DE2403779C3

DE2403779C3 - Mehrkomponenten-Kraftmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2403779C3
Application number: DE2403779A
Authority: DE
Inventors: Hans Altmann; Helmut Dreyer
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Current assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Priority date: 1974-01-26
Filing date: 1974-01-26
Publication date: 1978-06-15
Also published as: GB1433734A; DE2403779B2; DE2403779A1; FR2259359A1; FR2259359B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrkomponenten-Kraftmeßvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Kenntnis der einzelnen Komponenten des Kraftvektors hat sich in vielen Anwendungsfällen, insbesondere der Bodenmechanik, als unerläßlich erwiesen. Nicht allein die Größe der Kräfte, sondern auch ihre Wirkungslinien vermögen wichtige Aussagen zu liefern. Bei der Konstruktion Mehrkomponenten-Kraftmeßvorrichtung muß sichergestellt sein, daß die einzelnen Komponenten einwandfrei getrennt werden können, daß also in die Messung einer bestimmten Komponente nicht Beiträge der beiden anderen Komponenten eingehen.

Eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung ist bereits aus der DE-AS 21 04 003 bekannt. Konkret ist diese bekannte Vorrichtung zum Messen von Kräften und/oder Momenten an Rotoren bestimmt, wobei feststehende, elastische und mit Dehnungsmeßstreifen versehene Verformungskörper in rechten Winkeln zueinander angeordnet sind. In jeder Meßebene liegen dabei jeweils vier zueinander rechtwinklig angeordnete Verfonnungskörper in einer zur Rotormittenebene symmetrischen Lage parallel zur Richtung der zu bestimmenden angreifenden Kräfte bzw. parallel zu einer zum jeweiligen Momentvektor senkrechten Ebene, wobei die angreifenden Kräfte bzw. Momente ausschließlich durch Dehnung und Stauchung der Verfonnungskörper meßbar sind. Der Anteil derjenigen äußereil Kräfte und Momente, der nicht in den allein auf Druck bzw. Zug beanspruchten Bauteilen aufgenommen wird, sondern in solchen Bauteilen, die auf Biegung beansprucht werden, kann mittels dieser bekannten Vorrichtung lediglich durch Ermittlung der zugehörigen Eichkurven ermittelt und berücksichtigt werden; eine Messung sämtlicher orthogonaler Kraftkomponenten bereitet also sehr erhebliche praktische Schwierigkeiten.

Des weiteren ist es aus »Stahl und Eisen«, 1960, Seiten 1413/1414 im Zusammenhang mit Waagen für Hüttenwerke bekannt, zur Vermeidung von Querkräften sogenannte Quer-Gleitlager vorzusehen, die aus zwei Stahlplatten mit dazwischen befindlichem Schmiermittel bestehen. In Verbindung mit einer derartigen Gleitflächenlagerung ist jedoch gleichzeitig deren besonderer Nachteil angegeben, nämlich daß die so gelagerte Einrichtung zwischen bestimmten Anschlägen jede beliebige Lage einnehmen kann, weshalb entsprechende Lenker, Spannbänder oder Seile zur Festlegung vorgesehen werden müssen.

Es ist eine Mehrkomponenten-Kraftmeßvorrichtung bekannt (DE-PS 12 99 438), bei der die einzelnen Kraftkomponenten durch Meßsysteme bestimmt werden, die durch Kugellager voneinander getrennt sind. Die Deformationen der einzelnen Meßsysteme können damit unbeeinflußt voneinander auftreten. Diese bekannte Vorrichtung enthält einen an der Meßplatte angesetzten Teilkörper, der das Meßsystem zur Bestimmung der zur Geberlängsachse parallelen Kräfte bildet und sich über ein normal zur Geberlängsachse angeordnetes Kugellager gegen ein Kopfstück abstützt. Dieser Teilkörper stützt sich seitlich über weitere in vier parallel zur Geberlängsachse und senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnete Kugellager gegen weitere in diesen Ebenen angeordnete Meßsysteme zur Bestimmung der zur Geberlängsachse senkrechten Kraftkomponenten ab. Durch die Anordnung der Kugellager soll erreicht werden, daß die an der Meßfläche angreifende Kraft in dem geberfesten Koordinatensystem in die Orthogonalkomponeten K_x, Kywnd K_z zerlegt wird.

Diese bekannte Kraftmeßvorrichtung wurde zunächst für den Einsatz von Dehnungsmeßstreifen als Kraftmeßelement konzipiert, kann grundsätzlich aber auch mit Schwingsaiten-Meßwertgebern ausgerüstet werden. Schwingsaiten-Meßwertgeber haben im Vergleich zu Dehnungsmeßstreifen eine erheblich bessere Langzeitstabilität und werden deshalb für Anwendungen in der Bodenmechanik bevorzugt Schwingsaiten-Meßwertgeber erfordern jedoch aufgrund ihrer größeren Abmessungen größere Dimensionen der Kraftmeßvornchtung, insbesondere eine größere Meßfläche, an der die zu bestimmende Kraft angreift Eine größere Meßfläche ist auch deshalb wünschenswert da dadurch die Meßunsicherheit verkleinert werden kann. Bei Vergrößerung der Meßfläche ergeben sich jedoch mit der oben beschriebenen bekannten Vorrichtung in praktischen Anwendungen erhebliche Schwierigkeiten.

3 4

Die auftretenden sehr großen Normalkräfte führen zu gegeneinander versetzte Kraftaufnehmer 7 für Kraft-

einer Durchbiegung der Meßfläche, die auf vier komponenten senkrecht zur Normalkraftkomponente

Kugellagern abgestützt ist Die Kugellager müssen also angebracht, die sich über Gegenlager mit Biegebalken 8

auf einer nichtebenen Fläche laufen, wodurch ihr Lauf gegen die in Aufsicht etwa U-fcrmiger Träger 4

beeinflußt wird. Die Folge ist, daß die Nornialkraftkom- 5 abstützen. Die Träger 4 sind fest in den Trägerkörper 5

ponente nicht mehr eindeutig von den zu ihr eingespannt Die Biegebalken 8 haben die Aufgabe,

senkrechten Kraftkomponenten in der Ebene senkrecht seitliche Verschiebungen der Kraftaufnehmer 7 ohne

zur Längsachse des Gebers abgetrennt werden kann. Meßeffekt zu ermöglichen.

Die Nullpunkte der zugehörigen Kraftmeßelemente Die Funktionsweise der Vorrichtung ist folgende:

weisen daher eine Abhängigkeit von der Größe der 10 Von einer vektoriellen Krafteinwirkung auf die

NormalkrafÜcomponente auf. Meßfläche 3 wird die Normalkraftkomponente von dem

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Normalkraftkomponentenaufnehmer 2 erfaßt Die

Kraftmeßvorrichtung zu schaffen, die die getrennte Kraftkomponenten senkrecht zur Normalkraftkompo-

Messung der einzelnen Kraftkomponenten auch bei nente in der zur Geberlängsachse senkrechten Ebene

großen Normalkräften gestattet 15 werden durch die vier Kraftaufnehmer 7 gemessen. Eine

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Beeinflussung der Kraftkomponeten-Messung durch ein

Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merk- Obei-sprechen der Normalkraftkomponente wird durch

male gelöst das Kunststoff-Gleitlager 6 auf dem Trägerkörper 5

Diese Ausbildung gestattet die Messung von Kraft- verhindert Eine ebene Platte ist als Auflagefläche beim

komponenten senkrecht zu einer NormalLraftkompo- 20 Einwirken auch großer Kräfte als ideal anzusehen, da

nente unabhängig von der Größe der letzteren. Die keine Verbiegungen der Meßfläche auftreten können,

gegenseitig unabhängige Messung ist dadurch ermög- Durch ein zwischen den beiden sich bei Auftreten von

licht, daß die die äußerer. Teile der Gegenlager Kraftkomponenten senkrecht zur Normalkraftkompo-

darstellenden Träger mit einem Trägerkörper fest nente relativ zueinander verschiebenden Körpern 2 und

verbunden sind und daß gleichzeitig das für die 25 5 angebrachtes Kunststoff-Gleitlager, dessen Haftrei-

Normalkraftkomponenten-Messung maßgebliche Meß- bungskoeffizient möglichst gering ist, ergibt sich kein

system gegenüber dem biegesteifen Trägerkörper unter gegenseitiges Übersprechen der einzelnen Kraftkom-

Zwischenschaltung eines Gleitlagers vorgesehen ist so ponenten. Bei Auftreten nur einer Komponente zeigen

daß senkrecht zur Normalkraftkomponente wirkende die Merkmale der jeweils beiden anderen Komponen-

Kraftkomponenten zu einer Gleitbewegung zwischen 30 ten das Signal Null an.

dem für die Normalkraftkomponentenmessung verant- Weiterhin gelingt es durch die Kraftmeßvorrichtung,

wortlichen Meßsystem und dem Trägerkörper führen. exakt die Kräfte zu messen, die auf die definierte

an dem die die äußeren Teile der Gegenlager Meßfläche 3 einwirken. Kräfte, die lediglich außerhalb

darstellenden Träger fest angeschlossen sind. der Meßfläche 3 am Gehäuse 1 einwirken, werden nicht

Vorteilhafte Weiterbildungen sind aus den Unteran- 35 erfaßt Dies wird einerseits dadurch erreicht, daß

Sprüchen zu ersehen. zwischen Meßfläche 3 und Gehäuse I ein genügend

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den großer Zwischenraum 9 ist, um Verformungen des

Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher Gehäuses 1 aufgrund äußerer Einwirkungen nicht auf

beschrieben; indan Zeichnungen zeigt die Meßfläche 3 übersprechen zu lassen. Durch

A b b. 1 eine Aufsicht auf die Mehrkomponenten- 40 Anordnung einer Dichtung an dem Zwischenraum 9 ist

Kraftmeßvorrichtung, die Vorrichtung staub- und wasserdicht. Zum anderen

A b b. 2 einen Teil eines teilweisen Schnittes durch die besteht ein Ziel der Vorrichtung darin, exakt die

Darstellung der F i g. 1 in Richtung A-A. Kraftkomponenten senkrecht zur Normalkraftkompo-

In einem Gehäuse 1 befindet sich ein zylinderförmiger nente zu messen, die zu einer relativen Verschiebung

Normalkraftkomponentenaufnehmer 2, dessen Meß- 45 der Körper 2 und 5 führen. Hätte man — was naheliegt

wertgeber in hier nicht dargestellter Form etwa ein — die Kraftaufnehmer 7 zwischen Normalkraftkompo-

Schwingsaiten-Meßwertgeber sein kann. Dieser Kraft- nentenaufnehmer 2 und Gehäuse 1 eingespannt, so

aufnehmer 2 wird an seiner oberen Oberfläche von der würden auch lokale Verformungen des Gehäuses 1

Meßfläche 3 begrenzt und liegt auf einem ebenfalls aufgrund äußerer Einwirkungen zu unerwünschten

zylinderförmigen Trägerkörper 5 auf, dessen Durch- 50 Anzeigen der Kraftaufnehmer 7 führen. Durch die

messer etwas kleiner ist als der des Kraftaufnehmers 2 Anordnung der Kraftaufnehmer 7 zwischen dem

und der fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Auf dem Normalkraftkomponentenaufnehmer 2 und den U-för-

Trägerkörper 5 ist ein Kunststoff-Gleitlager 6 mit einem migen Trägern 4, die fest in den Trägerkörper 5

geeigneten Reibungsverhalten aufgetragen. Seitlich an eingespannt sind, werden diese Fehlanzeigen vermie-

dem Kraftaufnehmer 2 sind vier jeweils um 90° 55 den.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrkomponenten-Kraftmeßvorrichtung zum getrennten Erfassen der drei orthogonalen Kraft- S komponenten mit getrennten Meßsystemen für die einzelnen Komponenten, bei der sich die Aufnehmer für die zu einer Normalkraftkomponente senkrechten anderen Kraftkomponenten über je ein Gegenlager mit je einem Biegebalken abstützen und bei der die äußeren Teile der Gegenlager starr miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile der Gegenlager Träger (4) sind, die mit einem Trägerkörper (5) fest verbunden sind, und daß das Meßsystem (2) für die Normalkraftkomponente auf einem biegesteifen Trägerkörper (5) gleitend (6) aufliegt

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (4) einen U-förmigen Querschnitt besitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Gleitlagers (6) einen möglichst geringen Haftreibungskoeffizienten besitzt

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff des Gleitlagers (6) ein Kunststoff verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polytetrafluoräthylen ist

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlager (6) auf dem Trägerkörper (5) aufgebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich am Normalkraftaufnehmer (2) vier jeweils um 90° gegeneinander versetzte Kraftaufnehmer (7) angebracht sind und daß die Träger (4) fest in den Trägerkörper (5) eingespannt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche (3) vom Gehäuse (1) durch einen Zwischenraum (9) getrennt ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (9) durch eine Dichtung staub- und wasserdicht abgedichtet ist