DE2637952A1

DE2637952A1 - Kraftmesselement mit montageanordnung

Info

Publication number: DE2637952A1
Application number: DE19762637952
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfer
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1977-04-07
Also published as: FR2325916A1; AT382461B; GB1512133A; DE2637952B2; DE2637952C3; CH587475A5; FR2325916B1; ATA628476A; US4088015A

Description

Kohler - Schwindling - Späth Pat ent anvrä 11 e
Hohentwielstraße 4-1 7000 Stuttgart 1

Kraftmesse le ment mit Montageanordnung

Für die elektrische Messung von Kräften, wie z.B. bei Wiegevorgängen, Aufprallvorgängen, Abstossvorgängen, Entleerungsvorgängen etc. werden elektronische Kraftmesselemente zwischen den Kraftübertragungsmitteln angeordnet. In den meisten Fällen werden dazu 3, 4 oder mehr Kraftmesselemente benötigt, die zwischen die

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Kraftaufnahmekonstruktion und die Lagerkonstruktion montiert werden. Der Grossteil der heute verwendeten Kraftmesselemente ist nur in einer Messachse empfindlich und mit Dehnmessstreifen bestückt. Es sind aber auch Kraftmesselemente auf kapazitiver, auf induktiver und piezoelektrischer Basis im Handel. In den meisten Fällen sind die Kraftmesselemente so zwischen den Uebertragungselementen angeordnet, dass Kraft-Übertragung nur in der Messachse erfolgt und keine Schubkräfte aufgenommen werden müssen. Gleichzeitiges Auftreten von Schubkräften und Messkräften muss in handelsüblichen Kraftmesselementen unter allen Umständen verhindert werden, sonst treten erhebliche Messfehler auf, insbesondere in DMS Kraftmesselementen. Als einfachste konstruktive Gestaltung der Kraftmessvorrichtungen kann die Anordnung von einem oder mehreren Kraftmesselementen zwischen zwei steifen Platten betrachtet werden. Diese Anordnung wird im besonderen bei der Konstruktion von Kraftmess plattformen gewählt. Beispiele solcher Plattformen sind in der CH PS 502'590 gezeigt, sie sind inzwischen im Handel erhältlich.

Beim Bau von grossen Plattformen, wie sie z.B. bei Aufprall versuchen von Automobilen in sogenannten Crash Tests Verwendung finden, ist der präzisen Montage der Bauelemente besondere Sorgfalt zu widmen. Solche Plattformen,die Abmessungen von Metern und Gewichte von Tonnen aufweisen, werden in Einzelplattformen unterteilt, von denen jede ein solches Gewicht aufweist, dass sie nicht in der Montagewerkstatt, sondern erst auf dem Bauplatz, wo sich der Prüfstand befindet, montiert werden kann. Bei solchen Plattformen treten sehr hohe Kräfte auf, entsprechend starr müssen Platten und Kraft messe le men te sein. Um möglichst geringe Deformationen zu erzielen, sind

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Materialdicken der Grundplatten und Kraftaufnahmeplatten von 50 bis 100 mm notwendig. Ueblicherweise sind die Grundplatten direkt im Beton des massiven Aufprallbockes verankert. Die Grundplatten können aber auch als Schienen ausgebildet sein die im Beton vergossen sind. Die Montage der Einzelplattformen von denen jede aus der Kraftaufnahmeplatte und einer Mehrzahl von geometrisch angeordneten Kraftmesselementen besteht, wird so durchgeführt, dass die Kraftaufnahmeplatte mit vormontierten Kraftmesselementen auf der Grundplatte auftouchiert werden bis perfekte Auflage aller Montageoberflächen gewährleistet ist. Hierauf wird die Einheit auf der Grundplatte verschraubt. Erfindungsgemäss ist dieser Montagevorgang nur mit besonders gestalteten Kraftmesselementen möglich, da die Rückseite der Grundplatte wegen der Betonwand nicht zugänglich ist. Plattformen die miterfindungsgemässen Kraftmesselementen ausgerüstet sind, gestatten sehr genaue Erfassung von Aufprallvorgängen und zwar nicht nur in einer , sondern in mehreren Komponentenrichtungen.

Aber auch die Verteilung der Aufprallkräfte kann gemessen werden. Der Gedanke der Erfindung ist jedoch nicht an solche Plattformen gebunden, sondern eignet sich

überall wo Plattformen an Wände oder auf Bodenflächen montiert werden sollen.

Erfindungsgemäss ergeben sich dadurch erhebliche Verbesserungen der Mess präzis ion, wenn Kraftübertragungsflächen und Montageflächen der Kraftmessanordnung räumlich zusammenfallen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist diese in 3 Figuren dargestellt:

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Es stellen dar:

Fig. 1 Eine handelsübliche Kraftmesszelle auf DMS Prinzip.

Fig. 2 Ein erfindungsgemässes Kraftmesselement mit Montageanordnung.

Fig. 3 Ein weiteres erfindungsgemässes Kraftmesselement mit Montaganordnung.

Nach Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Kraftmessplattform dargestellt, wobei 1 die Kraftaufnahmeplatte und 2 die Grundplatte darstellt.

Ein handelsübliches z.B. DMS Kraftmesselement 3 ist dazwischen angeordnet. Solche Messelemente dürfen nur auf einer Seite mit einer planen Montagefläche 4 versehen sein, die Krafteinleitfläche 5 ist meist als Kalotte ausgebildet, damit keine Biegemomente eingeleitet werden. Aber auch Kräfte in anderer als der Messrichtung Z müssen von solchen Kraftmesselementen ferngehalten werden, weil sie zu grossen Fehlern führen. Für die Seitenpositionierung der Kraftaufnahmeplatte 1 müssen deshalb besondere Elemente eingesetzt werden, die hier nicht gezeigt sind. Damit entstehen aber unerwünschte Parallelwege für den Kraftübergang, so dass das Kraftmesselement nur Teile davon registrieren kann. Die Montage solcher Kraftmesselemente erfolgt meist über eine Flanschpartie 6, welche mit einer Reihe von Schrauben 7 mit der Grundplatte 2 verschraubt ist. Die Kraftlinien 8 der Montageschrauben und die Kraftlinien 9 der Messkraft P liegen in verschiedenen Uebertragungsflächen. Die gezeigte Messanordnung ist deshalb mit Unsicherheiten und Ungenauigkeiten behaftet.

Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäss vollauf beseitigt. Nach Fig. 2 ist das Kraftmesselement 23 wiederum zwischen Kraftaufnahmeplatte 1 und Grundplatte angeordnet. Das Kraftmesselement 23 hat nahezu die Idealform einer Kugel 12, welche die am besten geeignete Kraftübertragung zwischen den beiden Platten ergeben würde, jedoch aus fabrikatorischen Gründen ausscheidet.

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Als Annäherung daran sind die Montageflächen 14, 15 zum Gesamtdurchmesser auf ein Minimum eingezogen. Die Montageschrauben 18 und die zentrische Schraube 19 sind koaxial zur Empfindlichkeitaxe Z des Kraftmesselementes 23 angeordnet und durch die Kraftaufnahmeplatte 1 montierbar. Die Kraftlinien 20 der Uebertragungskraft P

(der_Vors pa η nkra f t)
und die Kraftlinien 2I₇ 22/3er Montageschrauben liegen auf gleichen Flächen, fallen also ineinander. Dies hat den grossen Vorteil, dass die Kraftmesselemente 23 einer ganzen Plattform im Werk fertig kalibriert werden können und dass durch die Montage praktisch keine Fehler in das Messystem eingeführt werden, die z.B. auf Spaltfederwirkung beruhen könnten. Aber auch die auf ein Minimum reduzierten Montageflächen 14, 15 verhindern Einbauverbiegungen, die Rückwirkungen auf die Messzelle des Kraftmesselementes 23 haben könnten. Damit allfällige Verbiegungen der Kraftaufnahmeplatte 1 möglichst geringe Schubwirkung auf das starr montierte Kraftmesselement 23 ausüben kann , ist die Montagefläche 15 um die Vertiefung t so in die

der Kraftübertragungsplatte 1/
Oberfläche leingesenkt, dass sie nahe an die neutrale Zone 11 der Kraftaufnahmeplatte zu liegen kommt. Die Lage der neutralen Zone kann durch bekannte Rechenmethoden ermittelt werden, sie braucht nicht mit der Mittellinie der Platte 1 zusammen zu fallen. Die erfindungsgemässe starre Montageanordnung kann nur mit Kraftmessenden nicht aber mit Dehnungsmessenden Messelementen durchgeführt werden. Ganz besonders eignen sich dazu piezoelektrische Messelemente, die bei Einkomponentenanordnung auf Biege-und Schubkräfte weifgehend unempfindlich sind. Zudem ergeben sie durch ihre hohe mechan. Belastbarkeit und Starrheit trotz schweren Kraftaufnahmeplatten genügend hohe Eigenfrequenzen, die Gewähr bieten, dass Aufprallvorgänge getreu aufgenommen werden können.

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In Fig. 3 ist eine weitere erfindungsgemässe Anordnung gezeigt.

Das erfindungsgemässe Kraftmesselement besteht aus dem oberen Kraftübertragungsflansch 31, dem ringförmigen handelsüblichen Mehrkomponenten Kraftmesselement 32, dem unteren Kraftübertragungsflansch 33 und dem rohrförmig ausgebildeten Vorspannmittel 34. Die untere Montageschraube 19 kann durch das Vorspannmittel 34 gesteckt und wiederum von der Kraftaufnahmeplatte 1 her montiert werden. Die hohen Anpresskräfte, die bei den kleinen Montageflächen möglich sind, gewährleisten gleichzeitig mit der Uebertragung von Z Kräften auch hohe Kräfte in X und Y Richtung, die als Schubkräfte auftreten. Die obere Montagefläche 36 ist wiederum möglichst nahe

an die neutrale Zone 11 gebracht. Anstelle eines Mehrkomponenten kann auch ein Einkomponenten ringförmiges Kraftmesselement 32 treten.

Das erfindungsgemässe Kraftmesselement mit Montageanordnung ermöglich somit den Bau von sehr grossen Kraftmessplattformen. Die Gestaltung des Kraftmesselementes geht von der idealen Kugelform aus und weist die Kombination von minimalen Montageflächen und praktischer Bedienbarkeit derselben von der Krafteinleitseite her auf. Aber auch die Kombination, dass Montageflächen und Kraftübertragungsflächen identisch sind, verhindert Montageeinflüsse und Messfehler durch allfällige Spaltfederwirkung, in den Montageflächen. Es ist damit erstmals möglich, dass mit vom Werk kalibrierten Einzelkraftmesselementen komplette Messplattformen gebaut werden können, ohne dass dieselben nach Fertigmontage im Feld kalibriert werden müssen, was bei grossen Anlagen nur mit sehr grossen Kosten möglich wäre. Die Erfindung ermöglicht erstmals grosse Aufprall- oder Kraftaufnahmewände zu schaffen, die aus einer Mehrzahl von Einzel plattformen bestehen, die zu einem Mosaik zusammengefügt werden und alle von der Krafteinleitseite her montiert werden können. Die Erfindung erschliesst somit neue technische Möglichkeiten durch Schaffung eines

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Kraftmesselementes mit Montageanordnung die hochpräzise Feldmontage ermöglicht. Durch Befestigung der Kraftaufnahmeplatten möglichst nahe der neutralen Phase werden Schubwirkungen auf ein Minimum reduziert.

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Claims

Patentansprüche

1.J Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmessystems, das mit 2 Kraftübertragungsflanschen mit planparallelen endseitigen Montageflächen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageschrauben (18, 19) für beide Platten zentrisch zur Kraftelementachse und von derselben Seite her montierbar sind und daß Montage und Kraftübertragungsflächen (14, 15) zusammen fallen.

2. Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmessystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmesselement modular aufgebaut ist und aus 4 Einzelteilen besteht, nämlich einem elektromechanischen Kraftmessring (32), zwei Kraftübertragungsflanschen (311 33) und einem zentralen rohrförmigen Vorspannelement (34), wobei die planparallelen endseitigen Montageflächen so auf den kleinstmöglichen Durchmesser reduziert sind, daß die Kraftlinien (21, 22) hervorgerufen durch die Montageschrauben und die Kraftlinien (20) hervorgerufen durch die zu messenden Kräfte ineinander fallen.

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3. Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das modular aufgebaute Kraftmesselement mit einem elektromechanischen Kraftmessring (32), der in mehr als einer Messachse empfindlich ist, ausgerüstet ist.

4. Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Eraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Montageflächen (14, 15) der Kraftübertragungsflanschen einen kleineren Durchmesser aufweisen als das Kraftmesselement.

5· Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftauf nahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im Werk einzeln kalibriert wird und durch den Montagevorgang im Feld keine Veränderung erfährt, so daß die Gesamtplattform nicht mehr kalibriert werden muß.

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6. Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Messystem Kräfte in mehreren Komponenten so erfassen kann, daß keine Verbiegungen der Montageflächen entstehen, wodurch auch keine Rückwirkungen auf das elektromechanische Kraftmesselement hervorgerufen werden, die zu Fehlmessungen führen.

7· Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagefläche (15) des oberen Kraftübertragungsflansches durch Einsenkung in die Nähe der neutralen Achse (11) der Kraftaufnahmeplatte (1) gebracht ist.

8. Kraftmesselement mit Montageanordnung, zum Einbau zwischen Kraftaufnahmeplatte und Grundplatte eines Kraftmesssystems nach einem der Ansprüche 2 bis 7i dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Kraftübertragungsflanschen symmetrisch angeordnete Montageschrauben vorgesehen sind·

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