DE2222739A1

DE2222739A1 - Kraft-Messwertwandler

Info

Publication number: DE2222739A1
Application number: DE19722222739
Authority: DE
Inventors: Oliver Kenneth Lee
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1971-05-10
Filing date: 1972-05-09
Publication date: 1972-11-16
Also published as: JPS5610239B1; IT957769B; US3729990A; CA959814A; FR2139352A5

Description

Kraft-Meßwertwandler

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kraft-Meßwertwandler und Kraft-Meßdosen, die derartige Meßwertwandler einschließen und die zur Messung von auf den Steuerknüppel eines Luftfahrzeuges ausgeübten Kräften geeignet sind«

Es sind bereits Kraft-Meßdosen bekannt, die insbesondere zur Messung von durch einen Piloten auf den Steuerknüppel eines Luftfahrzeuges ausgeübten Kräften geeignet sind. Aus der U.S.-Patentschrift 5 447 766 ist beispielsweise eine Kraftsensoranordnung für einen Steuerknüppel bekannt, die eine Kraft-Meßdose mit orthogonalen Federelementen verwendet, die in Abhängigkeit von den vom Piloten auf den Steuerknüppel ausgeübten Steuerkräften ausgelenkt werden. Halbleiter-Dehnungsmeßeinrichtungen, die auf den Federelementen befestigt sind, liefern elektrische Ausgangssignale, die der Biegung der Federelemente entsprechen. Obwohl die Kraft-Meßdosen derartiger bekannter Steuerknüppel einen bedeutenden technischen Fortschritt darstellen, weisen sie Eigensctiaffeea auf, die ihre Brauchbarkeit begrenzen.

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Beispielsweise begrenzt die durch die Verbindungen in der Anordnung hervorgerufene Hysterese die minimale Kraft, die genau gemessen werden kann» Weiterhin ergibt sich eine gewisse Niohtlinearität, wenn geringe Kräfte auftreten. Somit können kleine, lediglich durch das Gewicht der Hand des Piloten versehentlich auf den Steuerknüppel ausgeübte Kräfte ein ausreichendes elektrisches Ausgangssignal erzeugen, um unter derartigen Umständen Fehler hervorzurufen.

Brfindungsgemäß wird ein elektrischer Kraft-Meßwertwandler für einen Steuerknüppel mit einem Handgriffteil und einem Steuerknüppelteil geschaffen, der erste elastische Elemente, die lediglich in Abhängigkeit von auf den Handgriff in einer ersten Richtung ausgeübten Scherkräften ablenkbar sind, zweite elastische Elemente, die lediglich in Abhängigkeit von in einer unter reohten Winkeln zur ersten Richtung stehenden Richtung ausgeübten Scherkräften ablenkbar sind und erste und zweite elektrische Meßeinrichtungen umfaßt, die einzeln auf Ablenkungen der ersten bzw, zweiten elastischen Elemente ansprechen, und der dadurch gekennzeichnet 1st, daß er elektrische Meßelemente in Form von freitragenden Stäben aufweist, die so angeordnet sind, daß sie lediglich in der Richtung biegsam sind, in der εIch die entsprechenden elastischen Elemente biegen können, wobei die freitragenden Stäbe durch Joehelementö betätigbar sind, die so eingestellt sind, daß sie die freitragenden Stäbe erst dann auslenken, wenn die entsprechenden elastischen Elemente über einen vorgegebenen Totbereich ausgelenkt worden sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eirc'3 in der Zeichnung dargestellten Ausfülirungsbeispiels noeii näher erläutert«

In der Zeichnung zeigen?

Fig. 1 eine Darstellung eines Kraftsensors von der bei dem Kraft-Meßwertvrandler verwendeten Art;

Fig. 2 eine teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht eines Steuerknüppels eines Luftfahrzeuges» der eine den Kraft-Meßwertwandler einschließende Kraft-Meßdose aufweist;

Fig· 3 eine isometrische Darstellung der Kraft-Meßdose·

In dem deutschen Patent .·· (deutsche Patentanmeldung P 22 05 378.7) der gleichen Anmelderin ist eine Kraftsensoranordnung der in Fig. 1 gezeigten Art beschrieben, bei der ein Joohteil 11 einen flachen freitragenden Laststab 13 betätigt. Eine Dehnungemeßeinrichtung 15 mißt Ablenkungen des Laststabes 13 und liefert elektrische Ausgangesignale an zwei Leitungen 17· Das Jochelement 11 ist in bezug auf den freitragenden Stab 13 in der durch die Pfeile in Flg. 1 gezeigten Richtung beweglich. Das Jochteil 11 weist zwei Einstellschrauben 19 und 21 auf, die ein kugelförmiges Element 23 in dem freien Ende des freitragenden Stabes 13 betätigen. Die Einstellschrauben 19 und können so voreingestellt werden, daß sie einen gewünschten Totbereioh ergeben. Somit kann das Jochteil 11, das über das freie Ende des freitragenden Stabes 13 gespreizt 1st, sich über einen vorgegebenen Weg bewegen, bevor der freitragende Stab 13 ausgelenkt wird,

Fig. 2 zeigt einen Steuerknüppel 25, der eine erfindungsgeraäß aufgebaute Kraft-Meßdose 27 verwendet. Die Kraft-Meßdose 27 weist eine erste Anordnung von freitragoiden Laststäben 31 auf, die auf über einen Handgriff 29 auf den Steuerknüppel ausgeübte Querneigungskräfte ansprechen. Die freitragenden Laststäbe sind auf einer mittleren ebenen Flatte 33 gehaltert und werden durch Jochteile 35 betätigt, die auf einer oberen

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ebenen Platte 37 gehaltert sind. Die mittlere ebene Platte und die obere ebene Platte 37 sind über Feder-Biegungselemente 39 mechanisch verbunden. Sowohl die freitragenden Laststäbe als auch die Peder-Biegungselemente 39 bestehen im wesentlichen aus flachen streifenförmigen elastischen Elementen, die einen langgestreckten rechteckigen Querschnitt aufweisen» wobei die kUrzere Querschnittsabmessung parallel zur Ebene der Zeichnung liegt. Somit stellen die Laststäbe 33 und die Elemente 39 eine obere Anordnung dar, die auf in der Ebene der Zeichnung ausgeübte Querneigungskräfte anspricht, die Jedoch im wesentlichen gegen Längsneigungskräfte, die in einer zur Ebene der Zeichnung senkrechten Ebene ausgeübt werden, unempfindlich ist.

Eine untere Basisplatte 43 der Kraft-Meßdose 27 ist an dem Gehäuse des Steuerknüppels 25 befestigt. Die mittlere ebene Platte 33 ist mit der Basisplatte 43 über eine zweite Anordnung von freitragenden Laststäben und Feder-Biegungselementen mechanisch verbunden. Die Elemente in der letzteren Anordnung sind Jedoch so angeordnet, daß ihre längeren Querschnittsabmessungen in Ebenen liegen, die parallel zur Ebene der Zeichnung verlaufen. Somit spricht die untere Anordnung von Elementen lediglich auf Längsneigungskräfte an, die auf den Steuerknüppel 25 ausgeübt werden.

In der Praxis sind die Laststäbe so hergestellt, daß sie wesentlich nachgiebiger sind, als die Biegungselemente, so daß die Biegungselemente den größten Teil der ausgeübten Kräfte aufnehmen. In ihrer derzeit bevorzugten Form -sind die Biegungselemente und die Laststäbe mit rechteckigen Querschnitten ausgeführt, deren eine Abmessung relativ breit und deren andere Seitenabmessung relativ klein ist, so daß das Element in einer Richtung leicht gebogen werden kann.

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jedoch in der hierzu rechtwinkligen Richtung eine erhebliche Steifigkeit aufweist. Es können jedoch äquivalente Anordnungen verwendet werden, wenn dies gewünscht 1st.

Die Anordnung der verschiedenen Bauteile ist unter Bezugnahme auf die in Flg. 3 gezeigte isometrische Darstellung der Kraft-Meßdose zu erkennen, in der die Richtungen der Querneigungs- und Längsneigungskräfte durch orthogonale Pfeile angedeutet sind. Die obere oder Querneigungsplatte 37 haltert die Jochteile 35 und die Biegungselemente 39» Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, haltert die mittlere oder Längsneigungsplatte 33 die freitragenden Laststäbe 31. Die freitragenden Laststäbe 31 sind auf der Platte 33 derart befestigt, daß die Dehnungsmeßabsohnitte 45 auf der Platte 33 befestigt sind. Diese obere Anordnung der Elemente besteht aus vier freitragenden Laststäben 31 und vier Feder-Biegungselementen 39* Es 1st zu erkennen, dafl die obere Anordnung von Elementen im wesentlichen gegen Längsneigungskräfte unempfindlich ist und lediglich auf Quernelgungskräfte anspricht.

Die Basisplatte 43 haltert vier freitragende Laststäbe 47, die mit an der Platte 33 befestigten Jochteilen 41 zusammenwirken. Die Basisplatte 43 ist über vier Feder-Biegungselemente 49 mit der mittleren oder Längsneigungsplatte 33 verbunden· Die längere Querschnittsabmessung jedes Elementes in der unteren Anordnung 1st in einer Ebene ausgerichtet, die parallel zur Ebene der Querneigungskräfte und somit orthogonal zu den längeren Querschnittsabmessungen der Elemente in der oberen Anordnung verläuft. Somit sprechen die Elemente in der unteren Anordnung lediglich auf In der Längsneigungsebene ausgeübte Kräfte an· Die Laststäbe 4? sind derart an der Platte 43 befestigt, daß die Dehnungsmeßabschnitte 50 auf der Platte 43 befestigt sind.

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Aufgrund der orthgonalen Ausrichtung der beiden Anordnungen treten im wesentlichen keine Kreuzkopplungen zwischen den Elementen in den zwei Anordnungen auf, wenn die auf den Handgriff 29 ausgeübten Kräfte vollständig in der Quernelgungs- oder Längsneigungsebene liegen. Jedoch rufen auf den Handgriff 29 in Richtungen ausgeübte Kräfte, die zwischen den Quernelgungs- und Längsneigungsebenen liegen, Ablenkungen in den Feder-Biegungselementen 39 und 49 hervor und erzeugen somit elektrische Ausgangsspannungen, die den Quadraturkomponenten der in diesen mittleren Richtungen ausgeübten Kräften äquivalent sind.

Aufgrund der Art der freitragenden, in der Kraft-Meßdose verwendeten Laststäbe werden elektrische Ausgangssignale lediglich dann von der Kraft-Meßdose 27 erzeugt, nachdem eine gewisse Schwellwertkraft überschritten ist. Somit beeinflussen kleine, versehentlich von dem Piloten auf den Handgriff 29 ausgeübte Kräfte die Kraft-Meßdose 27 nicht.

Einstellbar© Anschlagelemente, wie z.B. die Schrauben 51 und 53 (Fig. k) können in der SteuerknUppelbefestigung eingesetzt sein, so daß die Relativbewegung zwischen den Quernelgungs- oder Längsneigungsplatten 33, 37 und der Basisplatte 43 begrenzt werden kann. Somit körnen die oberen und unteren Begrenzungen, denen die freitragenden Laststäbe 31 und 47 ausgesetzt sind, derart eingestellt werden, daß die Dehnungsmeßeinrichtungen lediglich in ihren mittleren oder linearen Bereichen arbeiten.

Obwohl die in Fig» 3 dargestellte Kraft-Meßdose eine Anzahl von vier Meßelementen und vier Feder-Biegungselementen in jeder Anordnung aufweist, ist es verständlich, daß irgendeine praktische Anzahl von Elementen verwendet werden kann. Im

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Pall eines Ausfalls eines Elementes kann die Kraft-Meßdose in einfacher Welse zerlegt werden, um so das fehlerhafte Element zu ersetzen. Weiterhin können aufgrund der Art der freitragenden Laststäbe die einzelnen Elemente vor ihrer Befestigung in dem Steuerknüppel geeicht werden, was die Wartung und Reparatur erleichtert*

Patentansprüche ι

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Claims

Patentansprüche

1. ) Kraft-Meßwertwandler für einen Steuerknüppel

t einem Handgriffteil und einem Steuerknüppelteil, wobei der Kraft-Meßwertwandler erste elastische Elemente, die lediglich in Abhängigkeit von auf den Handgriff in einer ersten Richtung ausgeübten Scherkräften ablenkbar sind, zweite elastische Elemente, die lediglich in Abhängigkeit von in einer unter rechten Winkeln zur ersten Richtung stehenden Riohtung ausgeübten Scherkräften ablenkbar sind, und erste und zweite elektrische Meßeinrichtungen umfaßt, die einzeln auf Ablenkungen der ersten bzw. zweiten elastischen Elemente ansprechen, gekennzeichnet durch elektrische Meßelemente in Form von freitragenden Stäben (^1, 47), die so angeordnet sind, daß sie lediglich in der Riohtung biegsam sind, in der die entsprechenden elastischen Elemente (39, 49) biegsam sind, wobei die freitragenden Stäbe (31* 47) durch Jochelemente (35* 4l) betätigbar sind, die derart eingestellt sind, daß die freitragenden Stäbe (31, 47) erst dann ausgelenkt werden, wenn die entsprechenden elastischen Elemente (39, 49) über einen vorgegebenen Totbereich ausgelenkt worden sind·

2. Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine obere, an dem Handgriff teil (29) befestigte Platte (37)» eine an dem Steuerkntippelteil (25) befestigte Bodenplatte (43) und eine mittlere Platte (33), die zwischen der oberen Platte (37) und der unteren Platte (43) angeordnet ist, wobei die obere Platte (37) und die mittlere Platte (33) über die ersten

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elastischen Elemente (39) und die Mittlere Platte (33) und die untere Platte (43}) über die zweiten elastischen Elemente (49) Mechanisch miteinander verbunden sind, und wobei die freitragenden Stab· (31, 47) der ersten und zweiten elektrischen Meieleaente einzeln lösbar auf der mittleren Platte (33) bzw. der unteren Platte (43) befestigt sind·

3· . Kraft-Msldose für einen Steuerknüppel eines Fahrzeuges unter Verwendung von Kraf t-Mefiwertwandlern nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine erste Anordnung von langgestreckten elastischen, quer zwischen zwei parallelen ebenen Platten (37» 33) angeordneten Elementen (39)« die derart aufgebaut sind, daß sie in einer ersten seitlichen Richtung einfach biegsam, jedoch in einer zu dieser ersten Richtung unter rechten Winkeln stehenden seitlichen Richtung erheblich steif sind und die so ausgerichtet sind, daß die ersten Richtungen alle in parallelen Platten liegen, wobei die Anordnung der elastiechen Elemente Feder-Biegungeelemente (39) und freitragende LaststKbe (31) umfaßt und wobei jedes Biegungselement (39) mit seinen Enden starr an den parallelen Platten (37, 33) und jeder freitragende Stab (31) mit seinem Grundflächenende (45) starr an einer der ebenen Platten (33)- befestigt ist und mit seinem freien Ende in der Nähe der anderen der ebenen Platte (37) endet, ein jedem Laststab (3I) entsprechendes Joohteil (35)« das auf der anderen ebenen Platte (37) gehaltert und derart angeordnet 1st, daß es das freie Ende des zugehörigen Laststabes überspreizt, wobei das Joohteil (35) derart eingestellt ist, daß es den zugehörigen Laststab (31) erst nach Auslenkung der Biegungselemente (39) über einen vorgegebenen Bereich zur Bildung eines festgelegten Totbereiche berührt, eine elektrische Dehnungsmeßeinrlehtung In jedem Laststab (31) zur Lieferung eines elektrischen, die Grüße einer Auslenkung

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d«8 Laetstabes (31) anzeigenden Signals« eine zweite Anordnung van elastischen« quer zwischen der einen oder der anderen der ebenen Platten (37« 33) angeordneten Sienenten (49) und eine dritte parallele ebene Platte (43)« wobei die sweite Anordnung »1t der ersten Anordnung identisch aufgebaut 1st» Jeodoh so ausgerichtet 1st, daß sie lediglich In Abhtngigkeit von seitlichen Kräften unter rechten Winkeln zur ersten Richtung biegsam ist.

4. Kraft-Nefidose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Luftfahrzeug ist und die zu messenden KrHfte die von dem Piloten auf den Steuerknüppel-Handgriff (29) ausgeübten Querneigungs- und LMngenelgungskrKfte sind, wobei die erste Anordnung so ausgerichtet ist« daJ die erste seitliche Richtung parallel zur Querachse des zu steuernden Luftfahrzeuges liegt.

5« Kraft-Meidose nach Anspruch 4, dadurch g e -kennzeichnet« dad jedes der elastischen Elemente (39* 49) ein langgestrecktes Element mit einem rechteckigen Querschnitt 1st« der so bemessen 1st, dafl er eine relativ breite und eine schmale Abmessung aufweist, und daß die elastischen Elemente (39) der ersten Anordnung so ausgerichtet sind, daß ihre breiten Abmessungen parallel zur Längsachse des zu steuernden Luftfahrzeuges liegen*

6. Kraft-Meßdose nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet« daß die dritte ebene Platte (43) in dem Steuerknüppel (25) befestigbar ist und daß die andere ebene Platte (37) an dem Handgriff (29) befestigbar ist.

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7. Kraft-Meßdos β naoh einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch g e k e η η ze lohne t .,. daß die freitragenden Laststäbe (31, 47) nachgiebiger sind als die Feder-Biegungselemente (39, 49), derart, daß Ablenkkräfte in der Hauptsache von den Feder-Biegungselementen (39, 49) aufgenommen werden.

8. Kraft-Meßdose nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichne t durch einstellbare Anschlagelemente (5I, 53) zur Begrenzung der maximalen Bewegung der dritten ebenen Platte (43) in bezug auf die andere ebene Platte (37).

9· Kraft-Meßdose naoh einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochteile (35« 4l) Einstelleinrichtungen zur Änderung des Totbereichs der einzelnen Laststäbe (31, 47) einschließen.

10. Kraft-Meßdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung von auf den Handgriff eines Steuerknüppels eines Luftfahrzeuges ausgeübten Querneigungs- und Längsneigungs-Scherkräften, gekennze 1 chnet durch eine ebene Basisplatte (43) zur Befestigung der Kraft-Meßdose (27) an dem Steuerknüppel (25), eine mittlere ebene, in einer zur Ebene der Basisplatte (43) parallelen und über dieser liegenden Ebene liegenden Platte (33)* die über eine erste Anordnung von elastischen Elementen (49) mechanisch mit der Basisplatte (43) verbunden ist, wobei die erste Anordnung von elastischen Elementen (49) eine Anzahl von Feder-Biegungs-θlementen (49), die in Abhängigkeit von auf den Handgriff (29) in einer ersten Richtung ausgeübten Scherkräften biegsam, Jedooh in Abhängigkeit von auf den Handgriff (29) in einer

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zur ersten Richtung senkrechten Richtung ausgeübten Scherkräften starr sind, sowie eine Anzahl von freitragenden Last-Btäben (47) einschließt, die auf sich aus Biegungen der Feder-Biegungselemente (49) ergebende Relativbewegungen der mittleren Platte (33) und der Basisplatte (43) ansprechen und die jeweils eine elektrische Dehnungsmeßeinriohtung (30) zur Erzeugung eines In dem Laststah (47) hervorgerufene Ablenkungen anzeigenden elektrischen Signals einschließen» eine ebene obere Platte (57) zur Befestigung der Kraft-Meßdose (27) an dem Handgriff (29), wobei die obere Platte (37) in einer zur mittleren Platte (33) parallelen und darUberliegenden Ebene angeordnet und über eine zweite Anordnung von elastischen Elementen (39) mechanisch mit der mittleren Platte (33) gekoppelt ist und wobei die zweite Anordnung identisch zur ersten Anordnung aufgebaut« jedoch orthogonal in bezug auf die erste Anordnung derart ausgerichtet 1st« daß sie in Abhängigkeit von orthogonal zur ersten Richtung ausgeübten Scherkräften biegsam und starr in bezug auf in der ersten Richtung ausgeübte Kräfte ist.

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