DE1932224B2

DE1932224B2 - Elektromechanischer Kraft-Meßwandler

Info

Publication number: DE1932224B2
Application number: DE1932224A
Authority: DE
Inventors: Sandor Dipl.-Ing. Budapest Kovacs
Original assignee: MERESTECHNIKAI KOEZPONTI KUTATO LABORATORIUM BUDAPEST
Current assignee: MERESTECHNIKAI KOEZPONTI KUTATO LABORATORIUM BUDAPEST
Priority date: 1968-06-28
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1279883A; CS188105B2; US3589180A; FR2011779A1; NL6909955A; SE359922B; DE1932224A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Kraft-Meßwandler, bei dem eine zu messende lineare Kraft in eine Torsion eines Meßelements umgewandelt wird, wobei die Krafteinleitung über starre Elemente in Form von Bügeln erfolgt, die durch einen mittleren Kern zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind.

Ein Kraft-Meßwandler der vorstehend genannten Art ist bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 111 421). Bei diesem bekannten Kraft-Meßwandler ist an beiden Enden des Torsionskörpers in einem axialen Schlitz je eine flache Stange beiderseits radial vorstehend derart befestigt, daß beide gleich langen Stangen in einer Ebene liegen und sich ihre Enden in gleicher Höhe befinden. Die gleich liegenden Enden der Stangen sind jeweils durch einen Querbalken miteinander verbunden, und in den zwischen dem Torsionskörper und dem Querbalken gelegenen Teilstücken der flachen Stangen ist je eine tiefe Quernut, parallel zur Achse des Körpers verlaufend, in solcher Anordnung vorgesehen, daß sich die beiden Quernuten jeder Stange auf verschiedenen Seiten dieser Stange befinden und jede Nut spiegelbildlich zu der mit mit ihr auf gleicher Höhe befindlichen Qu^.nut der anderen Stange liegt. Von Nachteil bei diesem bekannten Kraft-Meßwandler ist, daß Verzerrungseinflüsse auf Grund von schrägeinwirkenden Kräften vorhanden sind. Der Grund hierfür liegt in der lediglich planaren Symmetrie des bekannten Kraft-Meßwandlers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein Kraft-Meßwandler der eingangs genannten Art auszubilden ist, ₍um Verzerrungseinflüsse durch schräg einwirkende Kräfte zu beseitigen.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Kraft-Meßwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die durch die Längsachsen der Meßelemente bestimmte Ebene senkrecht zu der durch die Mittelachsen der Bügel bestimmten Ebene verläuft. Die Erfindung bringt gegenüber dem oben betrachteten bekannten Kraft-Meßwandler den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise, nämlich durch eine räumliche Symmetrie, der Verzerrungseinfluß von schräg einwirkenden Kräften beseitigt ist.

Die Wirkungslinie der zu messenden Kraft bestimmt eindeutig den Hebelarm der auf die Meßelemente wirkenden Kräfte. Die einzelnen Meßelemente sind auf Torsion und Biegung beansprucht. Das betreffende Verhältnis von Torsion und Biegung des Hebelarmes sowie die Querschnittsfaktoren bestimmen in dem Meßwandler, welche Kraft auf einen ίο Oberflächenpunkt des Meßelements wirkt. Es ist zweckmäßig, bei der Bestimmung der geometrischen Abmessungen des Kraft-Meßwandlers so vorzugehen, daß die infolge der Biegung entstehenden Spannungen in bezug auf die Torsionsspannungen vernachlässigbar sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung bilden die Meßelemente und der diese zusammenhaltende Kern eine ebene Rahmeneinrichtung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders einfacher Aufbau für den Kraft-Meßwandler. An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Kraft-Meßwandlers,

S5 Fig. la den in Fig. 1 dargestellten Kraft-Meßwandier in der Richtung des in Fig. 1 eingetragenen Pfeiles A,

Fig. Ib die Anordnung von Meßelementen im nichtbeanspruchten Zustand (dünne Linien) und im beanspruchten Zustand (dicke Linien),

Fig. 2 einen möglichen günstigen Aufbau einer Brückenschaltung aus an den einzelnen Meßelementen angebrachten Dehnungsmeßstreifen,

F i g. 3 eine bespielsweise Ausführung des Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung in Zylinderform für eine Druckkraftmessung,

F1 g. 3 a eine Seitenansicht des in Fi g. 3 dargestellten Kraft-Meßwandlers,

Fig. 4 einen als Zugkraftmesser verwendeten Kraft-Meßwandler gemäß einer weiteren ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 aeine Seitenansicht des in Fig. 4 dargestellten Kraft-Meßwandlers,

Fig. 5 einen zur Durckkraftmessung dienenden Kraft-Meßwandler, dessen Meßelemente in gleicher Weise beansprucht werden,

Fig. 5a die Lage der Meßelemente im nichtbeanspruchten Zustand (dünne Linien) und im beanspruchten, deformierten Zustand (dicke Linien),
Fig. 6 einen Kraft-Meßwandler gemäß der Erfin- * dung, bei dem die Wirkungslinie einer zu messenden Kraft unter einem von einem rechten Winkel abweichenden Winkel zu einer durch die Torsionsachsen der Meßelemente bestimmten Ebene gerichtet ist,
F i g. 6 a eine Seitenansicht des in F i g. 6 dargestellten Kraft-Meßwandlers.

Das Wesen der Erfindung wird an Hand der Fig. 1, 1 a, J b und 2 erläutert. Der Kraft-Meßwandler (siehe Fig. 1 und 1 a) besteht aus auf Torsion beanspruchten Meßelementen 1, 2, 3 und 4, die einerseits an einem Kern 5 und andererseits von einem oberen Bügel 6 und einem unteren Bügel 8 zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Die Torsion ist durch die Torsionsmomente M₁ und M₂ bzw. M₃ und M₄ angedeutet. Die zu messende Kraft, bei der es sich um eine lineare Kraft handelt, ist durch einen Pfeil 7 angedeutet; durch einen Pfeil 9 ist die mit der betreffenden Kraft im Gleichgewicht stehende Reaktionskraft angedeu-

tet. Die zu messende Kraft wirkt auf den oberen Bügel 6, der die an dem einen Ende des Kernes S befestigten Meßelemente 3 und 4 auf Torsion längs eines Armes Z₁ beansprucht. Über di2 inneren Kräfte werden die am anderen Ende befestigten Meßelemente 1 und 2 über den Kern S längs eines Hebelarmes Z₂ durch eine der zu messenden Kraft gleich große Kraft beansprucht.

In Fig. Ib ist die deformierte Form der Meßelemtnte durch gestrichelte Linien veranschaulicht; die dünnen, voll ausgezogenen Linien veranschaulichen die Form im unbeanspruchten Zustand. Die einzelnen Meßelemente werden bei Betrachtung des Kraft-Meßwandlers in Richtung des Pfeiles A bezogen auf den Kern durch im gleichen Sinne wirkende Momente ¹S beansprucht. Die zwei ursprünglichen, durch die Endpunkte 31 bis 36 gebildeten Flächen α und b des Meßelements 3 nehmen auf Grün-, der Beanspruchung die durch die Punkte 31, 32, 33* und 34* bzw. 31, 34, 36*, 35 gekennzeichnete Form an. In beiden Flä- *° chen α und b werden z. B. in Richtung der Diagonalen 31,33 bzw. 34, 35 Druckspannungen und in Richtung der Diagonalen 32, 34 bzw. 31, 36 Zugspannungen erzeugt. Entsprechende Druck- und Zugspannungen treten auch in den übrigen, durch Würfel dargestellten »5 Meßelementen 1, 2 und 4 auf. Die Beanspruchung ist in den Meßelementen 1 und 2 dem Arm Z₂ proportional und in den Meßelementen 3 und 4 dem Arm Z₁. Wenn z. B. die Kraft um eine Strecke ν in Richtung des Pfeiles A betrachtet nach rechts verschoben wird (Fig. 1), dann muß mit den Armen (I₁-X) bzw. (I₂ + x) gerechnet werden. Zur Sicherung der Unabhängigkeit von der Verschiebung um eine Strecke χ ist es erforderlich, daß in sämtlichen Brückenzweigen einer in ihren Brückenzweigen durch die genannten Meßelcmente gesteuerten Brückenschaltung nur der zu messenden Kraft und den konstanten Armen Z₁ und /j proportionale Widerstandsänderungen erzeugt werden. Deshalb müssen die Brückenzweige der betreffenden Brückenschaltung solche Elemente bilden, die sowohl ein mit dem Arm Z₁ als auch ein mit dem Arm I₂ sich proportional änderndes Widerstandselement besitzen. Zu diesem Zweck sind zwei Dehnungsmeßelemente bzw. Dehnungsmeßstreifen 18 und 19 andern Meßelement 1 angebracht, undzwa: längs von Diagonalen der den oben betrachteten Flächen b bzw. α entsprechenden Flächen dieses Meßelements 1, wie dies aus Fig. Ib hervorgeht. In entsprechender Weise sind Dehnungsmeßstreifen 20, 21 an dem Meßelement 2, Dehnungsmeßstreifen 22, 23 an dem Meßelement 3 und Dehnungsmeßstreifen 24, 25 an dem Meßelement 4 angebracht. Es sei bemerkt, daß in den Meßelementen - von den geometrischen Abmessungen abhängig - auch Biegemomente auftreten. Diese Biegemomente sind - bei gegebenen Querschnitten - ebenfalls abhängig von der jeweils zu messenden Kraft sowie von den Momentarmen l_hi bzw. /_M. Wenn die zu messende Kraft in bezug auf diese Momentarme um eine Strecke y abweicht, dann muß mit den veränderten Momeniarmen (/,,, +y) bzw. Vi,4~y) gerechnet werden (Fig. 1). Zur Erzielung einer Momentunabhängigkeit ist es in diesem Fall ebenfalls erforderlich, in den einzelnen Brückenzweigen einer Brückenschaltung Elemente unterzubringen, die den Momentarmen /_/l3 und Z_y,₄ proportional sind. Die beiden Bedingungen zur Erzielung der Unabhängigkeit von Verschiebungen um eine Strecke χ und eine Strecke y können z. B. dadurch erfüllt werden, daß, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, der eine ^Zweig A₁ einer Meßbrücke aus dem auf Zug beanspruchten Dehnungsmeßstreifen 19 des Meßelements 1 und aus dem auf Zug beanspruchten Dehnungsmeßstreifen 25 des Meßelements 4 besteht, daß ferner der Zweig R₂ der betreffenden Brückenschaltung aus den auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßstreifen 18 und 24 derselben Meßelemente 1 unci 2 besteht, daß ferner der Zweig R₃ der betreffenden Brückenschaltung aus den Dehnungsmeßstreifen 23 und 21 besteht und daß schließlich der Zweig A₄ der betreffenden Brückenschaltung aus den Dehnungsmeßstreifen 22 und 20 besteht. Die Speisespannung der Brückenschaltung ist mit U_u bezeichnet, und die Meßspannung ist mit U_u bezeichnet.

Im Idealfall steht die Wirkungslinie 7 der Kraft senkrecht auf der von den Meßelementen 1, 2, 3 und 4 bestimmten Ebene (siehe Fig. 1), wobei folgende Beziehungen für die Momentarme gelten: Z₁ = Z₂ und hi ⁼ hf ^Die Beziehungen sind aber nicht zwangläufig erfüllt. Wirkt nämlich die zu messende Kraft in der Wirkungslinie der geraden I-I, die einen Winkel α mit der Normalen zu der obengenannten Ebene einschließt, so wird nur eine in die normale Richtung fallende Kraftkomponente eine Verformung verursachen. Die verwendete Brückenschaltung kompensiert dabei die in der x- bzw. v-Richtung entstehenden Abweichungen selbsttätig. Erfolgt eine solche selbsttätige Kompensation nicht, so müssen die mit den Momentarmen l\ bzw. I₁ zu berechnenden Momente berücksichtigt werden.

Gemäß dem in Fig. 3 und 3 a gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel des Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung sind die Meßelemente 1, 2, 3 und 4 in der Wandung eines Zylinders 26 derart gebildet, daß an den beiden Enden des Zylinders 26 zwei Hohlräume 27 und 28 vorhanden sind, wobei ein dem oben betrachteten Kern 5 jeweils entsprechender Bodenteil 29 stehenbleibt. Der Zylindermantel ist in Längsrichtung auf gegenüberliegenden Seiten unter Einhaltung eines Maßes »v« von dem Kern 5 durch Schlitze 30 bzw. 37 getrennt, wozu eine Mantelfäche 40 entfernt ist. Damit bleiben am Ende des Zylinders 26 zwei Rippen 38 und 39 stehen.

In Fig. 4 und 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zur Zugkraftmessung dienenden Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung gezeigt. Der in F i g. 4 und 4 a gezeigte Kraft-Meßwandler enthält einen eckigen Grundkörper. Die Bearbeitungsvorgänge dieses Grundkörpers sind den im Zusammenhang mit Fig. 3 erläuterten Bearbeitungsvorgängen ähnlich, üie zu messende Kraft und die Reaktionskraft sind durch Pfeile 10 bzw. 11 an einem oberen Zapfen 12 bzw. unteren Zapfen 13 angedeutet.

In F i g. 5 ist eine Ausführungsform des Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem die Meßelemente 1, 2, 3 und 4 auf dem Kern 5 symmetrisch, aber in entgegengesetzter Richtung beansprucht werden. In Fi g. 5 a ist die durch Torsionsmomente M₁, W₂, M₃ bzw. W₄ deformierte Lage der Meßelemente Ϊ, 2 bzw. 3, 4 veranschaulicht. An den oberen Flächen und unteren Flächen der Meßeletnente 3 und 4 angebrachte Dehnungsmeßstreifen 14, 17 bzw. 15,16 sind so angeordnet, daß auf den oberen Flächen nur auf Zug beanspruchte Dehnungsmeßstreifen vorhanden sind und daß auf den unteren Flächen nur auf Druck beanspruchte Dehnungsmeßstreifen vorhanden sind. Die die betreffenden Dehnungs-

meßstreifen verwendende Brückenschaltung muß in diesem Falle in entsprechender Weise aufgebaut sein wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden ist. Der Kern 5 wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 auch einer erheblichen Torsionsbeanspruchung unterliegen. In bestimmten Fällen ist es zweckmäßig, die Meßelemente der Brückenschaltung auf dem Kern 5 unterzubringen. Bei Kraft-Meßwandlern zur Messung von sehr großen Kräften kann der Kern zweckmäßig als »Lastträger-Element« ausgebil-

det sein.

Bezüglich der in Fig. 6 und 6a gezeigten weiteren Ausführungsform des Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung, in der zur Bezeichnung von den vorstehend betrachteten Elementen entsprechenden Elementen gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind wie in den zuvor betrachteten Fällen, sei bemerkt, daß die zu messende Kraft P' oder P" einen Winkel α mit der Normalen der durch die Torsionsachse der Meßelemente 1,2,3 und 4 bestimmten Ebene einschließt.

' Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Kraft-Meßwandicr, bei dem eine zu messende lineare Kraft in eine Torsion eines Meßelements umgewandelt wird, wobei die Krafteinleitung über starre Elemente in Form von Bügeln erfolgt, die durch einen mittleren Kern zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Längsachsen der Meßelemente (1 bis 4) bestimmte Ebene senkrecht zu der durch die Mittelachsen der Bügel (6 und 8) bestimmten Ebene verläuft.

2. Elektromechanischer Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (1 bis 4) und der diese zusammenhaltende Kern (5) eine ebene Rahmeneinrichtung bilden.