DE102009000255A1

DE102009000255A1 - Messachse

Info

Publication number: DE102009000255A1
Application number: DE102009000255A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hose Von Wolfframsdorff; Oliver Jost
Original assignee: Tecsis GmbH
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009000255B4

Abstract

In einer Messachse zur Messung der Größe und Richtung einer resultierenden Kraft eines Kraftvektors, der in einer quer zur Messachse liegenden Messebene liegt und die Messachse elastisch verformt, sind mindestens zwei Bohrungen vorgesehen, deren Mittelachsen in der Messebene liegen und einander schneiden. Darüber hinaus ist in jeder Bohrung mindestens ein Dünnfilmsensor befestigt, um die beiden in der Messebene wirkenden Komponenten der zu messenden resultierenden Kraft zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messachse zur Messung der Größe und Richtung einer auf die Messachse wirkenden Kraft, und genauer gesagt auf eine Messachse zur Messung der Größe und Richtung einer resultierenden Kraft eines Kraftvektors, der quer zur Messachse steht und die Messachse elastisch verformt.
STAND DER TECHNIK
In der DE 101 58 600 A1 ist eine Vorrichtung zur Kraftmessung an einer Fahrradtretkurbel beschrieben, bei der die Torsionsverformung eines Kurbelzapfens mit Dehnmessstreifen gemessen wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Dehnmessstreifen derart auf dem Kurbelzapfen angeordnet sind, dass sie die tangentiale Komponente der zu messenden Kraft erfassen. Die Ausrichtung der Dehnmessstreifen erfolgt dabei so, dass die Dehnmessstreifen auf der Mantelfläche des Kurbelzapfens liegen. Die gemessene Kraft wird dabei in elektrische Signale umgewandelt und einem Auswertegerät zugeführt.
Darüber hinaus ist ein Stand der Technik bekannt, wie er in 3 gezeigt ist: In einer Messachse 6 sind Aussparungen 71, 72 vorgesehen, deren Mittelachsen einander mit einem Winkel von 90° schneiden, wie es in Schnitt D-D in 3 gezeigt ist. Die Mittelachsen der Aussparungen liegen in derselben Ebene, die senkrecht zu der Mittelachse der Messachse 6 steht. In jeder Aussparung sind Dehnmessstreifen 8 so vorgesehen, dass pro Aussparung eine Wheatstone'sche Halbbrückenschaltung mit zwei mäanderförmigen Widerständen angeordnet ist, um alle Raumkomponenten der zu messenden Kraft anhand der Längsdehnung der Widerstände zu erfassen. Dadurch ist es möglich, eine Richtung und einen Betrag einer zu messenden Kraft genau zu bestimmen.
Ein Problem des genannten Stands der Technik liegt dabei darin, dass herkömmliche Dehnmessstreifen mit einer vorhergehend beschriebenen Halbbrückenschaltung Temperatureinflüsse sowie mechanische Störeinflüsse nur in geringem Maß kompensieren können. Zudem sind Dehnmessstreifen schwierig dauerhaft anzubringen; an der Verbindung zwischen Dehnmessstreifen und Messobjekt können Kriecheffekte auftreten. Darüber hinaus tritt bei herkömmlichen Dehnmessstreifen die Schwierigkeit auf, dass diese nach einem Anbringen noch verdrahtet werden müssen, was oft durch enge Raumverhältnisse an der Anbringstelle der Dehnmessstreifen erschwert ist. Dadurch können Produktionsfehler bei der Herstellung der bekannten Messachsen auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und einfach herzustellende Messachse bereitzustellen, die langzeitstabil ist und eine hohe Messgenauigkeit zeigt.
Diese Aufgabe wird mit einer Messachse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
Die erfindungsgemäße Messachse dient zur Messung der Größe und Richtung einer resultierenden Kraft eines Kraftvektors, der in einer quer zur Messachse liegenden Messebene liegt und die Messachse elastisch verformt. Die Messachse weist zumindest zwei Bohrungen auf, deren Mittelachsen in der Messebene liegen und einander schneiden. In den Bohrungen ist jeweils mindestens ein Dünnfilmsensor befestigt, um die beiden in der Messebene wirkenden Komponenten der zu messenden resultierenden Kraft zu erfassen. Vorzugsweise sind die zwei Bohrungen in der Messebene um 90° zueinander versetzt, das heißt, dass die Mittelachsen der Bohrungen senkrecht aufeinander stehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind vier Bohrungen in der Messachse vorgesehen, von denen jeweils zwei ein Bohrungspaar bilden. Die zwei Bohrungen eines jeden Bohrungspaars liegen dabei in einer Ebene und sind um 90° zueinander versetzt, das heißt, dass deren Mittelachsen in einer Ebene liegen und senkrecht aufeinander stehen. Die Bohrungspaare sind dabei so in der Messachse vorgesehen, dass sie bezüglich einer axialen Mitte der Messachse symmetrisch zu dieser versetzt angeordnet sind. Das bedeutet, dass jedes Bohrungspaar bzw. die Ebene, in der jedes Bohrungspaar liegt, denselben Abstand zu einer axialen Mitte der Messachse aufweist. Dadurch kann eine zuverlässige Messung einer die Messachse elastisch verformenden Kraft durch eine entsprechende symmetriebezogene Aufteilung auf alle Dünnfilmsensoren sichergestellt werden. Die Bohrungen sind des Weiteren vorzugsweise Durchgangsbohrungen, die sich in der Längsachse der Messachse schneiden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Dünnfilmsensor, der in jeder Bohrung vorgesehen ist, durch Schweißen in jeder Bohrung befestigt. Alternativ dazu kann der Dünnfilmsensor auch auf eine andere Weise in der Bohrung befestigt sein, wie z. B. durch Kleben, Löten und dergleichen. Alternativ dazu könnte der Dünnfilmsensor in die Bohrung eingepresst sein.
Der Dünnfilmsensor besteht vorzugsweise aus einem topfförmigen Metallträger, der in seiner Mitte, d. h. im Bereich des Topfbodens, eine verformbare Membran aufweist. Auf der Membran sind durch Metalldünnschichttechnik ohmsche Widerstände aufgebracht, z. B. aufgesputtert, und fest mit dieser verbunden. Diese Technologie hat den Vorteil, dass die Widerstände auf quasi atomarer Ebene mit der Metallmembran verbunden sind, so dass Kriecheffekte, etc. vermieden werden können. Jeder Metallträger ist des Weiteren vorzugsweise an einem ringförmigen Steg festgeschweißt, der in jeder der Durchgangsbohrungen nach innen ragend vorgesehen ist. Durch diesen Aufbau hat die erfindungsgemäße Messachse den Vorteil, dass sie durch Einsetzen der Sensoren, deren einzelne Messwiderstände bereits passend verdrahtet sind, einfach herstellbar ist, wodurch die Herstellung der Messachse schnell und einfach ist und Produktionsfehler vermieden sind. Außerdem können derartige Dünnfilmsensoren durch ihre geringe Größe auch in kleine Verformungskörper eingesetzt werden.
Die Widerstände eines jeden Dünnfilmsensors sind vorzugsweise als eine Wheatstone'sche Brücke angeordnet, wobei mindestens ein Brückenwiderstand mindestens einen verformungsempfindlichen ohmschen Widerstand enthält, der ein der Verformung der Messachse entsprechendes elektrisch auswertbares Signal erzeugt. Dieses Signal kann an eine Auswerteeinheit abgegeben werden.
Des Weiteren vorzugsweise ist jeder Dünnfilmsensor mit zwei symmetrisch aufgebauten, elektrisch voneinander getrennten Wheatstone'schen Brücken versehen. Diese beiden Brückenschaltungen sind vorzugsweise derart ausgerichtet, dass sie ein redundantes Messsignal liefern, um für den Fall, dass eine der beiden Wheatstone'schen Brücken ausfällt, eine Messfunktion der Messachse sicherzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt:
1 eine Seitenansicht sowie eine perspektivische Ansicht einer Messachse des bevorzugten Ausführungsbeispiels, an der ein zu messender Kraftvektor angreift; des Weiteren zeigen zwei Schnitte A-A und B-B Einzelheiten der Anbringung des Dünnfilmsensors in Bohrungen der Messachse;
2 eine industrielle Anwendung der Messachse gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
3 eine Messachse des Stands der Technik.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
In 1 sind verschiedene Ansichten einer Messachse 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In einer perspektivischen Ansicht der Messachse 1 ist die resultierende Kraft F des zu messenden Kraftvektors gezeigt, der sich in einer Messebene erstreckt, die senkrecht zu der Längsachse der Messachse 1 verläuft. Der Kraftvektor F greift hier mit einem Winkel α zur Horizontalen an der Messachse an und setzt sich in der Messebene aus einer Kraftkomponente F_x in der x-Richtung beziehungsweise einer horizontalen Richtung und einer Kraftkomponente F_y in y-Richtung beziehungsweise in einer vertikalen Richtung in 1 zusammen. Durch Messen der beiden Kraftkomponenten F_x und F_y kann über den Satz des Pythagoras die resultierende Kraft F berechnet werden.
Die in 1 gezeigte Messachse 1 weist vier Durchgangsbohrungen 21, 22, 31, 32 auf, wobei immer zwei Durchgangsbohrungen 21, 22 bzw. 31, 32 ein Bohrungspaar bilden. Bei jedem Bohrungspaar steht eine Durchgangsbohrung senkrecht auf die andere Durchgangsbohrung, sodass die Mittelachsen der Durchgangsbohrungen eines Bohrungspaars auf einer Ebene liegen und sich rechtswinklig schneiden.
In 1 sind des Weiteren zwei Schnittansichten A-A und B-B dargestellt, die jeweils einen Schnitt der Messachse 1 zeigen, der durch die Mittelachsen eines jeden Bohrungspaars verläuft. In jeder Bohrung der Messachse 1 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist ein Dünnfilmsensor 4 vorgesehen. Jeder Dünnfilmsensor 4 besteht aus einem topfförmigen Metallträger, der in der Mitte, d. h. an seinem Topfboden eine elastisch verformbare Membran 41 aufweist und an einem von der Bohrungsinnenwand nach innen ragenden Steg 211, 221, 311, 321 durch Schweißen befestigt ist, wie es in der Detailansicht C in 1 gezeigt ist.
Auf der Membran 41 können verschiedene Anordnungen von Brückenwiderständen 42 durch Metalldünnschichttechnik aufgebracht sein. In 1 sind zwei alternative Anordnung von Brückenwiderständen 42 auf der Membran 41 gezeigt: die Anordnung auf der Membran 41A zeigt vier mäanderförmige Widerstände in einer Vollbrückenschaltung, die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Membran 418 als Alternativausführung zeigt acht mäanderförmige Widerstände 42, die jeweils paarweise um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die paarweise Anordnung der Widerstände 42 auf der Membran 418 dient zum Zwecke der Redundanz, um bei einem Ausfall einzelner Widerstände eine Gesamtausfallwahrscheinlichkeit der Messachse 1 zu verringern.
Eine Messachse, wie sie in 1 gezeigt ist, kann beispielsweise zum Verlegen von Hochleitungen unter Verwendung eines Hubschraubers zur Anwendung kommen, wie es in 2 gezeigt ist. Dabei verläuft die zu verlegende Hochleitung 9, zum Beispiel eine Freileitung zur Stromversorgung über eine drehbare Rolle 5, die unter dem Hubschrauber angebracht ist. Da derartige Leitungen mit einer mechanischen Mindestzugspannung verlegt werden, muss eine auf die Leitung 9 wirkende Zugspannung bzw. Zugkraft und Zugrichtung zu jeder Zeit bestimmbar und im Hubschrauber ablesbar sein. Diese Erfordernisse können durch eine erfindungsgemäße Messachse 1 und den daraus gewonnenen Messsignalen erfüllt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Leitung 9 geeignet verlegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10158600 A1 [0002]

Claims

Messachse (1) zur Messung der Größe und Richtung einer resultierenden Kraft eines Kraftvektors (F), der in einer quer zur Messachse (1) liegenden Messebene liegt und die Messachse (1) elastisch verformt, wobei mindestens zwei Bohrungen (21, 22) in der Messachse (1) vorgesehen sind, deren Mittelachsen in der Messebene liegen und einander schneiden, und in denen jeweils mindestens ein Dünnfilmsensor (4) befestigt ist, um die beiden in der Messebene wirkenden Komponenten der zu messenden resultierenden Kraft zu erfassen.
Messachse (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Bohrungen (21, 22) um 90° zueinander versetzt sind.
Messachse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vier Bohrungen (21, 22, 31, 32) in der Messachse (1) vorgesehen sind, von denen jeweils zwei ein um 90° zueinander versetztes Bohrungspaar bilden, wobei jedes Bohrungspaar symmetrisch zu einer axialen Mitte der Messachse (1) zu dieser versetzt angeordnet ist.
Messachse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bohrungen (21, 22, 31, 32) Durchgangsbohrungen sind und sich in der Längsachse der Messachse (1) schneiden.
Messachse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Dünnfilmsensor (4) eingeschweißt ist.
Messachse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Dünnfilmsensor (4) aus einem topfförmigen Metallträger mit einer verformbaren Membran (41) besteht, auf der in Metalldünnschichttechnik Widerständen (42) aufgebracht sind.
Messachse (1) nach Anspruch 6, wobei jeder Metallträger an einem in jeder der Durchgangsbohrung (21, 22, 31, 32) vorgesehenen, nach innen ragenden Steg (211, 221, 311, 321) festgeschweißt ist.
Messachse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Dünnfilmsensor (4) wenigstens eine Wheatstone'sche Brücke aufweist, in der mindestens ein Brückenwiderstand (42) mindestens einen verformungsempfindlichen ohmschen Widerstand enthält, der ein der Verformung der Messachse (1) entsprechendes elektrisch auswertbares Signal erzeugt.
Messachse (1) nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Dünnfilmsensor (4) mit zwei symmetrisch aufgebauten, elektrisch voneinander getrennten Wheatstone'schen Brücken versehen ist.
Messachse (1) nach Anspruch 9, wobei die zwei Brücken ausgerichtet sind, um ein redundantes Messsignal zu liefern.