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Mehrkomponenten-Rollwaage Die Erfindung betrifft eine Mehrkomponenten-Rollwaage,
die auf eine koaxial in einem strömenden Medium drehbare, aus mehreren Einzelgliedern
bestehende, mit einem Massenausgleich versehene und bezüglich des Anstellwinkels
veränderbare Halterung aufsetzbar und in Flugmodelle einbaufähig ist, zur Messung
der bei Modellversuchen, insbesondere in Windkanälen, auftretenden Normal-, Seiten-
und Tangentialkräfte sowie der Roll-, Nick- und Giermomente.
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Bei Flugzeuguntersuchungen im Windkanal werden die am Flugzeug bzw.
am Flugzeugmodell auftretenden Momente um die drei flugzeugfesten Achsen Xf, ys,
zf sowie die in Richtung der Längsachse Xf wirkende Kraft ermittelt. Die im Windkanalversuch
mit Bezug auf die flugzeugfesten Achsen xf, yf und Zf ermittelten Momente entsprechen
dem Kippmoment Mt um die Querachse, dem Rolimoment L, um die Längsachse und dem
GiermomentNf um die Hochachse des zu untersuchenden Flugkörpers. Zur Bestimmung
dieser Werte sind bereits andere Meßeinrichtungen bekanntgeworden, welche jedoch
den allen bisher bekannten Einrichtungen anhaftenden Nachteil besitzen, daß bei
der Anzeige der Meßwerte Uberlagerungsfehler bzw. Interferenzen auftreten.
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Auch der funktionsrechte Einbau in den Rumpf der zu untersuchenden
Flugmodelle bereitet bei den bekannten Meßeinrichtungen auf Grund der relativ großen
Bauweise gewisse Schwierigkeiten.
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Zwar sind bereits Dreikomponentenwaagen mit relativ kleinen Montagehülsen
bekanntgeworden. Jedoch lassen diese bekannten Kombinationen einer Normalkraft-
und Nickmomentenwaage mit einer Tangentialkraftwaage lediglich eine gleichzeitige
Bestimmung von drei Komponenten zu, wobei nur das Tangentialkraftsystem, das im
wesentlichen aus einem Zugband als Kraftübertragungsmittel zwischen dem Modell und
einer an dessen starr eingespannten Halterstange befestigten Meßfeder mit Dehnungsmeßstreifen
besteht, unabhängig von den beiden anderen Systemen arbeitet. Die Entkoppelung des
erstgenannten Systems von den beiden anderen Systemen wird hierbei dadurch erreicht,
daß das Modell durch Kugellager auf einem Zwischenrohr verschiebbar ist, das mit
der Halterstange fest verbunden ist. Zur Bestimmung der Normalkraft und des Nickmomentes
dienen jeweils zwei gleiche, als Rechteckfedern ausgebildete und mit zwei oder vier
Dehnungsmeßstreifen versehene Stellen der verhältnismäßig steifen Halterstange des
Modells.
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Auch ist bereits eine Rollmomentenwaage bekanntgeworden, wobei das
Modell durch Kugellager um
die Halterstange drehbar ist und das Rollmoment über ein
modellfestes Zugband auf eine halterfeste Feder, die einen Dehnungsmeßstreifen aufweist,
übertragen wird.
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Weiterhin ist eine zum Einbau in Flugmodelle geeignete Feintorsionsmeßeinrichtung
mit einem modellfesten und einem aufhängevorrichtungsfesten Rahmen bekanntgeworden.
Die ineinandergreifenden Rahmen sind um die Rollachse des Flugmodells gegeneinander
verdrehbar. Über eine mit dem modellfesten Rahmen starr verbundene Brücke mit einem
exzentrisch zur Rollachse angeordneten Rädchen wird je nach positiver oder negativer
Verdrehung des Modells gegenüber der Aufhängevorrichtung über dieses Rädchen der
eine oder der andere Arm einer in dem aufhängevorrichtungsfesten Rahmen angeordneten
Meßgabel tordiert.
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Ausgehend von diesen bekannten Ein- oder Mehrkomponentenwaagen, die
eine gleichzeitige, unabhängig voneinander erfolgende Meßwertbildung aus den aus
einer Anströmung auf das Flugmodell wirkenden aerodynamischen Kräfte und Momente
nur bedingt oder in nacheinander ablaufenden Messungen mit unterschiedlichen Meßgeräten
ermöglichen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der bisher
bestehenden Nachteile eine Mehrkomponenten-Rollwaage so auszubilden, daß einmal
eine gleichzeitige und voneinander unabhängige, iiberlagerungs- und schwingungsfreie
Messung der rein aus aerodynamischen Kräften resultierenden Roll-, Nick- und Giermomente
neben der Tangentialkraft, auch bei Windkanalversuchen, an von einer rotationssymmetrischen
Form abweichenden Ausbildung von Flugmodellen möglich ist. Darüber hinaus soll die
Mehrkomponentenwaage auf eine koaxial in einem strömenden Medium drehbare, aus mehreren
Einzelgliedern bestehende und mit einem Massenausgleich versehene Halterung aufsetzbar
und durch Verstellung der Zuordnung der Einzelglieder eine
Änderung
des Anstellwinkels des Flugmodells erzielbar sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung erreicht durch
einen koaxial auf dem letzten freien Glied der Halterung in Wälzlagern verschiebbaren,
gabelförmigen Aufnahmearm, der mit einem Zwischenstück der Halterung mittig über
einen beidseitig eingespannten Biegeträger verbunden ist, der in an sich bekannter
Weise sowohl auf seinen Zugals auch auf seinen Druckteilen angeordnete Dehnungsmeßstreifen
zur Bestimmung der Tangentialkräfte aufweist und derart bemessen ist, daß er bei
Belastung durch senkrecht zu den Tangentialkräften angreifende Kräfte quasistarr
ist und Rollmomente unabhängig von auf den Aufnahmearm wirkenden Tangentialkräften
von diesem über die biegesteife Ebene des Biegeträgers und das mit diesem verbundene
Zwischenstück der Halterung auf ein nachgeschaltetes, sich auf die eigentliche Halterung
abstützendes und in an sich bekannter Weise mit Dehnungsmeßstreifen versehenes Torsionselement
überträgt, sowie durch ein in dem gabelförmigen Teil des Aufnahmearmes mittels Wälzlagerpaaren
bzw. über Wälziagerpaare in zwei modellfesten Gehäuseseitenteilen kardanisch gelagertes
kreuzförmiges Bauelement, dessen freie, in Richtung der Nickachse und in Richtung
der Gierachse des Flugmodells weisende und jeweils in an sich bekannter Weise als
Torsionselemente ausgebildet und mit Dehnungsmeßstreifen versehene Enden mit schlitzförmigen
Ausnehmungen in aufnahmearmfeste Halteplatten und modellfeste Halteplatten eingreifen,
wobei das Gehäuse fest mit dem Flugmodell verbunden und dieses, z.B. durch einen
an sich bekannten rotierenden Antrieb, dessen Drehachse gegenüber der Rollachse
geneigt ist, in eine Taumelbewegung versetzbar ist.
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Mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Mehrkomponenten-Rollwaage
lassen sich somit erstmals Flugmodellmessungen in Windkanälen auch unter wechselnden
Anströmbedingungen durchführen und insbesondere auch das Verhalten der Flugmodelle
in simultierten Böen oder sonstigen Turbulenzfällen prüfen. Da nunmehr die am Flugmodell
angreifenden aerodynamischen Kräfte auch bei von einer rotationssymmetrischen Form
abweichenden Ausbildung des Flugmodells, unabhängig von deren Eigengewicht, aufgeteilt
in Tangential-, Normal- und Seitenkräfte und die aus diesen Kräften resultierenden
Momente, gleichzeitig und unabhängig voneinander erfaßbar sind und somit die für
die Messung dieser Größen erforderlichen Anströmverhältnisse nur jeweils einmal
benötigt werden, ergeben sich wesentliche Zeit- und Kostenersparnisse. So können
auch bisher nicht beliebig oft reproduzierbare, aber für die Beurteilung und Bewertung
von Fluginodellen äußerst wichtige Übergangsstadien von unterschiedlichen Strömungszuständen
in derartige Untersuchungen einbezogen werden. Darüber hinaus lassen sich die bei
Messungen mit den bekannten Mehrkomponentenwaagen bisher nicht vermeidbaren Wechselkräfte,
die, durch das Eigengewicht der Flugmodelle bedingt, bisher zu unerwünschten Überlagerungen
der zu messenden aerodynamischen Kräfte führten, nunmehr mit Sicherheit und unabhängig
vom Hängewinkel y und vom Anstellwinkel des Flugmodells ausschalten.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Abbildungen näher erläutert.
Es zeigt
A b b. 1 einen Längsschnitt durch die Vierkomponenten-Rollwaage, A b b.
2 einen anderen, um 900 verdrehten Längsschnitt A-A, nach Abb. 1, Abb. 3 einen Querschnitt
C-D nach Ab b. 1, A b b. 4 eine perspektivische Explosionszeichnung.
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Der Aufbau der Vierkomponenten-Rollwaage ist derart ausgelegt, daß
in einem gabelförmigen Aufnahmearm 1 ein kreuzförmiges Bauelement2 angeordnet ist,
welches zwei Wälzlagerpaare 3, 4 aufweist (Abb. 1, 2).
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In dem Wälzlagerpaar 3 ist das kreuzförmige Bauelement 2 um einen
bestimmten Winkel drehbar aufgehängt. Das in der Richtung des Ausschlages eingeleitete
Moment wird hierbei durch Torsionselemente 5, 6 aufgenommen. Die Torsionselemente
5, 6 sind in dem Baulement 2 durch Bolzen 7 gegen Verdrehung gesichert, während
sie durch geschlitzte Halteplatten 8 gegen Verdrehung gegenüber dem gabelförmigen
Aufnahmearm 1 gesichert sind. Die geschlitzten Halteplatten 8 sind zu beiden Seiten
des gabelförmigen Aufnahmearms 1 fest angeordnet. Das andere Wälzlagerpaar 4 ermöglicht
die Momentenermittlung um die Gierachse. Die beiden Wälzlager 4 sind jeweils in
einem Seitenteil 9 untergebracht, worauf jeweils eine geschlitzte Halteplatte 10
befestigt ist. in welche jeweils ein in der Achsrichtung der Wälzlager4 liegendes
Torsionselement 11 eingreift.
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Die beiden Torsionselemente 11 sind in dem kreuzförmigen Baulement
2 durch Bolzen 12 gegen Verdrehen gesichert.
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Im Inneren des hohlen gabelförmigen Aufnahmearms 1 sind zwei Wälzlager
13 angeordnet, welche axiale Verschiebung und Verdrehung um die Längsachse des Aufnahmearmes
1 zulassen. Die Wälzlager 13 dienen einem zylinderförmigen Aufnahmeelement 14 als
Führung. Das Aufnahmeelement 14 ist an seinem der Rollwaage abgewandten Ende an
einer nicht dargestellten Aufhängung für das Modell des Flugzeuges bzw. des Flugkörpers
befestigt. An seinem im gegabelten Ende des Aufnahmearmes 1 liegenden Ende ist ein
Torsionselement 15 angeordnet. Das Torsionselement 15 dient zur Messung der Momente
um die Modellängsachse und ist über ein Zwischenstück 16 und einen Biegestreifen
17 an dem gabelförmigen Aufnahmearm 1 befestigt und so gegen Verdrehung gesichert,
wobei der Biegestreifen 17 zur Messung der Kraft in Richtung der Längsachse des
Flugzeugmodells bzw. des Flugzeugkörpers dient.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Rollwaage ist im folgenden
beschrieben: Wie schon weiter oben ausgeführt, dient der Erfindungsgegenstand zur
Messung der Kippmomente (Mf), Rollmomente (Lf) und der Giermomente (Ns) eines im
Windkanal um dessen Längsachse rotierenden Modells eines Flugzeuges oder Flugkörpers.
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Außerdem wird noch die durch die anströmende Luft erzeugte Widerstandskraft
in Richtung der Modellängsachse gemessen.
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Die Rollwaage wird im Schwerpunkt des zu untersuchenden Modells mittels
der beiden Seitenteile9 im Modell befestigt. Der gabelförmige Aufnahmearm 1 ist
über das zylinderförmige Aufnahmeelement 14 mit der Modellaufhängung verbunden und
zur Messung der Längskraft mittels des Biegestreifens 17 in einem kleinen Bereich
axial verschiebbar. Die Seitenteile 9, welche fest mit dem Modell verbunden worden
sind, übertragen die auftretenden Momente
auf die zugeordneten Torsionselemente.
So wird das RollmomentLf über die Seitenteile 9, das kreuzförmige Bauelement2, den
gabelförmigen Aufnahmearm 1, den Biegungsstreifenl7 und das Zwischenstück 16 auf
das Torsionselement 15 übertragen.
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Das Giermoment Nf wird durch die an den Seitenteilen 9 vorhandenen
ringförmigen Umfassungen für die Kugellager 4, die Kugellager 4 und das kreuzförmige
Bauelement 2 auf die Torsionselemente 5 übertragen.
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Das Kippmoment Mf schließlich wird über die auf den Seitenteilen
9 aufgeschraubten geschlitzten Halteplatten 10 auf die Torsionselemente 11 übertragen.
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Über den Biegestreifen 17 wird die Kraft in Richtung der Modellängsachse
gemessen. Der gabelförmige Aufnahmearm t wird dabei durch das von der Luft angeströmte
Modell in Richtung der Modellaufhängung gedrückt und beansprucht den Biegestreifen
17, welcher seinerseits unverschiebbar auf dem festen, der Aufnahme der Aufhängungsvorrichtung
für das Modell dienenden Aufnahmeelementes 14 angeordnet ist. Die Wälzlager 13 sind
so bemessen, daß eine axiale Verschiebung des gabelförmigen Aufnahmearms 1 gegenüber
dem starren Aufnahmeelement 14 möglich ist.
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Als Meßwertaufnehmer für die Torsionselemente 6, 11, 15 und den Biegestreifen
17 dienen Dehnungsmeßstreifen, welche in an sich bekannter Weise aufgeklebt werden.
Die im Windkanalversuch hervorgerufenen Widerstandsänderungen werden in bekannter
Weise auf elektrischem Weg auf entsprechend geeichte Meßinstrumente übertragen.
Eine weitgehende Meßbereichserweiterung ist durch Austausch der Torsionselemente
gegen höher belastbare Torsionselemente ohne größeren Materialaufwand und Arbeitsaufwand
möglich, da die Rollwaage leicht in ihre Bauelemente zerlegt werden kann.