DE2637952C3 - Kraftmeßelement zur Bildung einer Kraftmeßplattform - Google Patents
Kraftmeßelement zur Bildung einer KraftmeßplattformInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement, das relativ starr ausgebildet ist und Kräfte unter relativ sehr
fertigen Verformungen des eigentlichen Meßwandlers zu erfassen gestattet und das zwischen eine Grundplatte
oder dergleichen Und eine die zu messenden Kräfte lüfnehtnende Und auf das Kraftmeßelement übertragende
Kraftaufnahmepiatte einzubauen ist, wodurch eine Kraftmeßplattform gebildet wird, wobei das
tCfaftmeßelement mit zwei zueinander planparallelen
Krafteinleitflächen versehen ist, die an je einer der Platten anliegen.
Kraftmeßelemente zum Aufbau von Kraftmeßplattformen sind bekannt (DE-OS 19 52 522). Die Kraftaufnahmepiatte
ist mit der Grundplatte unter Zwischenlage allein der Kraftmeßelemente, die starr ausgebildet
sind, starr verbunden. Dabei sind die Kraftaufnahmepiatte und die Grundplatte mittels durchgehender
Schrauben miteinander verspannt, die einerseits die beiden Platten miteinander zur Plattform verb:nden und
die andererseits eine Vorspannung für die Kraftmeßelemente ergeben; ohne derartige Vorspannung könnten
die Kraftmeßelemente nur Druckkräfte und keine Zugkräfte erfassen.
Derartige Kraftmeßplattformen dienen beispielsweise zu biomechanischen Messungen ebenso wie zur
Erfassung von Aufprall- oder Abstoßvorgängen. Die Starrheit der Anordnung bzw. der Kraftmeßelemente
ist so zu verstehen, daß bei Belastung im Meßbereich nur Verformungen entsprechend der Größenordnung
der Gitterstruktur eines Kristalles auftreten. Verformungen
sind also makroskopisch praktisch nicht fes-LSteübar. Diese Starrheit ergibt auch eine hohe
Eigenfrequenz, die zwischen mehreren kHz und mehreren 100 kHz liegen kann.
Solange die Kraftmeßplattform eine handliche Größe aufweist, die einen Transport zuläßt, ist ihre Handhabung
unproblematisch, da sie fertig montiert und kalibriert vom Herstellwerk bezogen werden kann.
Werden jedoch sehr große Kraftmeßplattformen benötigt, mit denen beispielsweise die bei Aufprallvorgängen
von Automobilen auftretenden Kräfte erfaßt werden, so läßt sich keine im Werk fertig hergestellte
und kalibrierte Kraftmeßplattform verwenden. Selbst wenn eine solche Kraftmeßplattform noch transportabel
wäre, würden doch die Beanspruchungen während des Transports die Kalibrierung möglicherweise beeinträchtigen.
Eine Kalibrierung ist jedoch erforderlich, weil aufgrund der die beiden Platten miteinander
verbindenden Schrauben, die gieichzeitig die Vorspannung für die Kraftmeßelemente lievern, ein Kraftnebenschluß
gebildet wird, durch den ein durch die Kalibrierung erfaßter Anteil der von der Kraftaufnahmepiatte
auf die Grundplatte übertragenen Kraft am Kraftmeßeiement vorbeifließt. Es ändert sich also die
Empfindlichkeit der Kraftmeßplattform in Abhängigkeit des von den Verbindungs- und Vorspannschrauben
aufgenommenen Kraftnebenflusses.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Kraftmeßelementp zum Aufbau einer Kraftmeßplattform
so auszubilden, daß keine Kalibrierung der Kraftmeßplattform erforderlich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Kraftmeßclement mit Befestigungselementen
versehen ist, die innerhalb der Krafteinleitflächen des Kraftmeßelements angeordnet sind, die jeweils nur mit
der Grundplatte oder dergleichen bzw. der Kraftaufnahmepiatte in Wirkverbindung zu bringen sind und die
achssymmetrisch angeordnet sind, daß alle Befestigungselemente von der Seite der Kraftaufnahmepiatte
aus zugänglich sind, wobei der Zugang zu den Befestigungselementen für die Grundplatte oder dergleichen
über eine zentrale Bohrung im Kraftmeßeiement erfolgt, und daß die krafteinleitflächen des
KraftmeßeJements innerhalb eines deutlich kleineren Kreises liegen als dazu parallele Querschnittsflächen in
dem den eigentlichen Meßwandler enthältenden Be· reich.
Durch die Erfindung ist es möglich, Kraftmeßplattfop
men mit Kraftmeßelementen aufzubauen, ohne daß «ine
nachträgliche Kalibrierung erforderlich ist, weil nämlich
icein Kraftnebenschluß vorhanden ist Es genügt, wenn
die Kenndaten der Kraftmeßelemente bekannt sind. Dadurch lassen sich auch große und nicht mehr
transportable Kxaftmeßplattformen an Ort und Stelle ' zusammenbauen, ohne dab das Problem einer Kalibrierung
auftritt. Auch gestaltet sich die Montage der Kraftmeßelemente an der Grundplatte und der
Kraftaufnahmeplatte aufgrund der Zugänglichkeit der Befestigungselemente von derselben Seite her problemlos.
Es kann also die Grundplatte beispielsweise eine einbetonierte Platte sein, die nicht von der Rückseite her
zugänglich ist
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kraftmeßelement zwei Kraftübertragungsflansche
zur Verbindung mit der Grundplatte bzw. der Kraftaufnahmeplatte und eine zwischen den Kraftübertragungsflanschen
angeordnete Piezomeßzelle auf und es ist das Vorspannelement als zentraler, innenliegender
Rohrabschnitt ausgebildet Die Piezomeßzelle umgibt ringförmig den als Vorspannelement dienenden Rohrabschnitt,
der gleichzeitig als zentrale Bohrung dient, die einen Zugang zu den Befestigungselementen an der
Grundplatte bildet Dies ergibt eine besonders zweckmäßige und einfache Ausbildung des Kraftmeßelemente!!
und eine bequeme und zuverlässige Montagemöglichkeit des Kraftmeßelementes an der Grundplatte.
Bevorzugt ist die Piezomeßzelle als Mehrkomponenten-Piezomeßzelle
ausgebildet Dadurch lassen sich verschiedene Komponenten gleichzeitig erfassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die an der Kraftaufnahmeplatte
anliegende Krafteinleitfläche in der neutralen Ebene der Kraftaufnahmeplatte und es ist diese hierzu mit einer
entsprechenden Ansenkung versehen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erzielt daß möglicherweise bei
Belastung auftretende Verbiegungen der Kraftaufnahmeplatte nur eine möglichst geringe Schubwirkung auf
das Kraftmeßelement zur Folge haben können.
Zur Herstellung großer Meßplattformen werden diese in Einzelplattformen unterteilt von denen jede aus
der Kraftaufnahmeplatte und einer Mehrzahl von in entsprechender Geometrie angeordneter Kraftmeßelemente
besteht Die Kraftaufnahmeplatten mit den zugeordneten Kraftmeßelement«;n werden auf der
Grundplatte so montiert, daß eine möglichst plane Aniage der Krafteinleitflächen erzielt wird. Mit
derartigen Einzelplattformen lassen sich Großplattformen zusammenstellen, die eine genaue Erfassung von
Aufprallvorgängen in einer oder mehreren Komponentenrichtungen gestatten. Aufgrund der relativen Starrheit
der Anordnung werden die zu messenden Vorgänge hinsichtlich ihrer Amplitude praktisch nicht verfälscht.
Aufgrund der hohen Eigenfrequenz der Meßplattform wird auch das dynamische Verhalten des Testobjektes
durch die Plattform nicht merklich verändert.
Die Erfindung ermöglicht es erstmalig, große Aufprall- oder Kraftmeßplattformen zu schaffen, die aus
einer Mehrzahl von Einzelplattformen bestehen, die zu einem Mosaik zusammengefügt werden, wobei alle
Einzelplattformen und Kraftmeßelemente von der Krafteinleitseite her montiert werden können. Durch
das Ausschließen jeglicher zu den Kraftmeßelementen paralleler Kraftflüsse brauchen in dieser Art aufgebaute
Kraf tmeßplattformen nicht nachkalibriert werden.
In der Zeichnung sind eine Kraftmeßzelle mit üblicher
Kraftübertragung und Kraftmeßelemente mit Kraftübertragung gemäß Ausführungsbeisyjicien der Erfin
dung dargestellt Es zeigt
F i g, 1 eine übliche Kraftmeßzelle in üblicher
Einbauweise,
F i g. 2 ein Kraftmeßelement mit Montageanordnung
F i g. 2 ein Kraftmeßelement mit Montageanordnung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
F i g. 3 ein Kraftmeßelement mit Montageanordnung
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Teil-Schnitt durch
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Teil-Schnitt durch
ίο eine Kraftmeßplattform sind eine Kraftaufnahmeplatte
1 und eine Grundplatte 2 vorgesehen, zwischen denen sich ein Kraftmeßelement 3 befindet Dieses Kraftmeßelement
3 weist auf der der Grundplatte 2 zugewandten Seite eine plane Montagefläche 4 auf, wogegen die
gegenüberliegende Fläche die Gestalt einer Kalotte aufweist und als Krafteinleitfläche 5 dient; durch die
Kugeloberfläche wird das Einleiten von Biegemomenten unterdrückt Enthält das Kraftmeßelement 3 eine
Dehnmeßstreifenanordnung, so müssen auch Kräfte, die nicht in der Richtung Z verlaufet., 'eingehalten werden,
weil sie zu Meßfehlern führen. Es mCsen daher für die
Seitenpositionierung der Kraftaufnahmeplatte 1 zusätzliche Elemente vorgesehen werden, die eine Übertragung
nur von Kräften in Richtung Z zulassen. Diese zus? alichen Elemente, die hier nicht dargestellt sind,
bilden aber Parallelwege für den Kraftfhiß, so daß durch das Kraftmeßelement nur ein Teil des Kraftflusses
verläuft was dazu zwingt, daß das Verhältnis der Kraftflüsse zueinander bestimmt wird, um aus dem
gemessenen, das Kraftmeßelement 3 durchsetzenden Kraftfluß die auf die Kraftaufnahmeplatte 1 wirkende
Gesamtkraft bestimmen zu könnea Zur Montage des Kraftmeßelementes 3 ist ein Flansch 6 vorgesehen, der
mittels einer Reihe von Schrauben 7 mit der Grundplatte 2 verschraubt ist Kraftlinien 8 der
Schrauben 7 und Kraftlinien 9 der Meßkraft P liegen in verschiedenen, voneinander abgrenzbaren Flächea was
zu Unsicherheiten und Ungenauigkeiten führt
Gemäß der Anordnung nach F i g. 2 ist ein Kraftmeßelement
23 zwischen der Kraftaufnahmeplatte 1 und der Grundplatte 2 angeordnet Das Kraftmeßelement 23 hat
nahezu die an sich ideale Gestalt einer Kugel, die die Ausschaltung von Herstell- und Montagei'ngenauigkeiten
erleichtern würde, die jedoch herstellungstechnisch Schwierigkeiten bereitet Es sind daher zur Annäherung
an diese Idealform Montageflächen 14 und 15 im Durchmesser wesentlich kfeiner als der maximale
Querschnitt senkrecht zur Z-Richtung. Montageschrauben 18 und eine zentrische Befestigungsschraube 19 sind
so koaxial zur Empfindlichkeitsachse Z des Kraftmeßelementes
23 angeordnet wobei sowohl die Montageschrauben 18 als auch die Befestigungsschraube 19 von
di. ι Seite der Kraftaufnahmeplatte 1 her zugänglich und
montierbar sind. Dies ist hinsichtlich der das Kraftmeßelement 23 m,t der Grundplatte 2 ".erbindenden
zentralen Befestigungsschraube 19 dadurch erreicht daß das Kraftmeßelement 23 mit einer zentralen
Bohrung versahen ist die in der Nähe der Grundplatte 2 einen Bund aufweist auf der der Kopf der Befestigungsschraube
19 anliegt, wenn diese durch den Rest der Bohrung hindurchgesteckt und in eine Ge^indebohrung
in der Grundplatte 2 eingeschraubt wird. Kraftlinien 20 der zu messenden Kraft P und Kraftlinien 21, 22 der
Vorspannkraft der Montageschrauben durchsetzen denselben Querschnitt Dies hat den großen Vorteil, daß
die Kraftmeßelemente 23 einer ganzen Kraftmeßplattform im Herstellwerk fertig kalibriert werden können,
weil der gesamte Kraftfluß durch die Kraftmeßelemente
23 geführt ist und keine Kraftnebenschlüsse vorhanden sind. Auch können durch die Montage praktisch keine
Fehler in das Meßsystem eingeführt werden, die z. B. auf Spaltfederwirkung beruhen könnte. Spaltfederwirkungen
treten bei aufeinander gepreßten Scheiben infolge deren niemals völlig erzielbarer Planparallelität auf,
wenn die Scheiben beispielsweise bei stoßartiger Belastung oder bei Schwingungsbelastung die zwischen
ihnen befindlichen Spalte seitlich und räumlich verändern. Die auftretende Reibungsdämpfung ist relativ ι ο
hoch und außerdem von der Belastung abhängig. Die im Querschnitt relativ kleinen Montageflächen 14, 15
Verhindern Verbiegungen beim Einbau, die ihrerseits Rückwirkungen auf den Meßwandler 16 haben könnten,
der innerhalb des Kraftmeßelementes 23 angeordnet ist.
Um zu erreichen, daß möglicherweise auftretende Durchbiegungen der Kraftaufnahmeplatte 1 eine
mögiichsl geringe Schubwkrkung auf das Kraftmeßelement
23 ausüben, ist die Montagefläche 15 um eine Vertiefung / so in die Oberfläche der Kraftübertragungsplatte
1 eingesenkt, daß sie sich in der Nähe einer neutralen Zone 11 der Kraftaufnahmeplatte 1 befindet
Die Lage der neutralen Zone kann in bekannter Weise durch Rechnung ermittelt werden; sie braucht nicht mit
der Mittelebene der Kraftübertragungsplatte 1 zusammenfallen.
Die erfindungsgemäße starre Kraftmeßplattform kann nur mit Kräfte messenden, nicht aber mit
Dehnungen messenden Kraftmeßelementen ausgeführt werden, also nur mit relativ starren Kraftmeßelementen.
Ganz besonders eignen sich hierzu piezoelektrische Meßelemente, die in der Ausführung als Einkomponentenmeßzelle
relativ unempfindlich gegenüber Biege- und Schubkräften sind. Außerdem ergeben diese
Meßelemente oder Meßzellen durch ihre hohe mechanische
Belastbarkeit und relative Starrheit auch bei eine große Masse aufweisenden Kfaftaiifnahmeplatlen 1
ausreichend höhe Eigenfrequenzen, die ihrerseits die Gewähr dafür bieten, daß Aufprallvorgänge durch die
Meßanordnung hinsichtlich ihres dynamischen VefhaU
tens nicht beeinflußt werden. Dadurch wird erreicht« daß
nicht durch den Meßvorgang selbst der zu messende Vorgang verändert wird. Es muß also die Kraftmeßplattform
ausreichend starr sein und eine solche Eigenfrequenz aufweisen, die weit über der maximalen
zu messenden Frequenz liegt
Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform umfaßt das Kraftmeßelement einen oberen Kraftübertragungsflansch
31, eine ringförmige, handelsübliche Mehrkomponenten-Piezomeßzeiie 32, einen unleren
kraftübertragungsfiansch 33 und ein rohrförmig ausgebildetes
Vorspannglied 34. Die Befestigungsschraube 19 ist durch das Vorspannglied 34 gesteckt und kann
wiederum von der Kraftaufnahmeplatte 1 her montiert werden. Die hohen Anpreßkräfte, die bei den relativ
kleinen Montageflächen zu erzielen sind, gewährleisten gleichzeitig mit der Übertragung von Kräften in der
Z-Richtung auch die Übertragung hoher Kräfte in der X- und der /-Richtung, die als Schubkräfte auftreten.
Eine obere Montagefläche 36 befindet sich wiederum möglichst nahe an der neutralen Zone 11 Anstelle einer
Mehrkomponentenpiezomeßzelle kann auch eine ringförmige Einkomponenten-Piezomeßzelle32 treten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Kraftmeßelement, das relativ starr ausgebildet ist und Kräfte unter relativ sehr geringen Verformungen
des eigentlichen Meßwandlers zu erfassen gestattet und das zwischen eine Grundplatte oder
dergleichen und eine die zu messenden Kräfte aufnehmende und auf das Kraftmeßelement übertragende
Kraftaufnahmeplatte einzubauen ist, wodurch eine Kraftmeßplattform gebildet wird, wobei das
Kraftmeßelement mit zwei zueinander planparallelen Krafteinleitflächen versehen ist, die an je einer
der Platten anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmeßelement (23; 31—34) mit
Befestigungselementen (18, 19) versehen ist, die innerhalb der Krafteinleitflächen (14, 15; 36) des
Kraftmeßelements (23; 31—34) angeordnet sind, die jeweils nur mit der Grundplatte (2) oder dergleichen
bzw. der Kraftaufnahmeplatte (1) in Wirkverbindung zu bringen sind und die achssymmetrisch
angeordnet sind, daß aiie Befestigungselemente von der Seite der Kraftaufnahmeplatte (1) aus zugänglich
sind, wobei der Zugang zu den Befestigungselementen für die Grundplatte (2) oder dergleichen
über eine zentrale Bohrung im Kraftmeßelement erfolgt, und daß die Kraftein'eitflächen (14, 15; 36)
des Kraftmeßelements innerhalb eines deutlich kleineren Kreises liegen als dazu parallele Querschnittsflächen
in dem den eigentlichen Meßwandler (16;32) enthaltenden Bereich.
2. Kraftiueßelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß es zwei O-aftübertragungsflansche
(31,33) zur Verbindung mit der Grundplatte (2) bzw. der Kraftaufnahmepiatte 'f) und eine zwischen
den Kraftübertragungsflanschen angeordnete Piezomeßzelle (32) aufweist, und daß das Vorspannelement
(34) als zentraler, innen liegender Rohrabschnitt ausgebildet ist.
3. Kraftmeßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezomeßzelle als Mehrkomponenten-Piezomeßzelle
(32) ausgebildet ist
4. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an
der Kraftaufnahmepiatte (1) anliegende Krafteinleitfläche (15 bzw. 36) sich in der neutralen Ebene der
Kraftaufnahmepiatte (1) befindet und diese hierzu mit einer entsprechenden Ansenkung (t) versehen
ist
5. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an
der Kraftaufnahmepiatte (1) bzw. der Grundplatte (2) angreifenden Befestigungselemente als Schrauben
ausgebildet sind.
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