DE19921760A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Kräften - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftmessung und insbesondere eine Vorrichtung zur Messung der Reibungskraft zwischen einem ersten und einem zweiten Prüfkörper, die relativ zueinander bewegt werden. Dabei wird die Reibungskraft mit einem Kraftsensor gemessen und gleichzeitig die Schwingungen eines Basiskörpers ermittelt, auf welchem diese Prüfkörper abgestützt sind. Das Ergebnis der Schwingungsmessung des Basiskörpers wird bei der Auswertung der Kraftmessung berücksichtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Messen von Kräften, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche dazu in der Lage ist, auch kleine Kräfte in schwingenden Systemen zuverlässig zu erfassen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft an der Problematik der Messung von Reibung dargestellt.

Werden Flächen zweier Körper unter Normalkraftwirkung relativ zueinander bewegt, entsteht Reibung. Dabei hängt die absolute Höhe der Reibkraft einerseits von der aufgebrachten Normalkraft und andererseits von physikalischen und ggf. auch chemischen Eigenschaften der Oberfläche sowie ggf. vom Vorhandensein eines weiteren Mediums, wie z. B. eines Schmiermittels, ab. Auch der üblicherweise als Reibungskoeffizient µ bezeichnete Koeffizient von Reibungskraft und Normalkraft ist von diesen Größen, d. h. also auch von der Normalkraft selbst abhängig. Die in der Tech­ nik häufig vorausgesetzte Unabhängigkeit des Reibungskoeffizi­ enten von der Normalkraft gilt nur innerhalb enger Normalkraft­ bereiche und nur, wenn die physikalischen Oberflächeneigen­ schaften, wie die Rauheit etc., bestimmten Kriterien genügen.

Zur labormäßigen Messung der Reibung werden Meßgeräte einge­ setzt, bei denen ein erster Prüfkörper unter vorgegebener Nor­ malkraftbelastung relativ gegenüber einem zweiten Prüfkörper bewegt wird. Der erste Prüfkörper ist mit einer entsprechenden Bewegungseinrichtung verbunden, die z. B. eine oszillierende Bewegung, eine Drehbewegung oder eine schraubenartige Bewegung um vorgegebene Verschiebungswege oder Verschiebungswinkel er­ möglicht.

Der zweite Prüfkörper ist über eine Meßeinrichtung mit einem Basiskörper verbunden, wobei diese Meßeinrichtung die Kraft mißt, die erforderlich ist, um den zweiten Prüfkörper während der Bewegung zu halten.

Das System arbeitet insbesondere bei höheren Normalkräften zu­ friedenstellend, es besteht aber das Bedürfnis, die Genauigkeit eines solchen Meßverfahrens und einer solchen Meßeinrichtung insbesondere, aber nicht nur, bei niedrigeren Normalkräften zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des An­ spruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 7.

Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Möglichkeit einer hochpräzisen Kraft und insbesondere auch einer hochpräzisen Reibungsmessung ermög­ licht. Es hat sich gezeigt, daß auch bei einem Grundkörper mit einer hohen trägen Masse und trotz der Entkoppelung von Grund­ körper und zweitem Prüfkörper durch das Meßsystem der Grundkör­ per zu einer Schwingung angeregt wird, die das Meßergebnis be­ einflußt. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, diese Schwingung des Grundkörpers zu erfassen und das Meßergeb­ nis in einer Meßwertverarbeitungseinrichtung so aufzubereiten, daß diese Grundschwingungen bei der Bewertung des Meßergebnis­ ses mit berücksichtigt werden.

Es ist somit eine erste Sensoreinrichtung vorgesehen, die die Reibung mißt und eine zweite Sensoreinrichtung, die die Schwin­ gung des Basiskörpers mißt.

Dies geschieht, in einer besonders zu bevorzugenden Ausführung­ form, dadurch, daß dieses Grundschwingungssignal, welches ein Störsignal darstellt, vom Nutzsignal substrahiert wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, die Sensoreinrichtung so zu gestalten, daß die durch die Bewegung des Prüfkörpers verursachten Schwingungen zweidimensional, dreidimensional oder als Überlagerung einer zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Schwingungen mit einer Rotations­ schwingung erfaßt werden. Einer solchen Erfassung liegt die Überlegung zugrunde, daß sich die Bewegung eines starren Kör­ pers jeweils als Überlagerung einer Translations- mit einer Ro­ tationsbewegung darstellen läßt.

Zur Erfassung der Schwingungen kann die Sensoreinrichtung wie folgt gestaltet werden:
Bei einer eindimensionalen Erfassung der Schwingung wird die Sensoreinrichtung vorzugsweise derart am Basiskörper angeord­ net, daß die Schwingungen in der Richtung erfaßt werden, in die die Antriebsschwingungen erfolgen. Dies bedeutet, daß der Kraftsensor, z. B. ein federbelasteter Kraftsensor oder ein piezoelektrischer Sensor, eine Wegverschiebung in einer Rich­ tung parallel zur Bewegungsrichtung der Prüfkörper erfaßt. Da­ bei ist der Sensor vorzugsweise innerhalb einer Symmetrieebene des Basiskörpers in bezug auf die Antriebseinrichtung und die Meßeinrichtung angeordnet.

Bei einer zweidimensionalen Erfassung der Schwingungen wird die zweite Sensoreinrichtung vorzugsweise so gestaltet, daß ein er­ ster Sensor so angeordnet ist, daß er die Schwingungen, wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel, in Bewegungsrichtung der An­ triebseinrichtung erfaßt und ein zweiter Sensor derart, daß er die Schwingungen in einem Winkel von 90° zu dieser ersten Schwingung erfaßt.

Bei einer solchen Anordnung der zweiten Sensoreinrichtung ist es bevorzugt, auch die erste Sensoreinrichtung, die der Rei­ bungsmessung dient, derart zu gestalten, daß die Kräfte zweidi­ mensional und auch hier wieder vorzugsweise einmal in Bewe­ gungsrichtung der Antriebseinrichtung und einmal vorzugsweise in einem 90°-Winkel quer zur Bewegungsrichtung der Antriebsein­ richtung erfaßt werden.

Bewegt sich die Antriebseinrichtung und die sich bewegenden Prüfkörper in einer horizontalen Ebene, was im Hinblick auf ei­ nen einfachen Prüfstandsaufbau zu bevorzugen ist, werden auch die zweidimensionalen Schwingungen der Schwingungsmessungen und/oder die Reibungsmessungen in einer horizontalen Ebene durchgeführt. Im folgenden werden diese Messungen als Messungen in x-Richtung und y-Richtung bezeichnet.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform der Er­ findung ist es möglich, zusätzlich zur zweidimensionalen Mes­ sung in x-Richtung noch eine Messung in einem Winkel von 90° zu den beiden ersten Meßrichtungen vorzunehmen; d. h. bei einer horizontalen Ausrichtung der zweidimensionalen Schwingungsmes­ sung eine Messung in vertikaler Richtung (z-Richtung). Auch hier wird die vertikale Richtung vorzugsweise bei der Schwin­ gungsmessung und/oder der Reibungsmessung erfaßt. Dabei ist zu letzterer anzumerken, daß mit einer solchen Sensoreinrichtung auch die auf den Prüfkörper wirkende Belastung jeweils erfaßt werden kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die vor­ stehend erörterten Ausführungsformen mit einer Drehschwingungs­ messung zu verbinden. Diese wird bei einem zweidimensionalen Meßaufbau in der Weise durchgeführt, daß die Schwingungen in x- und y-Richtung an zwei voneinander entfernten Punkten des Ba­ siskörpers erfaßt werden können. Aus einer Analyse der Schwin­ gungen ist es dann möglich, den translatorischen Anteil und den Rotationsanteil in der Meßwertverarbeitungseinrichtung zu be­ stimmen.

Eine entsprechende Analyse ist auch bei dreidimensionalen Mes­ sungen möglich, wenn hier ebenfalls an zwei entfernten Punkten des Basiskörpers eine jeweils dreidimensionale Schwingungsmes­ sung durchgeführt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Erfassung der Dreh­ schwingung des Basiskörpers gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise auch die Drehschwingungen bei der Reibungsmessung erfaßt werden. Dies geschieht, wie bei der Schwingungserfassung des Basiskörpers dadurch, daß an einer Halteeinrichtung einer der beiden Prüfkörper eine entsprechende Messung durchgeführt wird. Auch hier werden dann an zwei von­ einander entfernten Punkten die Schwingungen in x- und y-Rich­ tung bzw. in x-, y- und z-Richtung erfaßt und daraus ein Dreh­ schwingungsanteil errechnet.

Mit der Möglichkeit, die Schwingung des Basiskörpers ein-, zwei- oder dreidimensional zu erfassen und gegebenenfalls auch die Drehschwingung zu erfassen, kann der Aufbau des Prüfstandes in besonders vorteilhafter Weise an das jeweile Bewegungsprofil der Prüfkörper angepaßt werden.

Ist die Relativbewegung der Prüfkörper eine einfache lineare Translationsbewegung, d. h. nach vorstehender Definition paral­ lel oder entlang der x-Achse, wird in der Regel auch eine ein­ dimensionale Erfassung der Schwingungen des Basiskörpers aus­ reichen.

Bei komplexeren Bewegungen des Basisprofils, z. B. bei einer hin- und hergehenden Bewegung eines Stiftes, kann es zweckmäßig sein, die Schwingungen in zwei oder drei Richtungen zu erfas­ sen.

Bereits bei einer eindimensionalen Erfassung der Schwingungen des Basiskörpers wird die Meßgenauigkeit erheblich verbessert, da die Schwingung des Basiskörpers in die Auswertung des Meßsi­ gnals einbezogen werden kann.

Eine zusätzliche Verbesserung des Meßergebnisses ist bei der eindimensionalen Schwingungsmessung dadurch möglich, daß eine oder mehrere Kalibrierfunktionen erstellt werden.

So ist es möglich, nach Fertigstellung eines Prüfstandes ein Kalibrierprogramm zu absolvieren, bei welchem die mit dem Prüf­ stand möglichen Messungen, z. B. Messungen mit translatorisch bewegtem Prüfkörper oder Messungen mit rotatorisch bewegten Prüfkörpern simuliert werden. Aus einer zwei- oder dreidimen­ sionalen Erfassung der Schwingungen, die gegebenenfalls auch an zwei Meßpunkten erfolgen kann, kann festgestellt werden, wie die einzelnen Bestandteile des Prüfstandes sich schwingungs­ technisch bei den entsprechenden Messungen verhalten.

Die Messung kann sich dabei auf den Basiskörper selbst be­ schränken, sie kann aber auch andere Schwingungen, z. B. die Schwingungen der Halteeinrichtungen eines der Prüfkörper, die Schwingungen beider Halteeinrichtungen oder auch die Schwingun­ gen der Prüfkörper ermitteln.

Als Ergebnis folgt dann eine Reihe von Messergebnissen, die mit der eindimensionalen Schwingungsmessung verglichen werden. Aus einem Vergleich der jeweiligen Schwingungsformen läßt sich dann feststellen, ob für diesen individuellen Prüfstand eine lineare Berücksichtung des Ergebnisses der eindimensionalen Schwin­ gungsmessung genügt, oder ob gegebenenfalls ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Bewegung des Basiskörpers einerseits und den gemessenen und bekannten Bewegungen der Prüfkörper ge­ geneinander und der Schwingungen gegeben ist.

Besteht ein solcher nicht-linearer Zusammenhang, so kann dieser bei der Auswertung der Messung berücksichtigt werden, indem ei­ ne oder mehere Korrekturfunktionen gebildet werden, in die die prüfstandssDezifischen Daten, die für den individuellen Prüf­ stand gelten und Daten des Prüfprogramms, wie Belastung, Bewe­ gungsfrequenz der Prüfkörper, Verschiebeweg der Prüfkörper etc., eingehen.

Alternativ dazu kann auch eine Wertetabelle in Form einer look- up-table abgespeichert werden, in der eine Vielzahl von diskre­ ten Werten für die Korrektur des Reibungsmeßergebnisses abge­ speichert werden, die in Abhängigkeit der jeweiligen Eingangs­ größen der Messung und gegebenenfalls auch der Ausgangsgrößen gestaltet ist.

Für die Meßwertauswertung selbst wird, unabhängig von der Art der Messung, vorzugsweise eine mikroprozessorgesteuerte Ein­ richtung verwendet, der alle Ausgangssignale der Meßeinrichtung zugeführt werden. Falls die Ausgangssignale der Meßwertauswer­ tung nicht unmittelbar dafür geeignet sind, einer Mikroprozes­ soreinrichtung zugeführt zu werden, kann eine Vorverarbeitung der Meßsignale, beispielsweise eine Verstärkung, Digitalisie­ rung etc. stattfinden.

Vorzugsweise ist die Mikroprozessoreinrichtung mit Ausgabegerä­ ten, wie einem Bildschirm und/oder einer Druckeinrichtung, z. B. einem Linienschreiber, einem Seitendrucker und derglei­ chen versehen, um die Meßwerte auszugeben.

Weiterhin weist die Mikroprozessoreinrichtung vorzugsweise eine Speichereinrichtung auf, um die Meßergebnisse und das Meßpro­ gramm abzuspeichern.

Die Mikroprozessoreinrichtung ist vorzugweise weiterhin so ge­ staltet, daß sie unmittelbar Befehle ausgeben kann, um den Be­ trieb des Prüfstandes selbst zu steuern. Dazu gehört die An­ steuerung der Bewegungseinrichtung, um die vorbestimmte Rela­ tivbewegung der Prüfkörper zueinander zu erzeugen, und eine An­ steuerung der Belastungseinrichtung, die vorzugsweise mecha­ nisch und/oder hydraulisch ausgeführt ist, um die Belastung einzustellen. Gegebenenfalls können in der Belastungseinrich­ tung und in der Antriebseinrichtung weitere Sensoren vorgesehen sein, durch die die Mikroprozessoreinrichtung prüfen kann, in­ wieweit voreingestellte Bewegungs- und Belastungswerte mit den tatsächlich erzielten Bewegungs- und Belastungswerten überein­ stimmen.

Vorzugsweise ist die Mikroprozessoreinrichtung mit einer Hand­ habungseinrichtung verbunden, welche es ermöglicht, automatisch einen Prüfkörper vom Prüfstand zu entnehmen bzw. auf den Prüf­ stand aufzulegen, um somit einen automatischen Prüfkörperwech­ sel durchzuführen. Wird eine Reibungsmessung mit Fremdstoffen, wie Schmierstoffen, Schneidflüssigkeiten etc. durchgeführt, kann/können zusätzlich eine oder mehrere Ausgabeeinrichtungen für derartige Stoffe von der Mikroprozessoreinrichtung gesteu­ ert werden.

Die vorstehend erörterte Meßeinrichtung ermöglicht es somit, je nach Ausbaugrad, eine vollständig automatisierte Messung von Kräften, und insbesondere von Reibkräften durchzuführen und da­ bei auch das Schwingungsverhalten des Prüfstandes selbst mit in das Meßergebnis einzubeziehen.

Die Reibungsmessung und/oder die Schwingungsmessung kann wei­ terhin dazu verwendet werden, eine unangemessen hohe Schwingung zu erfassen, die durch eine Oberflächenzerstörung der Prüfkör­ per bewirkt wird. Dadurch ist es möglich, den Prüfstand in die­ sen Fällen automatisch abzuschalten bzw. einen Wechsel der Prüfkörper zu veranlassen.

Soweit in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen von zwei Prüfkörpern die Rede ist, soll dies nicht nur in der Weise verstanden werden, daß lediglich ein Reibkontakt zwischen diesen beiden Prüfkörpern möglich ist. Es ist auch möglich und denkbar, die Prüfkörper derart zu gestalten, daß zwei, drei oder mehr Reibkontakte gleichzeitig möglich sind. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den einen oder den an­ deren Prüfkörper jeweils durch eine Mehrzahl von Prüfkörpern, z. B. zwei, drei, vier oder noch mehr Prüfkörpern zu ersetzen. So ist es z. B. im Rahmen der Erfindung möglich, die Prüfkörper so zu gestalten, daß eine Kugel eine Drehbewegung auf drei an­ deren Kugeln ausführt, eine Meßanordnung, die üblicherweise als Vier-Kugel-Apparat bezeichnet wird.

Weiterhin wird in der Beschreibung und den Ausführungsbeispie­ len die Erfindung in der Weise beschrieben, daß ein Prüfkörper festgehalten wird und ein anderer Prüfkörper relativ zu diesem bewegt wird. Es ist auch im Rahmen der Erfindung aber auch mög­ lich, daß beide oder gegebenenfalls mehr als zwei Prüfkörper relativ zueinander bewegt werden. In diesem Fall erfolgt die Messung der Reibkraft vorzugsweise derart, daß die zur Bewegung der einzelnen Prüfkörper erforderliche Kraft gemessen und aus einer Auswertung dieser Kraftmessung dann die tatsächliche Reibkraft bestimmt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen in schematisierter Weise:

Fig. 1. eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches zur Messung der Reibkraft bei translatorischer Bewegung vorgesehen ist;

Fig. 2 eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches für die Messung eines Reibmoments vorgesehen ist;

Fig. 4 eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Schemadarstellung einer Auswerteeinheit zur Aus­ wertung der Meßergebnisse.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung ein Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Reibkräften, wobei dieses Ausführungsbeispiel dafür vorge­ sehen ist, die Reibkraft zwischen zwei sich translatorisch zu­ einander bewegenden Prüfkörpern zu messen.

Die Prüfanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist auf eine Grundplatte 1 aufgebaut, die z. B. eine schwere Stahl­ platte, Steinplatte oder dergleichen sein kann.

Auf dieser Grundplatte 1 ist der Basiskörper 2 angeordnet, der vorzugsweise eine möglichst hohe Masse haben soll. Der Basis­ körper ist z. B. aus Stahl, aus einer sonstigen Eisen enthal­ tenden Legierung, aus einer kein Eisen enthaltenden Metallegie­ rung oder aus Stein oder dergleichen gefertigt. Es ist eben­ falls möglich, den Basiskörper aus mehreren Materialien hetero­ gen zusammenzusetzen.

Der Basiskörper ist, was durch die gestrichelt dargestellten Schrauben 3a, 3b angedeutet ist, mit der Grundplatte ver­ schraubt.

An der Oberseite des Basiskörpers ist mittels einer Klemm­ schraube 5 eine Kopfplatte 7 zur Aufnahme eines Prüfkörpers be­ festigt. Zwischen der Kopfplatte 7 und dem Basiskörper befindet sich ein Sensor 8, welcher durch eine nur schematisch angedeu­ tete Leitung 9 mit der Meßwertverarbeitungseinrichtung (in Fig. 1 nicht gezeigt) verbunden ist.

Ein erster oder unterer Prüfkörper 10 steht mit einem zweiten oder oberen Prüfkörper 11 im Kontakt.

Dabei wird der untere Prüfkörper 10 durch die Kopfplatte 7 und eine Klemmschraube 12 in seiner Position gehalten.

Der Prüfkörper 11, im vorliegenden Fall als Kugel oder Zylinder dargestellt, ist durch eine (nicht dargestellte) Antriebsein­ richtung in Richtung der Pfeile 15a, 15b bewegbar und wird durch eine (nicht dargestellte) Belastungseinrichtung in Rich­ tung des Pfeiles 16 belastet.

An einer Seitenwand des Basiskörpers 2 ist ein Schwingungssen­ sor 18 angeordnet, der über eine Leitung 19 mit der (nicht dar­ gestellten) Meßwertverarbeitungseinrichtung verbunden ist.

Im folgenden wird die Funktion dieses Ausführungsbeispiels er­ läutert:
Die Kopfplatte 7 ist derart über die Klemmschraube 5 und den Sensor 8 mit dem Grundkörper 2 verbunden, daß eine in Richtung der Pfeile 15a, 15b wirkende Kraft durch den Kraftsensor 8 auf­ genommen wird.

Während des Meßbetriebes wird der Meßkörper 11 unter Wirkung einer Normalkraft in Richtung der Pfeile 15a, 15b bewegt. Dabei entsteht zwischen dem ersten Prüfkörper 10 und dem zweiten Prüfkörper 11 eine Reibkraft, deren Wirkrichtung parallel zur Richtung der Pfeile 15a, 15b und der Bewegungsrichtung jeweils entgegengesetzt ist.

Diese Reibkraft wird durch den Sensor 8 aufgenommen und der entsprechende Meßwert an die Meßwertverarbeitungseinrichtung geleitet.

Gleichzeitig wird durch den zweiten Sensor 18 die Bewegung des Basiskörpers erfaßt und ebenfalls der Meßwertverarbeitungsein­ richtung zugeleitet.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist insbesondere dafür vorgesehen, die Gleitreibung oder, bei ent­ sprechender Bewegungssteuerung auch die Haft-Gleitreibung zwi­ schen zwei Prüfkörpern zu messen. Das Ausführungsbeispiel kann aber auch in gleicher Weise so gestaltet werden, daß sich der obere Prüfkörper 11 rollend auf dem unteren Prüfkörper 10 be­ wegt, so daß die Rollreibung gemessen wird. Dies kann wiederum durch verschieden geformte Prüfkörper, B. Kugel, Zylinder, tonnenförmigen Prüfkörper, geschehen, so daß unterschiedliche Formen vermessen werden können.

Der obere Prüfkörper kann auch eine sphärische Fläche sein, die mit einem entsprechendem Mechanismus auf dem unteren Prüfkörper hin- und hergehend abgewälzt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 wird nun ein zweites Aus­ führungsbeispiel der Erfindung beschrieben, welches für die Messung einer rotierenden Relativbewegung vorgesehen ist.

Der Einfachheit halber werden hier für gleiche oder ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie bei den Fig. 1 und 2.

Auch hier wird ein Basiskörper 2 verwendet, der mit Schrau­ ben 3a, 3b mit einer Grundplatte 1 verbunden.

An einem Aufnahmeblock 30 ist ein drehbarer Teller 31 befe­ stigt, in den ein scheibenartiger Prüfkörper eingelegt ist. Auch hier ist ein Sensor 18 vorgesehen, der die Schwingungen des Basiskörpers mißt.

Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels ist wie folgt:

Der Drehteller 31 wird durch eine (nicht gezeigte) Antriebsein­ richtung in Rotation versetzt. Dabei kann die Rotation gleich­ förmig sein, es kann aber auch eine hin- und hergehende, d. h. schwingende Drehbewegung sein.

In den Drehteller wird eine Prüfscheibe eingelegt, die drehfest mit dem Drehteller verbunden ist.

Auf die Prüfscheibe wird, in gleicher Weise wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1, ein Prüfkörper, z. B. eine Kugel, ein Zylinder mit seiner Stirnfläche, ein Zylinder mit seiner Mantelfläche oder dergleichen gedrückt und dadurch eine Reibung zwischen den beiden Prüfkörpern bewirkt. Das entstehende Reib­ moment wird durch (einen nicht dargestellten) Kraftsensor ge­ messen und der Auswerteeeinheit zugeführt.

Die Belastungseinrichtung ist so gestaltet, daß der oberer Prüfkörper auf verschiedenen Radien der Prüfscheibe aufgesetzt werden kann. Dadurch können die Relatativbewegungen zwischen dem Prüfkörper und der Prüfscheibe verändert werden. Wird der obere Prüfkörper genau in der Mitte, d. h. in der Rotati­ onsachse der Scheibe aufgesetzt, kann eine reine Bohrreibung gemessen werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 wird nun ein Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Meßwertverarbeitungseinrichtung er­ läutert.

Die Meßwertverarbeitungseinrichtung besteht aus einem Mikropro­ zessor 50, der einen Speicher 51 aufweist und mit Ein- /Ausgabeeinrichtungen 53 verbunden ist.

Diese Ein-/Ausgabeeinrichtungen können z. B. ein Monitor sein, eine Tastatur, eine Maus, ein Drucker und dergleichen.

Die Mikroprozessoreinrichtung ist mit einem ersten Sensor 55, einem zweiten Sensor 56 und einem dritten Sensor 57 verbunden.

Weiterhin ist die Mikroprozessoreinrichtung mit einer Warnein­ richtung verbunden, die schematisch als Lampe 60 dargestellt ist.

Zunächst wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Sensor 55 und die Warneinrichtung 60 entfällt.

Bei diesem ersten (und einfachsten) Ausführungsbeispiel stellt Sensor 56 den Reibkraftsensor gemäß Bezugszeichen 8 in Fig. 1 und Sensor 57 den Schwingungssensor 18 dar.

Die beiden Sensoren sind (schematisch) mit dem Mikroprozes­ sor 50 verbunden, wobei, soweit erforderlich, Signalverarbei­ tungseinrichtungen zwischengeschaltet sind, in denen ein analo­ ges Signal verstärkt und digitalisiert wird.

Der Mikroprozessor 50 wird durch ein Programm gesteuert, wel­ ches im Speicher 51 abgelegt ist.

Während der Messung werden dem Mikroprozessor 50 die Meßsignale der Sensoren 56 und 57 zugeführt. Dabei entspricht das Sensor­ signal 56 einer bestimmten Reibkraft, während das Sensorsi­ gnal 57 einem bestimmten Bewegungsimpuls entspricht. Diese Be­ wegungen entstehen durch die Schwingungen, welche durch die hin- und hergehende Bewegung des oberen Prüfkörpers auf dem un­ teren Prüfkörper hervorgerufen werden. Wird, wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel 1 und 2, die Reibkraft in horizontaler Richtung gemessen, ist für die Auswertung des Ergebnisses des Sensors 57 die horizontale Wegkomponente maßgebend. Diese Wegkomponente wird der bekannten Wegänderung des oberen Prüfkörpers in bezug auf den unteren Prüfkörper überlagert und daraus eine Korrektur des Reibkraftsignals abgeleitet.

Bei einem zweitem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Sen­ sor 55 vorgesehen, der die Bewegung des oberen Prüfkörpers 11 mißt. Durch dieses Signal ist es dann möglich, unmittelbar ein Summensignal aus der Bewegung des oberen Prüfkörpers 55 und aus der durch die Schwingung hervorgerufenen zusätzlichen Bewegun­ gen des Basiskörpers und damit des unteren Prüfkörpers zu er­ mitteln und nach einer vorgegebenen Korrekturfunktion in der Messung zu berücksichtigen.

Die Sensoren 56 und 57 können, wie in der allgemeinen Beschrei­ bung dargelegt, auch zweidimensional gestaltet sein, d. h. die Schwingungsbewegung in x-Richtung (parallel zur Bewegungsrich­ tung in horizontal gemäß den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 3, sowie in y-Richtung (horizontal und senkrecht zur x- Richtung) gemessen.

Dadurch kann die zusätzliche Komponente in y-Richtung, die durch eine mögliche Schwingung des Basiskörpers hervorgerufen wird, erfaßt und bei der Rechnung ebenfalls berücksichtigt wer­ den.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel stehen die Sensoren 56 und 57 jeweils für zwei 2-dimensional messende Sensoren, die die Schwingungen des Basiskörpers nach den Fig. 1 bis 4 in x-Richtung und y-Richtung (gemäß vorstehender Definition) mes­ sen. Dabei sind die 2-dimensionalen Sensoreinreichtungen 56, 57 voneinander beabstandet angeordnet. Durch die Auswertung der Bewegungssignale in der Mikroprozessoreinrichtung 50 kann dar­ aus die Gesamtbewegung des Basiskörpers abgeleitet werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Sensoren 55 und 56 dazu verwendet, um die Bewegung des Basiskörpers an zwei Punkten in drei Dimensionen, d. h. in x- und y-Richtung gemäß vorstehender Definition und in einer z-Richtung, senkrecht zur x- und y-Ebene gemessen. Aus einer solchen Messung kann dann die Gesamtbewegung des Basiskörpers abgeleitet werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die mit den vorste­ henden Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird mit einem Sensor 55 die Belastungskraft, mit dem Sensor 56 die Reibkraft und mit dem Sensor 57 die Bewegung des Basiskörpers jeweils (eindimensional, 2-dimensional oder 3-dimensional) an einem oder zwei Punkten) gemessen.

Aus einer solchen Messung ist abzuleiten, welchen Einfluß die Schwingungen der Prüfeinrichtung und insbesondere die Schwin­ gung des Basiskörpers auf die jeweilige Belastung haben. Auch in diesem Fall kann man die Reibkraft in Bezug auf die tatsäch­ liche Bewegung der beiden Prüfkörper und die tatsächliche Bela­ stung ermitteln.

Die Meßergebnisse werden über die Ausgabeeinrichtung 53 darge­ stellt. Dabei kann je nach Meßanforderung ein Mittelwert der Reibung ausgegeben werden oder aber Momentanwerte, z. B. in vorbestimmten Zeitabständen ermittelt und ausgedruckt werden. Dabei ist es möglich, zwischen zwei zeitlichen Meßabständen ei­ ne Mittelwertbildung, beispielsweise durch eine Integration über mehrere Zwischenmeßpunkte oder dergleichen durchzuführen, so daß eine numerische Filterung des Meßergebnisses entsteht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen der Kraft und insbesondere zur Mes­ sung der Reibung, welche bei der Relativbewegung von we­ nigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Prüf­ körper gegeneinander hervorgerufen wird, mit
einer Belastungseinrichtung zum Aufbringen einer Normal­ kraft auf diesen ersten und/oder diesen zweiten und/oder gegebenenfalls weitere Prüfkörper,
Halteeinrichtungen zum Halten dieser Prüfkörper,
einer Bewegungseinrichtung, zur Erzeugung einer Relativbe­ wegung der Prüfkörper gegeneinander,
einer ersten Sensoreinrichtung, welche Signale ausgibt, welche für die zum Halten und/oder Bewegen der Prüfkörper erforderlichen Kraft repräsentativ sind,
einem Basiskörper, welcher diese Halteeinrichtungen ab­ stützt,
wobei weiterhin eine zweite Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die Signale ausgibt, welche ein Maß für die Bewegung dieses Basiskörpers ist, und
eine Meßwertverarbeitungseinrichtung, welche aus diesen Signalen dieser ersten Sensoreinrichtung und diesen Signa­ len dieser zweiten Sensoreinrichtung ein Meßergebnis er­ mittelt, welches den Einfluß der Bewegungen dieses Basis­ körpers bei der Bestimmung der Kraft bzw. der Reibung be­ rücksichtigt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Sensoreinrichtung einen ersten Sensor auf­ weist, der in einer ersten Richtung (x-Richtung) mißt, so­ wie einen zweiten Sensor, der in einer dazu senkrechten Richtung (y-Richtung) mißt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Sensoreinrichtung einen dritten Sensor aufweist, welcher in einer dritten Richtung (z-Richtung) senkrecht zur ersten und zweiten Richtung mißt.

4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Sensoreinrichtung eine erste Sensorgruppe aufweist, welche an einem ersten Punkt oder Bereich des Basiskörpers mißt, sowie eine zwei­ te Sensorgruppe, welche an einem zweiten Punkt oder Be­ reich des Basiskörpers mißt, der von diesem ersten Punkt oder Bereich beabstandet ist.

5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dritte und ge­ gebenenfalls eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen sind, welche die Belastung und/oder die Bewegung des er­ sten und/oder zweiten und/oder jedes weiteren Prüfkörpers mißt.

6. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen diesem ersten Prüfkörper und diesem zweiten Prüfkörper ein Bewegungsablauf ist, der aus einer Gruppe von Bewegungsab­ läufen ausgewählt ist, welche eine reine Translationsbewe­ gung, eine reine Rotationsbewegung, eine reine Abrollbewe­ gung, eine gemischte Roll-Gleit-Bewegung (Wälzbewegung), eine gemischte Rotations- und Translationsbewegung umfaßt.

7. Verfahren zur Messung einer Kraft, und insbesondere zur Messung der Reibung zwischen einem ersten Prüfkörper und einem zweiten Prüfkörper und/oder weiteren Prüfkörpern mit folgenden Verfahrensschritten:
Aufbringen einer Belastung auf diese Prüfkörper, durch welche diese Prüfkörper gegeneinander gedrückt werden, wo­ bei diese Prüfkörper von einem gemeinsamen Basiskörper ab­ gestützt werden;
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen diesen Prüfkörpern mittels einer Antriebseinrichtung;
Messen der Kraft, welche erforderlich ist, um die Prüfkör­ per gegeneinander zu bewegen;
Messung der Eigenschwingungen des Basiskörpers;
Zuführung der Meßergebnisse der Kraftmessung und der Schwingungsmessung zu einer Meßwert-Verarbeitungseinrich­ tung;
Auswerten der Meßwerte der Reibungsmessung unter Berück­ sichtigung des Ergebnisses der Schwingungsmessung;
Ausgabe des Meßergebnisses.