DD280011A3

DD280011A3 - tension element

Info

Publication number: DD280011A3
Application number: DD29226986A
Authority: DD
Inventors: Michael Wenske; Wolfgang Lampe; Hanno Wenske
Original assignee: Leipzig Chemieanlagen
Priority date: 1986-07-08
Filing date: 1986-07-08
Publication date: 1990-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zugelement aus Faserverbundwerkstoff fuer Kraftmesseinrichtungen zum Messen statischer und dynamischer Belastungen. Ziel ist es, ein Zugelement geringer Masse bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit und Zuverlaessigkeit zu schaffen. Gemaess der Aufgabe soll das Zugelement zur Erfassung dynamischer Belastungen ein hohes zeitliches Aufloesungsvermoegen sowie bei kleinen Messwegen eine hohe Genauigkeit gewaehrleisten und praktisch ohne Eigenschwingungen arbeiten. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass quasi parallele Elementarfaeden zu einem Faserverbund verarbeitet werden. Das Zugelement ist im Bereich des Beschlages schlaufenfoermig ausgebildet, an den sich ein Schaft anschliesst, der seinerseits von einem zur Zugachse des Schaftes abgewinkelten Auflagebereich begrenzt ist, wobei der Winkel zwischen dem Auflagebereich und der Zugachse im lastfreien Zustand 85 bis 90 betraegt. Fig. 1The invention relates to a tension member made of fiber composite material for force measuring devices for measuring static and dynamic loads. The aim is to create a tension element of low mass while maintaining high load capacity and reliability. According to the task, the tension element for detecting dynamic loads should ensure a high temporal resolution capability as well as a high degree of accuracy for small measurement paths and work practically without natural vibrations. According to the invention, this is achieved by processing quasi-parallel elementary filaments into a fiber composite. The tension element is loop-shaped in the region of the fitting to which a shaft adjoins, which in turn is bounded by an angled to the traction axis of the shaft bearing area, wherein the angle between the support area and the traction axis in the load-free state 85 to 90 is. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Zugelement aus Faserverbundwerkstoff für Kraftmeßeinrichtungen zum Messen statischer und dynamischer Belastungen, nämlich solcher an Fallschirmen, Seilverspannungen, Lastaufnahmemittel, Fischereinetzen und dergleichen.The invention relates to a tension member made of fiber composite material for force measuring devices for measuring static and dynamic loads, namely those on parachutes, rope tensions, load handling equipment, fishing nets and the like.

Characteristic of the known, technical solutions

Zur Messung von Zugkräften sind unterschiedlichste Meßmethoden und -einrichtungen bekannt, von denen einige auch zum Erfassen von Stößen geeignet sind. Probleme treten besonders dann auf, wenn die Meßeinrichtung selbst großen Beschleunigungswerten nusgesetzt werden muß, was bei der Erprobung von Fallschirmen unvermeidbarist. Hohe Meßgenauigkeiten erfordern schwingungsfreie hochbelastbare und - zur verzerrungsfreien Widerspiegelung der Dynamik des Prozesses - möglichst massearme Meßeinrichtungen.For measuring tensile forces a variety of measurement methods and devices are known, some of which are also suitable for detecting shocks. Problems arise especially when the measuring device itself must be subjected to high acceleration values, which is unavoidable in the testing of parachutes. High measuring accuracies require vibration-free, highly loadable and - for distortion-free reflection of the dynamics of the process - as low-mass measuring devices as possible.

Dafür sind aus der Praxis verschiedene Lösungen bekannt, von denen eine die Verformungsarbeit eines kalibrierten Kupfenöhrchens nutzt, indem der Grad der Stauchung der Energie des maximalen Entfaltungsstoßes zugeordnet wird. Die Unzulänglichkeit eines solchen Gerätes ist die umständliche, ungenaue und nicht eindeutig reproduzierbare Meßwerterfassung mit nur einem maximalen Ergebnis ohne jede zeitliche Auflösung. Die zur Beurteilung des Ereignisses unerläßliche Kenntnis seiner Dynamik wird nicht erfaßt.For this purpose, various solutions are known in practice, one of which uses the deformation work of a calibrated copper tube by the degree of compression of the energy of the maximum deployment shock is assigned. The inadequacy of such a device is the cumbersome, inaccurate and not uniquely reproducible data acquisition with only a maximum result without any temporal resolution. The knowledge of its dynamics which is indispensable for the judgment of the event is not grasped.

Ein weiteres Gerät benutzt für die Kraftmessung eine stark dimensionierts Schraubenfeder, die in axialer Richtung mit einem elektrisch betriebenen Trommelschreiber in einem entsprechenden massiven Gehäuse untergebracht und gekoppelt sind. Obwohl hierbei die Zeitauflösung verwirklicht wurde, ist diese wegen der Stoßempfindlichkeit des feinmechanischen Antriebes sehr störanfällig. Reale Zugkraftwerte sind wegen der großen Fedormasse und der kurzzeitig wirkenden Entfaltungsstöße ebenfalls nicht zu erwarten.Another device uses for the force measurement a strongly dimensioned coil spring, which are housed and coupled in the axial direction with an electrically operated drum recorder in a corresponding solid housing. Although in this case the time resolution was realized, this is very susceptible to interference because of the shock sensitivity of the precision mechanical drive. Real tensile forces are also not expected because of the large mass of the spring and the short-term deconvolution impacts.

In der DE-OS 2100583 ist eine Kraftmeßeinrichtung für Krane beschrieben, die sich eines auf Dehnung belasteten Gehäuses bedient, deren Betrag über ein Stabgetriebe auf eine Meßuhr übertragen wird. Diese Einrichtung, wie auch das in der DE-AS 2528242 von einer beschriebenen hydraulischen Kraftmeßeinrichtur g benutzte Prinzip, den Betrag einer verdrängten Flüssigkeit zu nutzen, sind für den Zweck, Entfaltungsstöße u. ä. zu messen, wegen ihrer Trägheit nicht geeignet. Kraftmeßdosen, wie sia in den DE-AS 2144667, oder DE-AS 2200211 und DE-OS 2323556 beschrieben werden, liefern schnelle Signale über Dehnmeßstreifen und andere elektrische Meßwandler. Diese Kraftmeßdosen sind äußerst präzise zu fertigende komplizierte Elemente und je nach vorgesehener Belastung entsprechend massebehaftet. Die Auswertung und Speicherung der Meßwerte ist für ortsfeste Einrichtungen gut geeignet, aber wegen ihres räumlichen Umfanges und ihrer Beschleunigungsempfindlichkeit für Entfaltungsstoßmesser ungeeignet.In DE-OS 2100583 a force measuring device for cranes is described, which uses a strain-loaded housing whose amount is transmitted via a rod gear on a dial gauge. This device, as well as the principle used in DE-AS 2528242 by a described hydraulic Kraftmeßeinricht g to use the amount of a displaced liquid, for the purpose of unfolding shock u. Ä. To measure, because of their inertia not suitable. Load cells, as described in DE-AS 2144667, or DE-AS 2200211 and DE-OS 2323556, provide fast signals via strain gauges and other electrical transducers. These load cells are extremely precise to produce complicated elements and according to the intended load corresponding mass. The evaluation and storage of the measured values is well suited for fixed installations, but unsuitable for deployment knives due to their spatial extent and their acceleration sensitivity.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Zugelement für Kraftmeßeinrichlungen zu schaffen, das bei geringer Masse und einfachem Aufbau eine hohe Belastbarkeit und Zuverlässigkeit besitzt.The object of the invention is to provide a tension member for Kraftmeßeinrichlungen, which has a high load capacity and reliability with low mass and simple structure.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zugelement für Kraftmeßeinrichtungen zum Messen statischer und dynamischer Belastungen zu entwickeln, das einen großen Meßbereich mit hoher Genauigkeit bei sehr kleinen Meßwegen gewährleistet. Um den Meßvorgang nicht zu stören bzw. die Meßwerte nicht zu verfälschen und ein hohes zeitliches Auflösungsvermögen zu erzielen, soll das Zugelement möglichst geringe Masse besitzen und auch bei extremen Stoßbelastungen mit hohen Beschleunigungswerten praktisch ohne Eigenschwingungen von einer Gleichgewichtslage in die andere übergehen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu einem Faserverbund verarbeiteten Elementarfäden quasi parallel und im Bereich des Beschlages schlaufenförmig angeordnet sind. Der Schaft sowie der sich daran anschließende Auflageteller sind rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine zweite Ausführungsvariante verwendet die Schenkelform. Beide - Auflageteller oder Schenkel -sind im Auflagsbereich abgewinkelt und bilden mit der Zugachse im lastfreien Zustand einen Winkel von 85° bis 90"; im belasteten Zustand beträgt der Winkel maximal 95°. Das erfindungsgemäße Zugelement steht mit meßwerterzeugenden oder verändernden Einrichtungen in Verbindung.The invention has for its object to develop a tension member for force measuring devices for measuring static and dynamic loads, which ensures a large measuring range with high accuracy at very small measuring paths. In order not to disturb the measuring process or to distort the measured values and to achieve a high temporal resolution, the tension element should have the lowest possible mass and pass even with extreme shock loads with high acceleration values practically without natural oscillations from one equilibrium position to the other. According to the invention the object is achieved in that the processed into a fiber composite filaments are arranged quasi parallel and looped in the region of the fitting. The shaft and the adjoining support plate are rotationally symmetrical. A second embodiment uses the leg shape. Both support plates or legs are angled in the bearing area and form an angle of 85 ° to 90 ° with the traction axle in load-free condition; in the loaded condition, the angle is maximum 95 °.

embodiment

Das erfindungsgemäße Zugelement wird anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren näher erläutert. Es stellen dar:The tension element according to the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments according to the figures. They show:

Fig. 1: Zugelement mit rotationssymmetrisch ausgebildetem Auflageteller Fig. 2: Zugelement mit diametral angeordnetem SchenkelFig. 1: tension element with rotationally symmetrical trained support plate Fig. 2: tension element with diametrically arranged legs

Das Zugelement besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und ist geeignet, in Verbindung mit meßwerterzeugenden oder verändernden Einrichtungen, wie z. B. magnetoresistiven oder Hallsensoren, in Kraftmeßeinrichtungen eingesetzt zu werden.The tension element consists of a fiber composite material and is suitable, in conjunction with measuring generating or changing devices, such. As magnetoresistive or Hall sensors to be used in force measuring.

Neben der Messung statischer Belastungen gewährleistet das Zugelement insbesondere bei der Erfassung dynamischer Belastungen ein hohes zeitliches Auflösungsvermögen. Der hohe Eigendämpfungsgrad und die hohe Eigenfrequenz des Zugelements verhindern, daß störende Resonanzerscheinungen auftreten können und ermöglichen somit ein schwingungsfreies Messen dynamischer Wechselbelastungen. Außerdem wirkt sich die sehr geringe Eigenmasse des Zugelements bezüglich seiner Belastbarkeit günstig bei der Erfassung von Beschleunigungsmeßwerten aus.In addition to the measurement of static loads, the tension element ensures a high temporal resolving power, in particular when detecting dynamic loads. The high degree of self-damping and the high natural frequency of the tension element prevent disturbing resonance phenomena can occur and thus enable a vibration-free measurement of dynamic alternating loads. In addition, the very low intrinsic mass of the tension element has a favorable effect on the acquisition of acceleration measurements in terms of its load capacity.

Das erfindungsgemäße Zugelement ist gekennzeichnet durch die Verarbeitung quasi paralleler Elementarfäden 1, die in Matrixwerkstoffen eingebettet sind. Im Bereich des Beschlages ist der Faserverbund schlaufenförmig ausgebildet. Daran an schließt sich ein zur Zugachse 4 parallel verlaufender Schaft 8, der von einem abgewinkeltem Auflagebereich 2 begrenzt wird.The tension element according to the invention is characterized by the processing of quasi-parallel filaments 1, which are embedded in matrix materials. In the area of the fitting, the fiber composite is loop-shaped. This is followed by a shaft 8 which extends parallel to the traction axis 4 and is delimited by an angled bearing region 2.

Der Winkel zwischen der Zugachse 4 und der neutralen Linie im Querschnitt des radial auslaufenden Auflagerandbereicheo 2 beträgt im lastfreien Zustand 85° bis 90°.The angle between the traction axis 4 and the neutral line in the cross section of the radially expiring Auflagerandbereicheo 2 is in the load-free state 85 ° to 90 °.

Figur 1 zeigt ein Zugelement, das schon in einem geringen Abstand zum Beschlag in einen rotationssymmetrischen Schaft 8 übergeht, an den sich ein Auflagebereich 2 als rotationssymmetrischer Auflageteller anschließt. Nach der Variante gemäß Figur 2 werden statt des Auflagetellers diametrale Schenkel 3 gebildet. Hierbei liegt Flächensymmetrie vor. Die Stützflächen des Auflagetellers bzw. der ai gewinkelten Schenkel sind durch Gleitelemente 5 armiert, denen Auflageelemente 6 hoher Härte zugeordnet sind.FIG. 1 shows a tension element which, even at a small distance from the fitting, merges into a rotationally symmetrical shaft 8, which is adjoined by a support region 2 as a rotationally symmetrical support plate. According to the variant of Figure 2 diametrical legs 3 are formed instead of the support plate. Here, surface symmetry is present. The support surfaces of the support plate or the ai angled legs are reinforced by sliding elements 5, which support elements 6 are assigned high hardness.

Die Dimensionierung des Zugelementes bezüglich Geometrie und Kraftverteilung wird wesentlich von der Belastungsfähigkeit der verwendeten Faserwerkstoffe bestimmt. Beispielsweise ist bei der Verwendung von Kohlenstoffasern zu beachten, daß diese auch im Verbund der Matrix eine höhere Zug- als Schubfestigkeit besitzen. Im Krümmungsradius 10, der auch für die Gleichförmigkeitsgestaltung des Auflagebereiches 2 von Bedeutung ist, beginnt der Elastizitätsbereich 11. In ihm verläuft die Zugspannungsverteilung durch den abnehmenden Querschnitt bei tellerförmig ausgebildetem Auflagebereich 2 des Zugelements bis zum Rand ideal. Die Materialmenge wird entsprechend der zu übertragenden Belastung von der erforderlichen Tellerranddicke 9, dem Krümmungsradius 10 und dem Elastizitätsbereich 11 des Faserverbundes bestimmt; deshalb wird der nur auf Zug beanspruchte Schaft 8 stets überdimensioniert sein.The dimensioning of the tension element with respect to geometry and force distribution is essentially determined by the load capacity of the fiber materials used. For example, when using carbon fibers, it should be noted that they also have a higher tensile strength than shear strength when combined with the matrix. In the radius of curvature 10, which is also for the uniformity of the support area 2 of importance, the elastic range begins 11. In him the tensile stress distribution runs through the decreasing cross-section at plate-shaped trained support area 2 of the tension element to the edge ideal. The amount of material is determined according to the load to be transmitted by the required Tellerranddicke 9, the radius of curvature 10 and the elasticity region 11 of the fiber composite; Therefore, the claimed only on train shaft 8 will always be oversized.

Im Bereich des schlaufenförmig ausgebildeten Beschlages erreicht man die notwendige Formstabilität am besten durch Verwendung einer Bundbuchse 7.In the area of the loop-shaped fitting, the necessary dimensional stability is best achieved by using a flange bushing 7.

Zur Meßwerterzeugung können verschiedene bekannte Methoden verwendet werden. Zug- und Druckspannungen im Auflagebereich 2 sind beispielsweise mit Dehnmeßstreifen erfaßbar. Damit sind nicht nur axiale Zugkräfte, sondern durch differentielle Meßwertbildung auch in der Schenkelebene (gem. Fig. 2) oder im gesamten 360°-Bereich (gem. Fig. 1) wirkende radiale Kraftkomponenten meßbar.For the generation of measured values, various known methods can be used. Tensile and compressive stresses in the support area 2 can be detected for example with strain gauges. Thus, not only axial tensile forces but also differential forces can be measured in the thigh plane (according to FIG. 2) or in the entire 360 ° region (according to FIG.

Für die Erfassung nur in Achsrichtung verlaufender Kräfte hat sich der Einsatz induktiver und kapazitiver Meßtechnik (z. B.The use of inductive and capacitive measuring technology (eg

magnetoresistive oder Hallsensoren) bewährt. Ihre Kopplung mit dem Zugelement erfolgt vorzugsweise auflageseitig über dessen Zugachse 4. Darüber hinaus können auch optische Meßmethoden zur Anwendung kommen.magnetoresistive or Hall sensors) proven. Their coupling with the tension element preferably takes place on the support side via its tension axis 4. In addition, optical measurement methods can also be used.

Zugelemente aus Faserverbundwerkstoffen haben gegenüber metallischen Werkstoffen ein überlegenes und auch durch die verwendete Matrix beeinflußbares Dämpfungsverhalten, was ihren Einsatz in der Meßtechnik bedeutsam macht. Darüber hinaus besitzen diese Werkstoffe ein günstiges Wärmedehnungsverhalten und sie lassen sich in besonders geeignete konstruktive Formen bringen.Tensile elements made of fiber composites have a superior and also influenced by the matrix used damping behavior compared to metallic materials, which makes their use in the measurement significant. In addition, these materials have a favorable thermal expansion behavior and they can be brought into particularly suitable structural shapes.

Claims

1. tensile element of fiber composite material for force measuring devices for measuring static or dynamic loads in connection with a measuring value generating or -verhangden device, characterized in that the fiber composite quasi-parallel filaments (1) and is loop-shaped in the region of the fitting to which a shank (8), which in turn is bounded by an angled to the traction axis (4) of the shank (8) support area (2), wherein the angle between the support area (2) and the traction axis (4) in the load-free state 85 ° to 90 ° is.

2. tension element according to claim 1, characterized in that the support area (2) is designed as a rotationally symmetrical support plate.

3. tension element according to claim 1, characterized in that the support area (2) is formed symmetrically in the form of diametrically arranged legs (3).

4. tension element according to claim 1, characterized in that are preferably used as filaments (1) carbon fibers.

5. tension element according to claim 1, characterized in that on the support plate (2) or on the angled legs (3) segmentally shaped sliding elements (5) are fixed, which support elements (6) are associated with high hardness.

6. tension element according to claim 1, characterized in that a collar bushing is arranged in the region of the loop-shaped fitting.

7. tension element according to claim 1, characterized in that the coupling of the measuring value generating or -verändernden device is ensured with the tension element on the support side on the traction axis (4).