DE2349662B2

DE2349662B2 - Vorrichtung zum Messen von Kräften an einem Steuerstab

Info

Publication number: DE2349662B2
Application number: DE2349662A
Authority: DE
Inventors: Holger Goeteborg Strand (Schweden)
Original assignee: Saab Scania AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1972-10-18
Filing date: 1973-10-03
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2209099A1; GB1408351A; CA976633A; US3832895A; JPS49100798A; SE368369B; DE2349662A1; IT994830B; NL7313397A; DE2349662C3; CH561130A5; AU6149673A; FR2209099B1

Description

sich in zwei Betätigungskraftkomponenten S_Y und S₂ unterteilen, die in der gleichen Ebene senkrecht aufeinander stehen. Im unteren Teil verläuft der Steuerstab frei durch eine Bohrung 4 in einem Sockel S. Zum Sockel 5 gehören zwei mit Abstand parallel zueinander und parallel zur Bezugsebene 3 angeordnete Platten 6,7, zwischen denen ein zylindrischer Flansch 8 liegt, der mit dem unteren Ende des Steuei Stabes I verbunden ist. Zur Lagerung des Steuerstabes 1 dienen ZVM Kugellagerringe 9, 10, die dem Stab die Möglichkeit geben, sich innerhalb der Ausnehmung 4 parallel zur Bezugsebene 3 zu bewegen.

Unmittelbar über dem Sockel S befindet sich am Steuerstab 1 ein Hebelarm 11, der bei unbelastetem Steuerstab 1 so liegt, daß er sich parallel zur Bezugsebene 3 in einer ersten Ebene 12 erstreckt, die durch den Steuerstab 1 hindurchgeht und auch die Betätigungskraftkomponente S_Y enthält. Das andere Ende des Hebelarmes trägt eine flexibel verformbare Feder. Bei dieser Feder handelt es sich um einen planen länglichen Streifen 13, dessen Breite der Höhe des Hebelarmes 11 entspricht. Der Federstreifen 13 ist so ausgerichtet, da3 er in einer zweiten Ebene 14 liegt, die sich parallel zum Steuerstab erstreckt und auch die zweite Betätigungskraftkomponente S₁ enthält. Der Federstreifen 13 ist in der Mitte an der vom Steuerstab abgelegenen Seite fest mit dem Ende IS des Hebelarmes 11 verbunden. Der Federstreifen ist hier mit zwei Achszapfen Ib, 17 versehen, die am Schnittpunkt der Ebenen 12 und 14 nach oben und unten zeigen und symmetrisch zum Federstreifen jeweils ein Kugellager 18 tragen. Der äußere Laufring des Kugellagers liegt beweglich in einer Rinne 19, die sich parallel zur ersten Ebene 12 erstreckt und am Sockel 5 angebracht ist. Der Federstreifen ist ferner an seinen Enden mit Achszapfen 20, 21 versehen, die in identischer Weise wie die Achszapfen 16,17 angebracht sind und sich parallel zu diesen erstrecken und ebenfalls Kugellager 22 tragen. Diese Kugellager 22 sind in Rinnen 23 beweglich, die sich parallel zur zweiten Ebene 14 erstrecken und am Sockel 5 vorgesehen sind. Auf die Seiten des Federstreifens 13 sind parallel zur zweiten Ebene 14 acht Dehnungsmeßstreifen 24, 25, 26, 27 und 28, 29, 30, 31 aufgeklebt. Die Dehnungsmeßstreifen liegen sowohl in Längs- als auch in Höhenrichtung symmetrisch zur geometrischen Mitte des Federstreifens. Jeweils zwei Meßstreifen sind an jeder Federstreifenhälfte 32, 33 bzw. 34, 35 an der dem Hebelarm 11 zugewandten und auch der abgewandten Seite angeordnet. Die Meßstreifen 24, 27 und 25, 26, die sich im oberen Bereich des Federstreifens 13 befinden, sind miteinander zu einem vollständigen Brückenkreis 36 zusammengeschahet, wie ihn die F i g. 4 und 5 zeigen. Die Meßstreifen 28, 29 und 30, 31 im unteren Bereich des Federstreifens sind miteinander zu einem zweiten vollständigen Brückenkreis 37 zusammengeschaltet, wie er ebenfalls in den F i g. 4 und 5 gezeigt ist. Die zwei Brückenschaltungen sind in bekannter Weise an eine Spannungsquelle 38 und einen Verstärker angeschlossen, welch letzterer nicht in den Zeichnungen dargestellt ist.

Die Arbeitsweise der Meßvorrichtung soll nun ausführlicher beschrieben werden unter der Annahme, daß man den Steuerstab 1 mit einer Betätigungskraft Sm an dem Fingergriff 2 beaufschlagt. Diese Kraft wird über den Steuerstab nach unten übertragen und erreicht über den Hebelarm 11 die Blattfeder 13, wo die Belastung von den drei Lagern in der Mitte und an den Enden aufgenommen wird und sich die Blattfeder flexibel verformt Das während der Übertragung der Betätigungskraft am Steuerstab erzeugte Drehmoment wird vom Sockel 5 über den Flansch 8 und die Kugellagerringe 9 und 10 aufgenommen. Die Verformung des Federstreifens verursacht positive oder negative Widen>tandsänderungen der Dehnungsmeßstreifen, so daß elektrische Ausgangssignale an den

ίο Brückenkreisen gewonnen werden, die der Belastung und somit der Betätigungskraft proportional sind.

Zwecks besseren Verständnisses sei nun angenommen, daß die Betätigungskraft in der Bezugsebene 3 in Betätigungskraftkomponenten Sy und S_z unterteilt wird. Die Verformungen des Federstreifens und damit die dadurch verursachten Widerstandsänderungen der Meßstreifen sollen jetzt getrennt für jede einzelne Betätigungskraftkomponente betrachtet werden.
Die F i g. 2 zeigt die Belastung des Federstreifens durch die Betätigungskraftkomponente S_y. Diese Komponente wird in den Endlagern 22 und 23 des Federstreifens durch Reaktionskräfte R_Y aufgenommen. Diese Endlager ermöglichen den Federstreifenendeii sich einerseits in einer Ebene zu drehen, die sich parallel zur Bezugsebene 3 erstreckt, und sich andererseits parallel zur Bezugsebene in Richtung der zweiten Ebene 14 zu bewegen. Die Mittellager 18, 19 ermöglichen andererseits eine Bewegung des Mittelabschnittes des Federstreifens parallel zur Bezugsebcne in der ersten Ebene 12. Auf diese Weise erfolgt eine nahezu ideale Verformung des Federstreifens ohne hindernde Einflüsse und demzufolge eine sehr genaue Proportionalität zwischen der Betätigungskraftkomponente und den Belastungen in

den Meßstreifen. Das Symbol der Belastungen und damit der Widerstandsänderungen in den einzelnen Meßstreifen bei einer Belastung des Steuerstabes durch die Kraftkomponente S_Y ist in der F i g. 4 angegeben. Auf Grund des symmetrischen Aufbaues

des Steuerstabes und der Anordnung der Meßstreifen wird der Absolutwert der Belastungen in Plus- und Minusrichtungen gleich. Es ergibt sich daher keine Spannungsänderung an der Brücke 37, während die Brücke 36 die Spannungsänderung als Ausgangs-

signal darstellt, welches exakt der Komponente S_Y proportional ist.

F i g. 3 zeigt die Blattfeder durch die Betätigungskrattkomponente S₂ belastet. Diese Komponente wird mit einer Reaktionskraft R₂ nahe der Mittellager 18, 19 des Federstreifens aufgenommen. Das erzeugte Drehmoment wird ausgeglichen durch Reaktionen R_m an den Endlagern 22, 23 des Federslreifens. Da sowohl das Mittellager als auch die Endlager dem Federstreifen die Möglichkeit geben, sich in einer Ebene

zu drehen, die parallel zur Bezugsebene 3 verläuft, ergibt sich hier eine nahezu ideale Verbiegung ohne behindernde Einflüsse und demzufolge eine sehr genaue Proportionalität zwischen der Betätigungskraftkomponente und den Belastungen der Meßstreifen.

^ö° F i g. 5 zeigt die Symbole der Belastungen und damit der Widerstandsänderungen für die verschiedenen Meßstreifen bei einer Belastung des Federstreifens durch die Kraftkomponente S₂. Die Brücke 36 zeigt keinerlei Spannungsänderungen, während die

Brücke 37 ein Ausgangssignal in Form einer Spannungsänderung liefert, die exakt der Kraftkomponente S₂ proportional ist. Verständlicherweise erfolgt die Unterteilung der Verformungen und Belastungen für

die zwei Kraftkomponenten der Betätigungskraft nicht in Wirklichkeit, doch ergibt sich eine gleichzeitig flexible Deformation am Federstreifen durch beide Kraftkomponenten, wobei dann die eine Meßstreifenbrücke. 36 Signale bezüglich der Größe der einen Kraftkomponente S_Y und die andere Meßstreifenbrücke 37 Signale bezüglich der anderen Kraftkomponente S₂ liefert. Die Ausgangssignale der Brücken sind somit stets den Größen der Betätigungskraftkomponenten proportional.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentanspruch:

Vorrichtung zum Messen von Kräften an einem Steuerstab, welcher an einer Basis befestigt und so angeordnet ist, daß er in einer zum unbelasteten Stab senkrechten Bezugsebene durch eine Betätigungskraft belastet werden kann, und ferner mit Federelementen, welche Dehnungsmeßstreifen tragen, die bei Belastung des Steuerstabes in den Richtungen der Kraftkomponenten flexibel verformbar sind, wobei die Meßstreifen zu zwei Brückenkreisen zusammengeschaltet sind, an denen elektrische Ausgangssi^nale entstehen, die den beiden Kraftkomponenten proportional sind, dadurchgekennzeichnet, daß der Steuerstab (1) parallel zur Bezugsebene (3) beweglich gelagert und mit einem Hebelarm (11) verbunden ist, der sich bei unbelastetem Steuerstab (1) parallel zur Bezugsebene (3) erstreckt und von einer ersten, zum Hebelarm (11) parallelen Ebene (12), die durch den Steuerstab (1) hindurchgeht und in der eine Betätigungskraftkomponente (Sj) liegt, geschnitten wird, daß als einziges Federelement ein ebener länglicher Federstreifen (13) vorgesehen ist, der in einer zweiten Ebene (14) liegt, die sich parallel zum Steuerstab (1) erstreckt und die parallel zur zweiten Betätigungskraftkomponente (S₃,) ist, daß dieser Federstreifen (13) in seiner Mitte mit dem vom Steuerstab (1) abgelegenen Ende (15) des Hebelsarmes (11) verbunden und bezüglich der Basis (5) so angeordnet ist, daß er sich in seiner Mitte frei parallel zur Bezugsebene (3) in der ersten Ebene (12), nicht aber in der zweiten Ebene (14) verformen kann, daß der Federstreifen (13) sich an seinen Enden frei, parallel zur Bezugsebene (3) und in der zweiten Ebene (14), nicht aber in der ersten Ebene (12) verformen kann, daß an jeder Federstreifenseile (32, 33) an beiden Federstreifenhälften (34, 35) beidseits des Hebelarmes (11) Dehnungsmeßstreifen (24, 28, 26, 30, 35, 29, 27, 31) angeordnet sind, daß zur Anzeige der Größe der einen Betätigungskraftkomponente (S_v) vier Meßstreifen (24 bis 27) paarweise einander gegenüber an beiden Seiten (32, 33) des Federstreifens (13) an den entsprechenden Federstreifenhälften (34, 35) zu einem ersten vollen Brückenkreis (36) zusammengeschaltet sind, und daß zur Anzeige der Größe der zweiten Betätigungskraftkomponente (S_z) vier Meßstreifen (28 bis 31) paarweise an den beiden Seiten (32, 33) und an beiden Hälften (34, 35) des Federstreifens (13) angeordnet und zu einem zweiten vollen BrücLenkreis (37) zusammengeschaltet sind.

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kräften an einem Steuerstab, welcher an einer Basis befestigt und so angeordnet ist, daß er in einer zum unbelasteten Stab senkrechten Bezugsebene durch eine Betätigungskraft belastet werden kann, und ferner mit Federelementen, welche Dehnungsmeßstreifen tragen, die bei Belastung des Steuerstabes in den Richtungen der Kraftkomponenten flexibel verformbar sind, wobei die Meßstreifen zu zwei Brückenkreisen zusammengeschaltet sind, an denen elektrische Ausgangssignale entstehen, die den beiden Kraftkomponenten proportional sind.

Ein solcher Steuerstab für die Betätigung von Höhen- und Seitenrudern eines Flugzeuges ist in der USA.-Patentschrift 34 47 766 beschrieben und dargestellt. An diesem Steuerstab sind zwei flexibel verformbare Federstreifen angebracht, die sich in Längsrichtung des Steuerstabes erstrecken und immer dann verformt werden, wenn der Steuerstab einer Biegung unterworfen wird. Die Federteile, an denen die Deh" nungsmeßstreifen befestigt sind, liegen in Ebenen, die sich zueinander senkrecht durch die Längsachse des Sleuerstabes in Richtung der angreifenden Kraftkomponente erstrecken. Der Aufbau und die Ausdehnung der verformbaren Federelemente in Längs richtung des Steuerstabes erfordert einen relativ langen Stab mit relativ großem Durchmesser, beispielsweise — wie der genannten Patentschrift zu entnehmen — einen Stab, der mit der ganzen Hand ergriffen und betätigt wird.

Die verformbaren Federelemente gemäß der vorerwähnten Patentschrift lassen sich nicht mit einem verkleinerten Steuerstab verwenden, den man beispielsweise nur mit den Fingern ergreift und betätigt. Der am Stab selbst und in seiner Nähe verfügbare Raum wäre viel zu klein, um eine solche Ausbildung zu ermöglichen.

Die Autgabe der Erfindung ist die Schaffung eines besonders kurzen Miniatur-Steuerstabes, der mit den Fingern bedienbar ist und nur ein Minimum an verformbaren Federelementen enthält, die sich außerhalb des eigentlichen Stabes befinden.

Ein solcher Miniatur-Steuerstab soll sich bei veinachlässigbarer Hysterese durch eine hohe Genauigkeit der elektrischen Ausgangssignale auszeichnen, welche proportional zu den Betätigungskraftkomponenten sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch angegebenen Mittel gelöst

Die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen erläutern eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines mit den Fingern bedienbaren, die Kraft einleitenden Steuerstabes, der mit einer Meßanordnung verbunden ist,

F i g. 2 und 3 zwei schematische Draufsichten auf ein flexibel verformbares Federelement der Meßvorrichtung, deren Dehnungsmeßstreifen sich verformen, wenn man den Steuerstab mit zwei ungleichen Betätigungskraftkomponenten beaufschlagt und

F i g. 4 und 5 zwei vollständige Brückenkreise für die Dehnungsmeßstreifen der Vorrichtung unter Angabe der in positiver oder negativer Richtung auftretenden Widerstandsänderungen durch zwei Betätigungskraftkomponenten.

Die Fig. 1 zeigt einen Miniatur-Steuerstab 1, der an seinem oberen Ende einen Fingergriff 2 trägt, an dem eine Betätigungskraft S^ in einer Bezugsebene 3, mit der der unbelastete Steuerstab eine Senkrechte bildet, angreifen kann. Die Betätigungskraft S_M läßt