wirken. Diese Variante ist besonders wiederholgenau, da stets derselbe Punkt angefahren wird. Doch Zulieferer und Hersteller lassen auch „manuell“ durch Tester den optimalen Druckpunkt der Pedale überprüfen. Dies kommt einer Benutzung im Alltag näher, bei der ebenfalls nicht stets der optimale Betätigungspunkt getroffen wird. Gerade in diesem Fall ist als Kraftaufnehmer der ALF300 besser geeignet, da er die nicht-axiale Betätigung kompensieren kann. Das Messergebnis ist damit deutlich genauer, was für den Kunden eine zentrale Anforderung war. Aufgrund der komplexen Struktur ist die Herstellung des ALF300 allerdings aufwendiger und mit höherem Materialverbrauch verbunden, sodass auch die Kosten für den Aufnehmer über denen für ein Modell der 304er-Serie liegen.

Einfache Integration der Kraftaufnehmer

Für die Messung der Pedalkraft genügt es, je Pedal einen Kraftaufnehmer mittels Kabelbindern am Pedal zu fixieren. Alternativ können sie auch verschraubt werden. Dank der flachen, komplexen Ausführung haben die Pedalkraftaufnehmer, wie der ALF304, nur einen sehr geringen Einfluss auf das Messergebnis. Zudem sind sie sehr robust und langlebig und halten etliche Messzyklen aus – pauschal lässt sich keine Lebensdauer angeben, da es sehr darauf ankommt, wie der Kraftaufnehmer beansprucht wird. Es ist ein Unterschied, ob er 100.000 mal oder nur 10 mal am Tag belastet wird. Ebenso nutzt ein Kunde womöglich nur 70 % des Messbereichs, während bei einer anderen Anwendung regelmäßig mehr als 100% Belastung entstehen. Dank einer regelmäßigen Rekalibrierung ist der Sensor jedoch äußerst langlebig. Diese Rekalibrierungen führen wir für Kunden wenn gewünscht durch.

Bereitstellung ganzer Messketten

Wenn der Sensor festgelegt und angebracht ist, bedarf es einer Auswerteelektronik zur Erfassung. Während manche Kunden die Kraftaufnehmer in ihre eigenen Steuerungen einbinden, stellt Althen für den Automobilzulieferer eine ganze Messkette, bestehend aus Aufnehmer und Messverstärker, zur Verfügung. Besonders empfehlenswert sind rein analoge Messverstärker, die eine sehr gute Grenzfrequenz mit einer hohen Abtastrate aufweisen. So lassen sich gewisse Peaks, also sehr kleine, kurzzeitige Änderungen sehr gut erfassen. Jeder Messverstärker muss dann von uns auf den jeweiligen Aufnehmer und die Art der Signale eingestellt und kalibriert werden.

Individuelle Anpassungen von Aufnehmern

Wenn ein ALF-Kraftaufnehmer aus dem Standardportfolio nicht ganz den Anforderungen der Anwendung entspricht, haben wir viele Möglichkeiten, die Aufnehmer noch kundenspezifisch anzupassen. Das beginnt bei modifizierten Messbereichen, z.B. um den Messbereich von 2,5 auf 5 kN zu erhöhen – dazu wird die innere Struktur verstärkt und ggf. anderes Material verwendet. Auch abweichende Temperaturanforderungen können erfüllt werden. Wenn der Sensor z.B. in einer Temperaturkammer von -40 bis +110°C eingesetzt werden soll, wird der Kraftaufnehmer auf diese Temperaturbereiche kompensiert. Möglich ist auch, die Dimensionen anzupassen. Der Aufnehmer an sich ist eine sehr kleine Dose, auf der ein größerer Ring mit einer Kunststoffplatte aufgebracht ist. Dieser Ring kann z.B. vergrößert werden, damit der Aufnehmer besser auf ein Pedal passt, oder der Kunde benötigt in bestimmten Abständen Durchgangsbohrungen am Ring. Ebenso können andere Innengewinde auf der Unterseite angebracht oder unterschiedliche Kabellängen ermöglicht werden. Der Automobilkunde benötigte den Kraftaufnehmer beispielsweise gänzlich ohne Kunststoffplatte und mit eigens definierten Messbereichen, die wir entsprechend kalibrierten.