DE1648348C3 - Kraftmeßwandler - Google Patents

Description

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2,0 ; 2,1 < »i < 3.0 :

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besitzen, deren Hauptachsen (a) parallel zu der Richtung angeordnet sind, in welcher die Kraft (F) wirkt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exponent π der Quers.chnittsgleichung den Wert 2,75 hat.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Achse (a, b) für alle Bohrungen (2) gleich ist.

4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (6, 7) paarweise und derart angeordnet sind, daB die Hauptachsen (a) und die Nebenachsen (b)des einen Bohrungspaares (6) größer als die entsprecherden Achsen der übrigen Bohrungspaare (7) find.

5. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur eine einzige Bohrung zur Aufnahme der Wicklungen (12, 13) vorgesehen ist und daß ein Teil der Wicklung innerhalb der Bohrung (11) angeordnet ist, während der übrige Teil der Wicklung einen Teil der Außenwände des Meßkörpers (10) umschließt.

zu der Richtung befinden, in welcher die Kraft wirkt, in einem gleichmäßig belasteten Körper wesentlich größer als in den übrigen Teilen des Körpers ist. Die mechanischen Spannungen an den Rändern der Bohrungen, in denen sich die Wicklungen befinden, und damit in der Meßzone, sind daher viel größer als in den fibrigen Teilen des Meßkörpers, was dazu führt, daß diese Teile vom mechanischen Gesichtspunkt aus in einem viel geringeren Maße ausgenutzt werden. Das Verhältnis zwischen der auf den Meßkörper wirkenden Kraft und der elektrischen Spannung, die aus der Meßwicklung erhalten wird, erreicht linear nur eine spezifische Größe der mechanischen Spannung in der Meßzone. Diese Größe ist normalerweise geringer als die mechanische Spannung, die vom Gesichtspunkt der Materialfestigkeit zulässig ist. Der Meßkörper wird dpher vom mechanischen Gesichtspunkt aus nicht voll ausgenutzt Wenn große Kräfte bestimmt werden sollen und ferner ein lineares Verhältnis zwischen der wirkenden Kraft und der elektrischen Ausgangsspannung bestehen soll, müssen dem Meßkörper größere geometrische Abmessungen gegeben werden.

Um eine bessere Ausnutzung des Meßkörpers ohne Veränderung seiner Abmessungen zu ermöglichen, werden gewöhnlich zusätzliche Bohrungen oder Ausnehmungen innerhalb der Meßzone des Meßkörpers vorgesehen. Auf diese Weise werden die mechanischen Spannungen unterschiedlich im Material verteilt und können größere Kräfte unter Beibehaltung der Linearität bestimmt werden. Die Bohrungen und die abgerundeten Teile der Ausnehmungen hatten hierbei bisher immer eine kreisförmige Gestalt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Bohrungen vorzusehen, die einen Querschnitt von solcher Gestalt aufweisen, daß die gleiche Wirkung erzielt wird, ohne daß zusätzliche Bohrungen oder Ausnehmungen im Meßkörper vorgesehen werden.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Bohrungen, in welchen die Wicklungen angeordnet sind, einen Querschnitt gemäß der Gleichung

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Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßwandler mit einem Meßkörper, der aus magnetostriktivem Material besteht, in dem Bohrungen senkrecht zur Kraftrichtung angeordnet sind und bei dem mindestens zwei Wicklungen innerhalb der Bohrungen angeordnet sind, von denen die eine die Erregerwicklung und die andere die Meßwicklung ist.

Ein magnetoelastischer Geber mit einem Meßkörper aus magnetostriktivem Material wird zum Messen beispielsweise von Druckkräften verwendet. Der Meßkörper kann die Form eines Parallelepipeds haben. Zwei entgegengesetzte Flächen dieses Körpers sind so angeordnet, daß sie auf die zu bestimmenden Druckkräfte wirken können, bei Meßkörpern, welche eine solche Form besitzen, werden die Betätigungskräfte annähernd gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Körpers verteilt. Im Mittelteil des Meßkörpers, in der Meßzone, sind durchgehende Bohrungen zur Aufnahme der Erregerwicklung bzw. der Mei3wicklung vorgesehen.

Es ist allgemein bekannt, daC· die mechanische Spannung an den Rändern einer Bohrung, d. h. die Spannung in den Zonen der Bohruni, die sich senkrecht 11 = 2.0 ; 2,1 < /i < 3.0 ; α > h > 0 ;

besitzen, deren Hauptachsen a parallel zu der Richtung angeordnet sind, in welcher die Kraft Fwirkt.

Auf diese Weise werden die Spannungen im Meßkörper so verteilt, daß es möglich ist, größere Kräfte als im Falle von kreisförmigen Bohrungen zu messen. Die Nebenachsen der Bohrungen sind in ihrer Größe gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Bohrung. Eine noch günstigere Verteilung wird erzielt, wenn der Querschnitt der Bohrungen die Form einer »Superellipse« hat, d. h. 2,1 < π < 3,0 ist, wobei die mechanischen Spannungen noch weiter erhöht werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Meßkörper, bei welchem alle in diesem vorgesehenen Bohrungen von der gleichen Größe sind,

Fig.2 einen Meßkörper mit Bohrungspaaren, bei welchem die Paare von verschiedener Größe sind, und

F i g. 3a sowie 3b einen Meßkörper, der nur eine einzige Bohrung für jede Wicklung besitzt.

In Fig. 1 ist in schaubildlicher Darstellung eine Ausführungsform eines Meßkörpers gezeigt, der die

Form eines Parallelepipeds hat und auf den eine Kraft F auf zwei entgegengesetzten Seitenflächen einwirken kann. Durchgehende Bohrungen 2 sind parallel zueinander in der Längsrichtung des Körpers und senkrecht zu der Richtung vorgesehen, in weichirr die Kräfte > ausgeübt werden. In zwei der erwähnten Bohrungen ist eine Erregerwicklung 3 angeordnet, während eine Meßwicklung 4 in den übrigen beiden Bohrungen angeordnet ist. Der Querschnitt aller Bohrungen hat die Form einer Ellipse oder einer »Superellipse«. Alle ·° Bohrungen im Meßkörper sind von der gleichen Größe, und ihre Hauptachsen liegen in der gleichen Ebene. Die Hauptachsen sind in einer Richtung angeordnet, die parallel zur Richtung ist, in weicher die Kraft aufgebracht wird Die Nebenachsen der Bohrungen sind '? in ihrer Größe gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Bohrung, weiche durch die elliptische Bohrung ersetzt wird.

Fig. 2 zeigt in schaubildlicher Darstellung eine weitere Ausführungsform, bei der zwei Bohrungen in ihrer Größe von den übrigen Bohrungen abweichen. Der Meßkörper hat ebenfalls die Form eines Parallelepipeds, und die Kraft ist so vorgesehen, daß sie auf die Seitenflächen 5 des Meßkörpers wirkt.

Die Bohrungen 6 und 7 sind parallel zu diesen Seitenflächen in deren Längsrichtung angeordnet, wobei der Querschnitt der Bohrung 6 wesentlich größer als derjenige der Bohrung 7 ist. In der Bohrung 6 ist eine Erregerwicklung 9 angeordnet, während in der Bohrung 7 eine Meßwicklung 8 vorgesehen ist. Die Querschnitte aller Bohrungen haben die Form einer Ellipse oder einer »Superellipse«, deren Hauptachse in einer Richtung parallel zur Richtung angeordnet ist. in welcher die Kraft wirkt.

Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt, in welcher F i g. 3a den Meßkörper in schaubildlicher Darstellung zeigt und F i g. 3b den Meßkörper von einer Seitenfläche zeigt. Der Körper hat ebenfalls die Form eines Parallelepipeds 10, in welchem nur zwei parallele Bohrungen 11 vorgesehen sind. In der einen Bohrung befindet sich eine Erregerwicklung 12 und in der anderen eine Meßwicklung 13. Die Wicklungen 12 und 13 sind so angeordnet, daß ein Teil jeder Wicklung sich in der Bohrung befindet, während der übrige Teil der Wicklung einen Teil der Außenwände des Meßkörpers umschließt. Beide Bohrungen haben einen Querschnitt in Form einer Ellipse oder einer »Superellipse«, bei welcher wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen die Hauptachse in einer Richtung angeordnet ist, die parallel zu der Richtung ist, in welcher die Kraft wirkt.

Bei den gezeigten Ausführungsformen hat der Querschnitt der Bohrungen die Form einer Hllipse oder einer »Superellipse«. Bohrungen mit einem Querschnitt in Form einer Ellipse ergeben eine solche Veränderung in der Verteilung der mechanischen Spannungen in der Meßzone des Meßkörpers, daß die mechanische Spannung an den Rändern der Bohrungen um etwa 30% im Vergleich zu kreisförmigen Bohrungen herabgesetzt ist, deren Durchmesser in ihrer Größe gleich der Nebenachse der Ellipse ist. Wegen der günstigen Verteilung der mechanischen Spannungen in dem Material wird ein höherer Wert für den sogenannten »Formfaktor« erzielt, d. h. für das Verhältnis zwischen der Breite (= Länge der Nebenachse) der elliptischen Bohrung und der Breite des Meßkörpers in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Bohrung und zur Richtung, in welcher die Kräfte ausgeübt werden. Infolge des erhöhten Wertes des Formfaktors kann die erwähnte Breite des Meßkörpers verringert werden.

Wenn der Querschnitt stattdessen die Form einer »Superellipse« hat, bei welcher die Nebenachse im Querschnitt gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Bohrung ist, so bedeutet dies, daß die Länge der Hauptachse unter Beibehaltung einer unveränderten Länge der Nebenachse infolge des Umstandes verringert werden kann, daß die »Superellipse« eine noch günstigere Verteilung der mechanischen Spannungen an den Rändern der Bohrung ergibt. Dies bedeutet, daß die Erstreckung des Meßkörpers in der Richtung, in welcher die Kraft ausgeübt uird, verringert werden kann, jedoch die günstige Verteilung der mechanischen Spannungen un der Meßzone beibehalten wird. Unter der Bezeichnung »Superellipse« ist eine Kurve zu verstehen, deren Gleichung derjenigen der Ellipse analog ist, jedoch mit dem Unterschied, daß der Exponent π in der Gleichung der Superellipse 2,1 bis 3,0, vorzugsweise 2,75, statt 2,0 in der Gleichung der Ellipse ist. Im Falle einer Superellipse wird ein größerer Krümmungsradius der Kurve an den Enden der Hauptachse im Vergleich zu einer gewöhnlichen Ellipse erhalten, die Achsen von der gleichen Größe hat.

Wenn die Achsen des einen Bohrungspaares länger als die Achsen des anderen Bohrungspaares gemacht werden, wie in F i g. 2, kann die Verteilung der mechanischen Spannungen noch günstiger gemacht werden, so daß größere Kräfte gemessen werden können. Bei der Aüsführungsform nach F i g. 3 ist das Ergebnis ein Versuch, die Erstreckung des Meßkörpers in der Kraftrichtung so klein als möglich zu halten. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 sind nur zwei Bohrungen vorgesehen, wobei die Hauptachsen der Bohrungen in der Richtung der ausgeübten Kraft angeordnet sind. Wenn die Querschnitte dieser Bohrungen in Form einer Superellipse gestaltet werden, läßt sich die Erstreckung des Meßkörpers in der Richtung der Hauptachsen auf ein Mindestmaß verringern.

Infolge der beschriebenen Formen der Bohrungen im Meßkörper, in welchen Bohrungen sich die Erreger- und Meßwicklungen befinden, werden die Mechanischen Spannungen in der Meßzone des Körpers so verteilt, daß dieser zum Messen größerer Kräfte verwendet werden kann, als es der Fall sein würde, wenn die Bohrungen einen kreisförmigen Querschnitt haben würden. Hierbei ist zu erwähnen, daß dieses Ergebnis ohne zusätzliche Bohrungen, Ausnehmungen od. dgl. in der Meßzone erzielt wird und daß es notwendig ist, die geometrischen Abmessungen des Meßkörpers zu vergrößern.

Hierzu 1 Blatt Zähnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   t. Kraftmeßwandler mit einem Meßkörper, der aus magnetostriktivem Material besteht, in dem Bohrungen senkrecht zur Kraftrichtung angeordnet sind und bei dem mindestens zwei Wicklungen innerhalb der Bohrungen angeordnet sind, von denen die eine die Erregerwicklung und die andere die Meßwicklung ist, dadurch gekennzeich- '° net, daß die Bohrungen (2; 6,7; II), in welchen die Wicklungen (3,4; 8,9; 12,13) angeordnet sind, einen Querschnitt gemäß der Gleichung