DE102009056543B4

DE102009056543B4 - System zum Prüfen und Verfahren zum Untersuchen einer Feder und Verfahren zum Kalibrieren einer Federprüfvorrichtung

Info

Publication number: DE102009056543B4
Application number: DE102009056543.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko F. Erlenkeuser; Joseph A. Nater
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-07
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: DE102009056543A1; US20100139359A1; US8151638B2

Abstract

System zum Prüfen einer Feder, wobei das System umfasst:eine untere Platte mit mehreren Aussparungen undeiner in jeder der mehreren Aussparungen positionierten Lastzelle, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der unteren Platte koaxial ist;eine obere Platte, die in Bezug auf die untere Platte beweglich ist und mehrere Aussparungen undeine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der oberen Platte koaxial ist;eine Datenprotokollierungseinrichtung, die Lastzellen-Ausgänge von den Lastzellen in der unteren Platte und in der oberen Platte erhält und speichert;eine Federprüfelektronik, die Höhenmessungen der oberen Platte erhält und ein Auslösersignal zu einem Computer sendet; undden Computer, der einen Prozessor und ein Speichermodul enthält, wobei das Speichermodul Anwendungssoftware speichert, die von dem Prozessor ausführbar ist, wenn der Computer das Auslösersignal empfängt, um:die in der Datenprotokollierungseinrichtung gespeicherten Lastzellenausgänge zu lesen undeine Federkraft anhand der Lastzellenausgänge zu berechnen, wobei die Federkraft im Bereich von etwa 0,5 Newton bis etwa 100 Newton liegt.

Description

Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf das dreidimensionale Prüfen von Kraftkomponenten. Genauer beziehen sich Ausführungsformen der Erfindung auf Verfahren und auf Vorrichtungen zum Bestimmen von Krafteindringpunkten oder -positionen und der Lastverteilung an jedem Ende einer Feder.
Federn werden in zahlreichen Vorrichtungen und Anwendungen verwendet. Federn werden während der Forschung und der Entwicklung (und manchmal während der Fertigung von Endprodukten, die die Federn enthalten) geprüft, um sicherzustellen, dass die Federn ihre Entwurfsanforderungen erfüllen.
In vielen Fällen ist es notwendig, die Last auf eine Feder zu messen und bestimmte Eigenschaften der Feder zu charakterisieren, wenn auf die Feder zahlreiche dreidimensionale Kräfte wirken. Viele der Federprüfanlagen, die bereits auf dem Markt verfügbar sind, zielen nur auf das quadratische Verhalten unter Last („SUL“, squareness under load), während eine solche Anlage wenigstens im Allgemeinen aufgrund von Reibungsverlusten keine Federn in einem sehr niedrigen Kraftbereich vermessen kann. Ferner sind SUL-Prüfeinrichtungen sehr anwendungsspezifisch, während eine Vorrichtung mit allgemeiner Anwendbarkeit erheblich nützlicher sein könnte.
Ein weiterer Mangel zahlreicher derzeit verfügbarer Federprüfeinrichtungen besteht darin, dass sie nicht die Wirkungen aller dreidimensionalen Kräfte, die auf eine Feder einwirken, beschreiben können (oder keine Informationen hierüber bereitstellen können). Eine derzeitige Anlage kann beispielsweise nur eine Seitenkraft oder ein Moment in einer primären Richtung betrachten, alternativ könnte eine solche Anlage nur Federn betrachten, die einen großen Kraftbereich tolerieren. Im Allgemeinen vermisst eine bekannte Prüfanlage Federn mit einer minimalen axialen Kraft, die im Bereich von etwa 10 kN bis etwa 20 kN liegt. Mit anderen Worten, eine bekannte Prüfanlage misst nur Federn mit hohen minimalen Kraftbereichen.
DE 37 20 876 A1 offenbart bereits eine Messvorrichtung zur Ermittlung der bei einer belasteten Schraubendruckfeder auftretenden Kräfte und Momente.
US 4 157 033 A offenbart eine Vorrichtung zum Prüfen der Druck-, Zug- oder Federrate einer Feder oder eines anderen elastischen Materials.
US 6 128 950 A betrifft eine Vorrichtung zum Testen von schweren Spiralfedern.
Ausführungsformen der Erfindung beseitigen wenigstens einige der Nachteile und Mängel herkömmlicher Federprüfsysteme, indem sie ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine dreidimensionale Kraftkomponentenprüfung von Federn mit geringen minimalen axialen Kraftbereichen schaffen. In einer Ausführungsform umfasst die Erfindung zwei Feder-Prüfbefestigungen (oder Platten- und Lastzellen-Anordnungen), die an einer Standard-Federprüfeinrichtung befestigt sind und die in der Lage sind, die Lastverteilung an jedem Ende einer Feder unter Verwendung mehrerer Lastzellen, die sich an jeder der Befestigungseinrichtungen befinden (z. B. zwischen zwei Platten) zu bestimmen. Das Federkraft-Prüfsystem (mit den angeordneten Befestigungseinrichtungen) misst dann Eindringpunkte an beiden Federenden von Schraubenfedern, Wellenfedern, Scheibenfedern oder anderen Typen von Federn mit einer im Allgemeinen zylindrischen Form.
In wenigstens einer Ausführungsform ist die Erfindung entworfen, um Kräfte zu messen, die von niedrigen primären axialen Kräften wie etwa 0,5 N bis zu Kräften von 100 N reichen. Kraftkomponenten, die zu der Federachse kollinear sind, können ebenfalls gemessen und in Vektoreindringpunkt-Koordinaten umgerechnet werden. Das Federkraft-Prüfsystem kann Seitenkräfte und Momente in einer primären Richtung und ebenso in anderen Richtungen bestimmen.
Eine Ausführungsform der Erfindung enthält eine Befestigungseinrichtung und Maschinenteile sowie Computer-Software, die Kraftvektor-Eindringpunkte für jedes Federende anhand einer Lastverteilung der Lastzellen an jedem Federende berechnet. Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum Kalibrieren der Federprüfanordnung und ein Verfahren zum Berechnen der verschiedenen auf eine Feder wirkenden Kraftvektoren und der damit in Beziehung stehenden Momente.
Insbesondere umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein System zum Prüfen einer Feder. Das System umfasst eine untere Platte und eine obere Platte. Die obere Platte ist in Bezug auf die untere Platte beweglich. Jede Platte enthält mehrere Aussparungen und eine in jeder Aussparung positionierte Lastzelle. Jede der mehreren Aussparungen ist in der Weise positioniert, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der Platte koaxial ist. Das System enthält außerdem eine Datenprotokollierungseinrichtung, die Lastzellenausgänge von den Lastzellen in der unteren Platte und in der oberen Platte erhält und speichert, eine Federprüfeinrichtungselektronik, die Höhenmessungen der oberen Platte erhält und zu einem Computer ein Auslösesignal sendet. Der Computer enthält einen Prozessor und ein Speichermodul, wobei das Speichermodul Anwendungssoftware speichert. Die Anwendungssoftware ist durch den Prozessor ausführbar, wenn der Computer das Auslösesignal empfängt, um die Lastzellenausgänge, die in der Datenprotokollierungseinrichtung gespeichert sind, zu lesen und um eine Federkraft anhand der Lastzellenausgänge zu berechnen, wobei die Federkraft im Bereich von etwa 0,5 Newton bis etwa 100 Newton liegt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Kalibrieren einer Federprüfvorrichtung. Das Verfahren umfasst das Vorsehen einer unteren Platte und einer oberen Platte. Die obere Platte ist in Bezug auf die untere Platte beweglich. Jede Platte enthält mehrere Aussparungen und eine in jeder Aussparung positionierte Lastzelle. Jede der mehreren Aussparungen ist in der Weise positioniert, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der Platte koaxial ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Vorsehen einer ersten Probenplatte, die auf der unteren Platte positioniert ist und mehrere Einsenkungen enthält, und das Vorsehen einer zweiten Probenplatte, die auf der oberen Platte positioniert ist und mehrere Einsenkungen enthält.
Weiterhin umfasst das Verfahren das Ausrichten der unteren Platte und der oberen Platte derart, dass die erste Probenplatte zu der zweiten Probenplatte parallel und konzentrisch ist, das Positionieren einer federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung senkrecht zu und zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte durch Positionieren eines ersten Endes der Kalibrierungsvorrichtung in einer der mehreren Einsenkungen der ersten Probenplatte und durch Positionieren eines zweiten Endes der Kalibrierungsvorrichtung in einer der mehreren Einsenkungen in der zweiten Probenplatte, und das Berechnen einer Federkraft der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung anhand von Lastzellenausgängen, die durch die Lastzellen erzeugt werden, die in der unteren Platte und in der oberen Platte enthalten sind, wobei die Federkraft im Bereich von etwa 0,5 Newton bis etwa 100 Newton liegt. Das Verfahren umfasst ferner das Verwenden der berechneten Federkraft, einer bekannten Federkraft für die federbelastete Kalibrierungsvorrichtung und von Positionen der mehreren Einsenkungen in der ersten Probenplatte und in der zweiten Probenplatte, um die Federprüfvorrichtung zu kalibrieren.
Nochmals andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Verfahren zum Untersuchen einer Feder. Das Verfahren umfasst das Vorsehen einer unteren Platte und einer oberen Platte. Die obere Platte ist in Bezug auf die untere Platte beweglich. Jede Platte enthält mehrere Aussparungen und eine in jede Aussparung positionierte Lastzelle. Jede der mehreren Aussparungen ist in der Weise positioniert, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der Platte koaxial ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Positionieren der Feder senkrecht zu der und zwischen der unteren Platte und der oberen Platte, das Bestimmen einer Höhe der oberen Platte, das Erhalten von Lastzellenausgängen von den Lastzellen, die in der unteren Platte und in der oberen Platte positioniert sind, und das Berechnen eines Lastzentrums für ein erstes Ende der Feder und eines Lastzentrums für ein zweites Ende der Feder anhand der Lastzellenausgänge.
Andere Aspekte der Erfindung werden deutlich durch die Betrachtung der genauen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht in vereinfachter Form ein Federprüfsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Federprüfeinrichtung, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung konstruiert ist.
3 ist eine Explosionsansicht einer Federprüf-Befestigungseinrichtung (oder Platten- und Lastzellen-Anordnung), die in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
4 ist ein Aufriss der zusammengefügten Federprüf-Befestigungseinrichtung, die in 3 gezeigt ist.
5 ist eine Schnittansicht der zusammengefügten Federprüf-Befestigungseinrichtung, die in den 3 und 4 gezeigt ist.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Probenplatte der Federprüf-Befestigungseinrichtung.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Schraubenfeder mit Kraftvektoren, die so gezeigt sind, wie sie durch die Federprüfanordnung ausgeübt werden.
8 veranschaulicht die geometrische Beziehung von drei Lastzellen der Federprüf-Befestigungseinrichtung.
9 veranschaulicht in Form eines vereinfachten Prozessablaufplans einen computergestützten Prozess zum Berechnen der Kräfte, die auf eine Feder wirken, und der Position dieser Feder.
10 veranschaulicht einen Screenshot eines Computer-Softwareprogramms, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.

Entsprechende Bezugszeichen geben in allen Zeichnungen entsprechende Teile an.
GENAUE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen ist in 1 ein Federprüfsystem 12 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Federprüfsystem 12 eine Prüf-Befestigungseinrichtung 16, eine Stromversorgung 18, eine Datenprotokollierungseinrichtung 20 und eine Federprüfelektronik 22. Das Federprüfsystem 12 enthält außerdem einen Computer 24.
Die Stromversorgung 18 stellt Leistung für Komponenten des Systems 12 bereit. In einer Ausführungsform ist die Stromversorgung eine Lambda LA-200H-Stromversorgung. In einer Ausführungsform ist die Datenprotokollierungseinrichtung 20 eine 34970A-Datenerfassungs-Schalteinheit von Agilent Technologies. Die Federprüfelektronik 22 kann unter Verwendung von im Handel erhältlichen Einheiten wie etwa einem Anzeigemodul Modell 3700 der Link Engineering Company implementiert sein. Der Computer 24 kann ein Personalcomputer sein, auf dem ein Microsoft-Betriebssystem läuft.
Signale von Lastzellen (weiter unten beschrieben) in der Prüf-Befestigungseinrichtung 16 werden an die Datenprotokollierungseinrichtung 20 gesendet oder von dieser gelesen. Die Federprüfelektronik 22 misst die Höhe der Feder oder den Abstand zwischen einer oberen und einer unteren Platte (weiter unten diskutiert) der Prüf-Befestigungseinrichtung 16 anhand von Informationen von einer Höhenmessvorrichtung (weiter unten diskutiert) in der Prüf-Befestigungseinrichtung 16. Die Federprüfelektronik 22 sendet ein Auslösesignal (z. B. einen Datenstring, der Höheninformationen enthält) zum Computer 24. In Reaktion auf das Auslösesignal liest der Computer 24 die Lastzellenwerte (Spannungen), die in der Datenprotokollierungseinrichtung 20 gespeichert sind. Sobald der Computer 24 die Kräfte anhand der Informationen von der Datenprotokollierungseinrichtung berechnet hat, erzeugt er einen Ausgang wie etwa eine ASCII-Datei oder ein Arbeitsblatt (z. B. ein Excel-Arbeitsblatt), in die bzw. das Kraftwerte eingetragen sind. Die Software und der Computer 24, die verwendet werden, um die Kräfte zu berechnen, werden später genauer beschrieben.
Der Computer 24 enthält einen (nicht gezeigten) Prozessor wie etwa einen programmierbaren Mikroprozessor, einen Speicher sowie Eingabe- und Ausgabevorrichtungen wie etwa eine Tastatur, eine Maus und einen Monitor (oder eine Anzeige). Wie erwähnt, ist das Betriebssystem in den Speicher geladen, während Anwendungssoftware (weiter unten beschrieben) in den Speicher des Computers geladen ist und durch den Prozessor geholt und ausgeführt wird. Der Computer 24 führt entsprechend seiner Programmierung durch die Anwendungssoftware Berechnungen an den Daten aus, die er von der Datenprotokollierungseinrichtung 20 empfängt.
2 veranschaulicht die Prüf-Befestigungseinrichtung 16 genauer. Die Prüf-Befestigungseinrichtung 16 umfasst zwei Platten: eine obere Platte 26 und eine untere Platte 28. Jede Platte 26, 28 enthält drei Lastzellen 30, 32 und 34 (am besten in 3 gezeigt). Die obere Platte ist mit einem Mechanismus wie etwa einer geraden Zahnstange verbunden, so dass sie auf gesteuerte Weise längs einer vertikalen Achse VA nach oben und nach unten bewegt werden kann. Die Prüf-Befestigungseinrichtung 16 enthält außerdem eine Höhenpositionsvorrichtung 38, die die Position der oberen Platte 26 misst. In der gezeigten Ausführungsform enthält die Prüf-Befestigungseinrichtung 16 eine 10 um-Absolutnull-II-Höhenmessvorrichtung der ACU Right Companies Inc., um die Position einer ersten Basisplatte 40 auf der oberen Platte 26 in Bezug auf die obere Oberfläche einer zweiten Basisplatte 50, die an der unteren Platte 28 montiert ist, zu messen. Wie später beschrieben wird, sind die Lastzellen 30, 32 und 34 in Aussparungen in der ersten Basisplatte 40 positioniert (siehe 3). Eine Probenplatte 43 ist auf der Basisplatte 40 und auf den Lastzellen 30, 32 und 34 positioniert. Die Probenplatte 43 enthält einen kreisförmigen Vorsprung oder Zentriermechanismus 44 (z. B. einen kurzen zylindrischen Vorsprung). Der kreisförmige Vorsprung 45 ist so bemessen, dass der innere Umfang eines Stirnrings einer zu prüfenden Feder (wie etwa einer Feder 47) eng um den äußeren Umfang des kreisförmigen Vorsprungs 45 passt.
Wie erwähnt, enthält die untere Platte 28 eine untere Basisplatte 50. Eine zweite Probenplatte 51 (mit einem kreisförmigem Vorsprung oder Zentriermechanismus 52) ist an der unteren Basisplatte 50 angeordnet. Wenn eine Feder in der Prüfeinrichtung 16 geprüft wird, wird ein Stirnring einer Feder (z. B. der Feder 47) um den Vorsprung 52 der zweiten Probenplatte 51 angeordnet. Dann wird die obere Platte 26 abgesenkt oder nach unten bewegt, um die Feder 47 zu komprimieren. Während der Kompression werden Lastzentren jedes Federendes durch die Datenprotokollierungseinrichtung 20 entweder ununterbrochen oder jeweils dann, wenn ausgewählte Höhen (mit abnehmender Größe) erreicht sind, aufgezeichnet.
3 zeigt eine Explosionsansicht von Komponenten, die an der unteren Platte 28 (die manchmal auch als untere Befestigungseinrichtung bezeichnet wird) montiert sind oder dieser auf andere Weise zugeordnet sind. Obwohl nur die auf die untere Platte 28 bezogenen Komponenten veranschaulicht sind, sind ähnliche Komponenten auch an der oberen Platte 26 angebracht oder dieser auf andere Weise zugeordnet. Wie erwähnt, ist die Basisplatte 50 auf der unteren Platte 28 montiert. Die Basisplatte 50 enthält drei Aussparungen 54, 55 und 56. Die Aussparungen 54, 55 und 56 sind relativ zueinander so positioniert und beabstandet, dass das Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis C ist, der zu der Basisplatte 50 koaxial ist. Die Beabstandung und die Positionierung der Aussparungen 54, 55 und 56 ist derart, dass die Hauptmessachsen der Lastzellen parallel zueinander positioniert werden können. Jede der Aussparungen 54, 55 und 56 ist so bemessen, dass sie eine einzige Lastzelle wie etwa eine der Lastzellen 30, 32 und 34 aufnimmt. Jede Aussparung 54, 55 und 56 besitzt außerdem eine Führung oder einen Kanal, die bzw. der so bemessen ist, dass er einen Draht oder ein Kabel hält, der bzw. das mit einer Lastzelle verbunden ist. In der gezeigten Ausführungsform enthält die Basisplatte 50 drei Kabelkanäle 57, 58 und 59. Wie erwähnt, erzeugt jede Lastzelle einen Ausgang, wobei die drei Lastzellen in der Basisplatte 50 drei Ausgänge (jeweils einen) erzeugen, die drei Kräften entsprechen: F1, F2 und F3. Die Lastzellen in der Basisplatte 40 der oberen Platte 26 erzeugen Ausgänge, die drei anderen Kräften entsprechen: F4, F5 und F6.
Die bekannte und gewählte Orientierung der Lastzellen 30, 32 und 34 und ihre Ausgänge stellen Informationen bereit, die verwendet werden, um die X-Y-Position des Lastzentrums an jedem Federende zu bestimmen.
Jede Basisplatte 40, 50 ist mit einer Zugfeder wie etwa der in 3 gezeigten Feder 60 vorbelastet. Die Feder 60 besitzt ein erstes Ende mit einem Mittel wie etwa einem Stift 61, um das obere Ende der Feder 60 mit der Probenplatte 51 zu verbinden. Die Feder 60 besitzt ein zweites Ende mit einem Mittel wie etwa einem Zylinderstift 64, um das untere Ende der Feder 60 mit der Basisplatte 50 zu verbinden. 4 zeigt eine Draufsicht des unteren Abschnitts der gezeigten Prüf-Befestigungseinrichtung 16, die (in Richtung vom Zentrum nach außen) den Stift 61, den Vorsprung 52, die Probenplatte 51 und die Basisplatte 50 zeigt. 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Anordnung in 4 längs der Linie B-B.
6 veranschaulicht die Probenplatte 51 in einer perspektivischen Ansicht ohne andere Komponenten. Wie gezeigt, enthält die Probenplatte 51 eine mittige Öffnung 71 für die Aufnahme des Stifts 61 und den Zentriermechanismus 52. Obwohl der Zentriermechanismus 52 als eine einteilige Komponente gezeigt ist, kann er abnehmbar und austauschbar ausgebildet sein, um die Genauigkeit bei Federdurchmesser-Schwankungen zu verbessern oder um andere Federdurchmessergrößen aufzunehmen. Die Probenplatte 51 enthält außerdem sieben Einsenklöcher 73. Die Einsenklöcher 73 werden zusammen mit einer Kalibrierungsvorrichtung verwendet, um die Genauigkeit der X-Y-Lastzentrumsposition zu prüfen.
7 veranschaulicht die Kraftvektoren, die durch die Federprüfeinrichtung auf eine Feder wie etwa die Feder 47 ausgeübt werden. Um eine X-Y-Position des Fres-Eindringpunkt an jedem Federende E₁ und E₂ sowie Vektoren Fx, Fy und Fz auf irgendeiner gegebenen Höhe oder kontinuierlich während der Kompression zu bestimmen, speichert die Datenprotokollierungseinrichtung 20 eine Datenmenge für jedes Federende und kalibriert das Federprüfsystem 12 für die X-Y-Position und für Fz, die die Kraft ist, die kollinear zu der Federachse A wirkt. (Ein Vektoreindringpunkt ist der Punkt, an dem der resultierende Federkraftvektor Fres in die Prüfebene, auf der jedes Federende aufliegt, eindringt.) Wie in 8 gezeigt ist, sind die Lastzellen 26 in einem Muster positioniert, derart, dass dann, wenn eine Linie gezogen würde, die jeden Lastzellen-Anwendungspunkt mit jedem der zwei anderen Lastzellen-Anwendungspunkte verbindet, die drei resultierenden Linien zu einem Kreis tangential wären, der mit der Federachse A koinzidiert und einen Durchmesser d hat, der größer als der zweifache erwartete maximale Radius R ist, der aus dem Abstand vom Lastzentrum 42 zum geometrischen Zentrum 44 der Feder 18 abgeleitet ist.
Die Datenprotokollierungseinrichtung 20 speichert Lastzellen-Spannungen und der Computer 24 berechnet eine Kraft anhand einzelner Lastzellen-Kalibrierungsdaten. Zur Kalibrierung werden die obere und die untere Platte 26 bzw. 28 in der Weise aufeinander ausgerichtet, dass beide Probenplatten 43 und 51 zueinander parallel und konzentrisch sind und zu der Bewegungsrichtung der oberen Platte 26 senkrecht sind (d. h. senkrecht zur Achse VA). Diese Kalibrierung erfolgt mit einer üblichen Koordinatenmessmaschine (CMM) (nicht gezeigt) wie beispielsweise eine Maschine Modell Xcel 7.6.5 von Browne & Sharpe.
Die X-Y-Lastzentrumsposition wird durch Anwenden einer federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung für zwei verschiedene Höhen und zwei Kräfte, die die Betriebsgrenzen repräsentieren, kalibriert. Jede Kalibrierungsvorrichtung besitzt an jedem Ende eine präzisionsgeschliffene 1 mm-Kugel. Jede Kugel ist in einer Einsenkung auf der oberen und auf der unteren Probenplatte angeordnet. Jede Einsenkung 73 besitzt eine bekannte mittels der CMM gemessene X-Y-Position. In der Kalibrierungsbetriebsart kopiert der Computer 24 die tatsächlichen X-Y-Werte in den Speicher und gibt die erhaltenen Werte in einen Kompensationsalgorithmus an, um die Genauigkeit zu erhöhen.
Anhand der Kraftverteilung auf den drei Lastzellen 30, 32 und 34 berechnet der Computer 24 das tatsächliche Lastzentrum der Federkraft an den entsprechenden Enden einer Feder wie etwa der Feder 47. Die Software kompensiert geometrische Abweichungen anhand der tatsächlichen Lastzellenposition und -orientierung. 9 veranschaulicht in Form eines vereinfachten Prozessablaufplans einen computergestützten Prozess zum Berechnen der Kräfte, die auf eine Feder wirken, und der Position dieser Feder. 9 zeigt die Basislogik der Software, wenn die Federprüfung fortschreitet. Die Software folgt den in 9 gezeigten Schritten und ermöglicht dem Anwender, die Federkräfte und die Position unter Verwendung des Federprüfsystems 12 automatisch zu analysieren.
An einem Startpunkt (Block 110), wartet die Software auf einen Auslöser (Block 112), um Daten aufzuzeichnen. Außerdem wird die Höhenposition in Bezug auf eine im Voraus festgelegte Höhe anhand einer Anwenderpräferenz (z. B. 0 mm, 15 mm usw.) an charakteristischen Positionen der oberen Platte (26) (z. B. berührt die obere Platte die untere Platte, berührt die obere Platte einen Abstandshalter mit bekannter Höhe, der auf der unteren Platte sitzt, und dergleichen) kontinuierlich berechnet (Block 114). Falls kein Auslöser empfangen wird, wartet das System weiterhin. Ein Auslöser hat einen von zwei Wegen zur Folge. Wie erwähnt, können Messungen ausgeführt werden, wenn die obere Platte 26 abgesenkt wird, wenn die Höhe der Platte 26 vorgegebene Werte erreicht. Die Software berechnet dann die momentane Höhe und sendet einen Auslöser, selbst wenn eine der bestimmten Auslöserhöhen gemessen wird (Block 118). Zweitens kann ein inkrementeller Auslöser festgelegt werden (Block 116). Ein inkrementeller Auslöser wird bei vorgegebenen Höhenintervallen (z. B. nach jeweils zwei Millimetern) gesendet. Falls ein Auslöser empfangen wird, verwendet die Software Geometriekalibrierungsdaten (Block 122) und berechnet das Lastzentrum für das obere und das untere Federende, berechnet ihre X-Y-Positionen und berechnet Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz und Fres (Block 124). Um diese Werte korrekt zu berechnen, werden Lastzellen-Kalibrierungsdaten aufgenommen und werden Spannungen, die von der Datenprotokollierungseinrichtung 20 gelesen werden, in Kraftwerte umgesetzt (Block 126). Die Software zeigt dann Kräfte und eine Position auf einem Graphen an (Block 129) und speichert alle X-Y-Koordinaten und andere Daten sowie die Höhe, wo eine Messung erfolgte, in einer Datei. Wenn eine weitere Messung derselben Feder ausgeführt werden soll, wartet das System auf einen weiteren Auslöser. Falls eine neue Feder vermessen werden soll (Block 133), kehrt der Software-Messprozess zum Block 112 zurück. Andernfalls endet der Prozess (Block 135).
10 zeigt einen Probennahme-Screenshot eines Software-Datenausgangs in einer Ausführungsform. Der Software-Ausgang zeigt die gemessenen und berechneten Daten an. In einer Ausführungsform enthält die Software-Ausgabeanzeige Werte 140 für das obere Ende einer Feder, Werte 142 für das untere Ende einer Feder, von der Datenprotokollierungseinrichtung 20 heruntergeladene Lastzellen-Spannungen 144, berechnete Lastzellen-Einzelkraftkomponenten 146, berechnete Gesamtkräfte 148, berechnete Lokalisierungsergebnisse 150, einen Eingabe 152 für die Software-Kompensation der Position und der Parallelitätsabweichung zwischen der oberen und der unteren Platte 26 bzw. 28 sowie eine graphische Ausgabe 154 des X-Y-Lastzentrums.
Ausführungsformen der Erfindung bestimmen eine Lastverteilung an jedem Ende einer Feder mit einer zylindrischen Form unter Verwendung von drei zueinander parallelen Lastzellen. Das Federkraft-Prüfsystem hat die Fähigkeit, Eindringpunkte (an beiden Federenden) von Federkraftvektoren Fx, Fy, Fz und Fres von Schraubenfedern, Wellenfedern, Scheibenfedern und anderen Federtypen mit im Allgemeinen zylindrischer Form zu messen, und ist entworfen, um Kräfte zu messen, die von niedrigen Primärkräften mit einer Größe von 0,5 N bis zu Kräften von 100 N, die längs der Federachse A wirken, zu messen. Kraftkomponenten, die mit der Federachse A kollinear sind, können gemessen werden und in Vektoreindringpunkt-Koordinaten umgerechnet werden.
Das Federkraft-Prüfsystem 16 kann Seitenkräfte und Momente in einer primären Richtung und in anderen Richtungen bestimmen und kann bei Gesamtfederkräften, die einen so geringen Wert wie etwa 0,5 N haben, arbeiten.

Claims

System zum Prüfen einer Feder, wobei das System umfasst: eine untere Platte mit mehreren Aussparungen und einer in jeder der mehreren Aussparungen positionierten Lastzelle, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der unteren Platte koaxial ist; eine obere Platte, die in Bezug auf die untere Platte beweglich ist und mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der oberen Platte koaxial ist; eine Datenprotokollierungseinrichtung, die Lastzellen-Ausgänge von den Lastzellen in der unteren Platte und in der oberen Platte erhält und speichert; eine Federprüfelektronik, die Höhenmessungen der oberen Platte erhält und ein Auslösersignal zu einem Computer sendet; und den Computer, der einen Prozessor und ein Speichermodul enthält, wobei das Speichermodul Anwendungssoftware speichert, die von dem Prozessor ausführbar ist, wenn der Computer das Auslösersignal empfängt, um: die in der Datenprotokollierungseinrichtung gespeicherten Lastzellenausgänge zu lesen und eine Federkraft anhand der Lastzellenausgänge zu berechnen, wobei die Federkraft im Bereich von etwa 0,5 Newton bis etwa 100 Newton liegt.
System nach Anspruch 1, wobei der Kreis, längs dessen das Zentrum jeder Aussparung, die in der unteren Platte enthalten sind, positioniert ist, einen Durchmesser hat, der größer als der zweifache erwartete maximale Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Kreis, längs dessen das Zentrum jeder Aussparung, die in der oberen Platte enthalten sind, positioniert ist, einen Durchmesser besitzt, der größer als der zweifache erwartete maximale Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet ist.
System nach Anspruch 1, wobei jede in der unteren Platte enthaltene Aussparung um den Kreis äquidistant positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei jede in der oberen Platte enthaltene Aussparung um den Kreis äquidistant positioniert ist.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Höhenpositionsvorrichtung umfasst, die die Position der oberen Platte misst und die Höhenmessungen bezüglich der oberen Platte zu der Federprüfelektronik überträgt.
System nach Anspruch 1, wobei die Federprüfelektronik das Auslösersignal zu dem Computer sendet, wenn die Höhenmessungen angeben, dass sich die obere Platte auf einer vorgegebenen Höhe befindet.
System nach Anspruch 1, wobei die durch den Prozessor des Computers ausführbare Anwendungssoftware die Federkraft ausgibt.
System nach Anspruch 8, wobei die durch den Prozessor des Computers ausführbare Anwendungssoftware die Federkraft in einem Arbeitsblatt und/oder einer ASCII-Datei ausgibt.
Verfahren zum Kalibrieren einer Federprüfvorrichtung, das umfasst: Vorsehen einer unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der unteren Platte koaxial ist; Vorsehen einer oberen Platte, die in Bezug auf die untere Platte beweglich ist und mehrere Aussparungen und eine Lastzelle, die in jeder der mehreren Aussparungen positioniert sind, enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der oberen Platte koaxial ist; Vorsehen einer ersten Probenplatte, die auf der unteren Platte positioniert ist und mehrere Einsenkungen aufweist; Vorsehen einer zweiten Probenplatte, die auf der oberen Platte positioniert ist und mehrere Einsenkungen aufweist; Ausrichten der unteren Platte und der oberen Platte in der Weise, dass die erste Probenplatte zu der zweiten Probenplatte parallel und konzentrisch ist; Positionieren einer federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung senkrecht zu und zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte durch Positionieren eines ersten Endes der Kalibrierungsvorrichtung in einer der mehreren Einsenkungen in der ersten Probenplatte und durch Positionieren eines zweiten Endes der Kalibrierungsvorrichtung in einer der mehreren Einsenkungen in der zweiten Probenplatte; Berechnen einer Federkraft der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung anhand von Lastzellenausgängen, die durch die in der unteren Platte und in der oberen Platte enthaltenen Lastzellen erzeugt werden, wobei die Federkraft in einem Bereich von etwa 0,5 Newton bis etwa 100 Newton liegt; und Verwenden der berechneten Federkraft, einer bekannten Federkraft für die federbelastete Kalibrierungsvorrichtung und von Positionen der mehreren Einsenkungen in der ersten Probenplatte und in der zweiten Probenplatte, um die Federprüfvorrichtung zu kalibrieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorsehen der unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle aufweist, das Vorsehen einer unteren Platte umfasst, bei der der Kreis einen Durchmesser besitzt, der größer als der zweifache erwartete maximale Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorsehen einer oberen Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer oberen Platte umfasst, bei der der Kreis einen Durchmesser besitzt, der größer als ein zweifacher erwarteter maximaler Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorsehen einer unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer unteren Platte umfasst, bei der jede der mehreren Aussparungen um den Kreis äquidistant positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorsehen einer oberen Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer oberen Platte umfasst, bei der jede der mehreren Aussparungen um den Kreis äquidistant positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner eine Kugel im ersten Ende und im zweiten Ende der Kalibrierungsvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Positionieren der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte das Positionieren der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte dann, wenn die erste Probenplatte und die zweite Probenplatte um eine erste vorgegebene Strecke getrennt sind und wenn die erste Probenplatte und die zweite Probenplatte um eine zweite vorgegebene Strecke getrennt sind, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Positionieren der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte das Positionieren der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung, die auf eine erste vorgegebene Federkraft eingestellt ist, zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte und das Positionieren der federbelasteten Kalibrierungsvorrichtung, die auf eine zweite vorgegebene Federkraft eingestellt ist, zwischen der ersten Probenplatte und der zweiten Probenplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste vorgegebene Federkraft etwa 0,5 Newton beträgt und die zweite vorgegebene Federkraft etwa 100 Newton beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ausrichten der unteren Platte und der oberen Platte das Verwenden einer üblichen Koordinatenmessmaschine umfasst, um die untere Platte und die obere Platte in der Weise auszurichten, dass die erste Probenplatte zu der zweiten Probenplatte parallel und konzentrisch ist.
Verfahren zum Untersuchen einer Feder, das umfasst: Vorsehen einer unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der unteren Platte koaxial ist; Vorsehen einer oberen Platte, die in Bezug auf die untere Platte beweglich ist und mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, wobei die mehreren Aussparungen in der Weise positioniert sind, dass ein Zentrum jeder Aussparung ein Punkt auf einem Kreis ist, der zu der oberen Platte koaxial ist; Positionieren der Feder senkrecht zu und zwischen der unteren Platte und der oberen Platte; Bestimmen einer Höhe der oberen Platte; Erhalten von Lastzellenausgängen von den Lastzellen, die in der unteren Platte und in der oberen Platte positioniert sind; und Berechnen eines Lastzentrums für ein erstes Ende der Feder und eines Lastzentrums für ein zweites Ende der Feder anhand der Lastzellenausgänge.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Ausgeben des Lastzentrums für das erste Ende der Feder und des Lastzentrums für das zweite Ende der Feder an eine Anzeige umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Vorsehen einer unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer unteren Platte umfasst, bei der der Kreis einen Durchmesser besitzt, der größer als ein zweifacher erwarteter maximaler Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Vorsehen einer oberen Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer oberen Platte umfasst, bei der der Kreis einen Durchmesser besitzt, der größer als ein zweifacher erwarteter maximaler Radius ist, wobei der erwartete maximale Radius aus einem Lastzentrum der Feder und einem geometrischen Zentrum der Feder abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Vorsehen einer unteren Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jede der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer unteren Platte umfasst, bei der jede der mehreren Aussparungen um den Kreis äquidistant positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Vorsehen einer oberen Platte, die mehrere Aussparungen und eine in jeder der mehreren Aussparungen positionierte Lastzelle enthält, das Vorsehen einer oberen Platte umfasst, bei der jede der mehreren Aussparungen um den Kreis äquidistant positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Berechnen von Kraftkomponenten, die mit einer Achse der Feder kollinear sind, von Vektoreindringpunkt-Koordinaten anhand der berechneten Kraftkomponenten, die zu der Achse der Feder kollinear sind, eines resultierenden Kraftvektors anhand der Vektoreindringpunkte, von Kraftkomponenten, die zu der Achse der Feder nicht kollinear sind, anhand der Vektoreindringpunkte, und darauf bezogener Momente der Feder anhand der Vektoreindringpunkte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Ausgeben der Kraftkomponenten, die mit der Achse der Feder kollinear sind, der Vektoreindringpunkt-Koordinaten, des resultierenden Kraftvektors, der Kraftkomponenten, die mit der Achse der Feder nicht kollinear sind, und der darauf bezogenen Momente der Feder an die Anzeige umfasst.