DE2641342A1 - Mehrachsige messdose - Google Patents

Description

ihr zeichen- · . . Tag 14. September 1976

You' ref 5363 -A ^Date

THE BENDIX CORPORATION, Executive Office«, Bendix Center, Southfield, Michigan 48O75_t USA

Mehrachsige Meßdose

Die Erfindung betrifft kraftmessende Meßdosen, die insbesondere alle darauf ausgeübten Kraft- und Biegemomentenkomponenten messen und auflösen.

Mehrachsige Meßdosen, bei denen die Komponenten mehrachsiger Kräfte und Momente aufgelöst werden können, verwenden für gewöhnlich sich überkreuzende Trägerelemente mit daran befestigten Dehnmeßstreifen, die durch die verschiedenen Belastungen in Biegung versetzt werden. Die Durchbiegung wird zur Messung der darauf ausgeübten Belastung von den Dehnmeßstreifen gemessen. Bei den meisten dieser Meßdosen sind die sich überkreuzenden Träger an beiden Enden befestigt. Hierdurch entsteht ein Nachteil dieser Anordnung infolge der Zug- Druck-Belastung von Trägern,die nicht so ausgerichtet

daß sind, daß sie in Biegung versetzt werden, so/die durch die Belastung eingeleitete Durchbiegung auf diese Weise stark vermindert ist.

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Μ. iNSPECTEC

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Btii bisherigen Me/dos^n. !.'"schrieben in Auf'^a*/ "Force Foebnr.k Str->> {rt,e ■·^f' a Te I c- -Operator System", von R.C. Croome, Jr., MJT ürapnr Laboratory Report T-575, August 1972, wurde ein«¹ Anordnung verwendet, bei der die freitragenden Träger sich freigleitend hin zu ihren Achsen geneigten Richtungen so bewegen durften, daß der Durchbiegungsbereich erhöht wurde, da alle Elemente nur auf Biegung beansprucht wurden. Die Vorrichtung verwendete jedoch zum Messen dieser Biegung Dehnmeßstreifen, die einen verhältnismäßig eingeschränkten Bereich der dynamischen Belastungen haben, die sie messen können.

Die US-PS 39397ΟΊ zeigt eine mehrachsige Meßdose, die einen großen Bereich dynamischer Belstungen aufgrund

krapcarnart ? "en
einer frei tragenden/Trägeranordnung messen kann, die der im obigen MIT-Bericht angegebenen ähnlich ist, verbunden mit als linear veränderliche Differnetialübertrager (LVDT = linear variable differential transformers) ausgebildeten Verschiebungsumformern, die eine genaue Messung eines großen Bereichs von Kraftkomponenten zulassen und in der Lage sind, alle darauf ausgeübten Komponenten der Kräfte und Biegemomente aufzulösen» Die besonderen Ausleger träger - Kugelgelenkverbindungen sind jedoch so beschaffen, daß die Hysterese ein Problem ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer mehrachsigen Meßdose der beschriebenen Art, bei der die Hysterese vermindert ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Meßdose mit einem ersten kraftübertragenden Glied in Form eines Gehäuses, mit einem zweiten kraftübertragenden Glied in Form einer Nabe mit einer Verbindungseinrichtung zum gegeneinander beweglichen Verbinden der ersten und zweiten kraftübertragenden Glieder und mit einer Umformeinrichtung, die ein kraftübertragendes Glied berührt und am anderen kraftübertragenden Glied befestigt ist, zum Messen der gegenseitigen

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gung und ζ mn Liefern vor. ent sprechenden Signalen. Die Vei b iiulungs einrieb tung weist hierbei mehrere Biegearme auf, von denen je ein Ende an einem krafKüber tragenden GLied befestigt ist, während das andere Ende an einer Stelle zwischen den Enden eines durchbiegbaren Glieds angeschlossen ist, wobei die letzteren Enden so an einem weiteren kraftübertragenden Glied befestigt sind, daß das durchbiegbare Glied in Richtung der Achse des Biegearms, an den es angeschlossen ist, bewegbar ist, während es in anderen Richtung im wesentlichen nicht bewegbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Umformeinrichtung einen ersten Satz von Verschiebungsumformern auf, die nach Art eines Stiftrads um die Achse der Meßdose herum angeordnet sind, und weist einen zweiten Satz von Verschiebungsumformern auf, die parallel zur und um die Achse der Meßdose verlaufen, wobei jeder Satz drei Verschiebungsumformer aufweist.

Bei der Meßdose der Erfindung liefert jedes durchbiegbare Glied eine zentrierende Vorspannkraft, die die Hysterese der Meßdose vermindert. Darüberhinaus erlaubt die Konstruktion der Meßdose die Verwendung von nur sechs Verschiebungsumformern zum Auflösen der verschiedenen Kraft- und Momentenkomponenten, während bei den bisher bekannten Arten von Meßdosen acht Umformer erforderlich sind. Bei der Erfindung kann die Querbeeinflussung der verschiedenen Umformer durch Kombinationen von Kräften und Momenten zweckmäßig auf ein Minimum dadurch verändert werden, daß die Berührungsspitzen der verschiedenen Umformer in einer gemeinsamen Ebene angeordnet werden.

Die Erfindung betrifft eine mehrachsige Meßdose zur Erzeugung von Signalen, die jeweils verschiedenen Kraft- und Momentenkomponenten entsprechen, die auf die Meßdose

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ausgeübt wer-ifii. Diese Meßdose umfaßt ei at Nabe ιη·ϊ ^₁. Gehäuse, die durch drei Biejrearme miteinander vtn-bundon sind. Jeder Biege'trm ist an - irn»m Ende an der Nabe oder am Gehäuse und am anderen Ende am einem Hiegetrajerel i:- tnent befestigt, das am Gehäuse bzw. an der Nabe befesUgt ist. Jeder Biegefräger ist so ausgelegt, daß er leicht in Richtungen durchgebogen werden kann, die mit «einem jeweiligen Biegearm fluchten, jedoch eine- Biegung in anderen Richtung einen wesentlich größeren Widerstand entgegensetzt, so daß eine zentrierende Vorspannkraft vorgsehen ist, ohne die biegende Auslenkung der Biegearme einzuschränken, die zum Messen der Kraft- und Momentenkomponenten bestimmt ist.

Es sind zwei Sätze von Verschiebungsumformerη vorgesehen. Jeder Satz besteht aus drei Umformern, wobei der erste Satz nach Art eines Stiftrade um die Meßdosenachse angeordnet ist zum Messen der XY-Verschiebungskomponenten und der Verdrehung um die Meßdosenachse. Der zweite Satz besteht aus den anderen drei Verschiebungsumforraerri, die um die Meßdosenachse herum angeordnet sind, parallel hinzu verlaufen und die gegenseitige Bewegung zwischen der Nabe und dem Gehäuse messen entsprehcend den parallel zur Meßdosenachse ausgeübten Kräften und entsprechend den um die X-Y-Achsen ausgeübten Biegemomenten. Alle diese Umformer sind so angeordnet, daß ihre Berührungsspitzen in einer gemeinsamen Ebene liegen, um die von den kombinierten Belastungen erzeugte Querbeeinflussung zu vermindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Meßdose nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Meßdose von Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht von unten der in Fig. 1 gezeigten

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BAD ORIGINAL

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Hrßih.se, gegenüber Fig. i nach recht i-· g» ·ιeht und mit entferntem unteren Deckel; Fig. -Ϊ einen Quer-schnitt en" lang den Linien Ί-Ί von Pig.

Im Hinblick auf die verschiedenen Kraftkomponeiii en wird die Symetrieach.se der Meßdose als Z-Achse bezeichnet, während die zur Z-Achse und zueinander senkrechten Achsen als X-Y-Achsen bezeichnet werden.

Eine Meßdose 10 besteht aus einem Gehäuse 12 und einer darin zentral angeordneten Nabe l4. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die das Gehäuse 12 mit der Nabe l4 antreibend verbindet und drei Biegearme, 16, l8, 20 enthält, die zur Meßdosenachse hin konvergieren. Jeder Biegearm, l6, l8, 20 ist an einem Ende an der Nabe l4 und am anderen Ende an einem Biegearm 22, 24 bzw. 26 befestigt, und zwar an einer Stelle an jedem Biegearm, 22, 24 bzw. zwischen dessen Längserstreckung.

Jeder Biegearm 22, 24, 26 ist ein dünnes metallisches Element(0,48 mm Lamellenmaterial), das an seinen Enden so am Gehäuse 12 befestigt ist, daß die Durchbiegung eines Biegeträgers derBewegung des entsprechenden Biegearms einen Widerstand entgegensetzt, der in Richtung der Achse des Arms gering, jedoch in anderen Richtung wesentlich größer ist. Unter der Wirkung der Komponente einer längs diesem Biegearm gerichteten Kraft XX erzeugt dieser geringe Widerstand eine zur iickzentrier ende Vorspannkraft, behindert jedoch das Biegen der anderen beiden Biegearme nicht wesentlich, wobei dieses Biegen zum Messen der Kraftkomponente verwendet wird. Somit sind die Arme in zwei zu ihren jeweiligen Achsen senkrechten Richtungen so biegbar, daß die auf einen Arm längs seiner Achse ausgeübten Belastungen die Durchbiegung des zugehörigen Biegeträgers ergeben, während in irgendeiner Richtung senkrecht zur Biegearmachse ausgeübte Belastungen das Biegen des Arms ohne wesentliches Durchbiegen des Biegeträgers ergeben.

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j(-ii<"i ü ί - ce t r.i :· -»r -₅ Z¹', '.< Ii ei**! eirif <'<-r;!v *· .τ-η·~^l ·-
VorppannKraft , 'lie die a^if; '!er K.'bo i'i und dem Gehäuse
bestehende Aiiord-i ing ve r J ei IiI ich 7,n& \ nand --»r zur iic k.stell! und hi ί·Γ durch die ob«· μ erläuterten Hysl cresfP' f iktp

verraiii'lprt .

Es ist "ine Umforr Hinrichtung vorgesclirn zum Messen der gegenseitigen Verscliifhunj zwischen '!er Na br· Ii und dem Gehäuse 12, erzeugt durch Biegen der Biegearme 16, l8, unter Last, und zum Erzeugen von dement sprechenden Signalen für eine Bestimmung der Größe der durch die Meßdose 10 übertragenen Bei astung. Die Umforme!nrichtung enthält zwei Sätze von LTOT-Virschiebungsumforraern.

Ein erster Satz von drei LVOT-Umformern 28, 30 und 32 ist am Gehäuse 12 befestigt tmd nach Art eines Stiftrads um die Meßdosensymmetrieachse angeordnet, die in Fig. 2 als Z-Achse angegeben ist. Diese Umformer berühren an der
Nabe l4 ausgebildete Flächen 34, 36 bzw. 38· Diese drei Verschiebungen entsprechen den von der Meßdose 10 aufgenommenen X-Y-Kraftkomponenten sowie auch dem um die
Z-Achse ausgeübten Biegemomente.

Es ist ein zweiter Satz von am Gehäuse 12 befestigten
drei LVDT-Umformern kO, k2, kk vorgesehen, die sich
parallel zur Z-oder Meßdosenachse erstrecken und eine an der Nabe lh ausgebildete Ringfläche 46 berühren.
Diese Ringfläche verläuft genau durch die Mittellinie k8 der LVDT-Umformer 28, 30, 32, um eine durch eine kombinierte Kraft- und Momentenbelastung erzeugte Querbeeinflussung der entsprechenden Umformersätze zu vermindern oder zu beseitigen. Die LVDT-Umformer 'iO, 42, 44 messen die gegenseitige Verschiebung zwischen der Nabe und dem Gehäuse. Diese Verschiebung wird erzeugt durch von der
Meßdose übertragene Kräfte mit Komponenten entlang der
Z-Achs<» und mit Biegemoment enkomponenten um die X~Y-Ach.se, so da¹- ^n V*'rhi r· dung mit dem vorher beschriebenen LVDT-TJn-

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ORIGINAL INSPECTED

■formersatx X-*, y~,Z-Kra£ t kotnp-: entPn sowie U t iigeiTionien t ρ um jede der X-, Y- und Z-Ach.st-ri. aufgelöst vit>rtlen können.

Ein Überlas tsehntζ wird dürr- an der Nabe 1*4 ausgebi 1 dete

i *'
Vorsprünge 150 bewirkt, die/im Gehäuse 12 ausgebildeten Vertiefungen angeordnet sind« Durch Veränderungen der Spiele kann das überlastniveau entsprechend dem besonderen Anwendungsfall eingestellt werden.

Im Betrieb wird die Meßdose so eingebaut, daß das Gehäuse 12, etwa mittels eines in Fig. k gestrichelt gezeigten Flansches 5&, an einem Element der nicht gezeigten kraft- übertragenden Konstruktion befestigt ist, während die Nabe l4 am anderen Teil der die Belastung übertragenden Konstruktion des die Vorrichtung verwendenden besonderen Apparats befestigt ist.

Die Widerstandseigenschaften der Meßdose können verändert werden durch Austauschen der Biegeträger 22 gegen Biegeträger mit verändertem Verhältnis von Dicke zu Breite, um hierdurch die Gesamtsteifheit der Meßdose zu verändern und auch das Steifheitsverhaltnis zwischen den verschiedenen linear und im Winkel wirkenden Kraftkomponenten zu steuern.

Es sei hervorgehoben, daß die oben angegebenen Ziele der Erfindung durch diese Anordnung erreicht werden. Insbesondere hat·die Ausfluchtung aller Umformerberührungsspitzen in einer gemeinsamen Ebene die Querbeinflussung kombinierter Belastungssignale vermindert. Die Verwendung von Biegeträgern zum Verbinden der Biegearme mit dem Gehäuse 12 vermindert die Hysterese der Vorrichtung. Schließlich wird die Anzahl von Umformern auf das Minimum vermindert, daß zum Auflösen der X-Y-und Z-Kräfte sowie der ; Biegemomente um die X-, ^v~ ^una< Z-Achsen erforderlich ist. ,

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Claims (6)

Pci t e nt ans{-r\jche

1. Meßdose mit einem ersten kr.iftübertragendsn Glied in Form eines Gehäuses, mit einem zweiten kraftübertragenden Glied in Form einer Nabe, mit einer Verbindungseinrichtung zum gegeneinander beweglichen Verbinden der ersten und zweiten kraftübertragenden Glieder xmd mit einer Umformeinrichtung, die ein kraftübertragendes Glied berührt und am anderen kraftübertragenden Glied befestigt ist, zum Messen der gegenseitigen Bewegung und zum Liefern von entsprechenden Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung mehrere Biegearme (l6, l8, 20) aufweist, von denen je ein Ende an einem kraftübertragenden Glied (l4) befestigt ist, während das andere Ende an einer Stelle zwischen den Enden eines durchbiegbaren Glieds (22, 24, 26) angeschlossen ist, wobei die letzteren Enden so an einem weiteren kraftübertragenden Glied (12) befestigt sind, daß das durchbiegbare Glied (22, 24, 26) in Richtung der Achse des Biegearms,(l6, 18, 20), an dem es angeschlossen ist, bewegbar ist, während es in anderen Richtungen im wesentlichen nicht bewegbar ist.

2. Meßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbiegbaren Glieder (22, 24, 26) dünne metallische Elemente sind.

3. Meßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegearme (l6, l8, 20) senkrecht zur Biegearmachse in zwei Richtungen biegbar sind, wodurch die auf einen Biegearm senkrecht zu deseen Achse ausgeübten Belastungen eine Durchbiegung des zugehörigen durchbiegbaren Glieds,(22, 24, 26) ohne Biegung des Biegearms (l6, l8, 20) ergibt, während in einer be- ; liebigen Richtung senkrecht zur Biegearmachse ausge- j übte Belastungen eine Biegung des Biegearms (l6, l8,

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20) ohne wesentliche Durchbiegung des durohbie Glieds (22, 24, 26) ergibt.

4. Meßdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, >,a durch gekennzeichnet, daß die Umformeinrichtung ei7ieri ersten Satz von Verschiebungsumformern (28, Vi, j2) aufweist, die nach Art eines Stiftrads um die Achse der Meßdose (10) herum angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Ver schiebungsumformern (4-0, 42, 44) aufweist, die parallel zur und um die Achse der Meßdose (10) verlaufen.

5. Meßdose nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz drei Ver schiebungsuniformer (28, JO, 32 40, 42, 44) aufweist.

6. Meßdose nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Verschiebungsumformer(28, 30, 32) im ersten Satz koplanar in einer Ebene verlaufen, die senkrecht zur Meßdosenachse Z verläuft, während die Verschiebungsumformer (40, 42, 44) im zweiten Satz Achsen aufweisen, die senkrecht zur Ebene verlaufen und eine innerhalb der Ebene gelegene Fläche berühren.

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