DE2736829A1

DE2736829A1 - Externally acting forces and moments determination - involves use of suspension rods and force cells in mutually perpendicular planes

Info

Publication number: DE2736829A1
Application number: DE19772736829
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Kaiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1979-02-22
Also published as: DE2736829C3; DE2736829B2

Abstract

An arrangement is used for determining forces and moments acting externally on a body. It is used in the course of vehicle or aircraft aerodynamic design. It performs experimental measurements and is simpler than previous arrangements. The body (1) is suspended from rods (8-13) in three mutually perpendicular planes. The rods are attached to force measurement cells (14-19) and are arranged two in each coordinate plane. The rods are considerably stiffer in their longitudinal axes than perpendicular to their axes. The body is a magnet planed near a rotating cylinder (2) with electrically conducting surface loops (3, 4, 5).

Description

Anordnung zum Erfassen von Kräften und MomentenArrangement for recording forces and moments

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erfassen von Kräften und Momenten, die von außen auf einen Körper einwirken.The invention relates to an arrangement for detecting forces and moments that act on a body from the outside.

Es ist bekannt, bei der aerodynamischen Cestaltung eines Fahrzeuges oder Flugkörpers eine Balkenwaage zu verwenden, mit der Kräfte in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen gemessen werden können. Diese Balkenwaagen sind wegen des großen Platzbedarfs und auch aus Kosten- und Handhabungsgrdnden nicht allgemein einsetzbar. Bei der Bemessung neu zu entwerfender Maschinen, z.B. von Langstator-Linearmotoren oder in der Magnetschwebebahntechnik beim Einsatz eines Supraleitermagneten zum Tragen und Führen sowie zur Erzeugung von Vortriebskräften interessieren neben den theoretischen Untersuchungen auch in der Praxis auftretende Kräfte und Momente.It is known in the aerodynamic design of a vehicle or missile to use a beam balance, with the forces in three on top of each other perpendicular axes can be measured. These beam scales are because of the large space requirement and also not generally for reasons of cost and handling applicable. When dimensioning machines to be newly designed, e.g. long-stator linear motors or in maglev technology when using a superconductor magnet for Carrying and guiding as well as generating propulsion forces are of interest in addition to theoretical investigations, forces and moments that occur in practice.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, mit der eine experimentielle Ermittlung von Kräften und Momenten mit einer einfacheren Anordnung als bisher möglich ist.The object of the invention is to provide an arrangement with which a experimental determination of forces and moments with a simpler arrangement than was previously possible.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper über Stäbe, die mit Kraftmeßdosen verbunden sind, in drei senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen aufgehängt ist.This task is carried out with an arrangement of the type mentioned at the beginning according to the invention achieved in that the body has rods with load cells are connected, is suspended in three perpendicular planes.

Auf diese Weise wird der Meßvorgang nicht lurch Reibungseinflüsse gestört und es ist mbgli-e l e in srei Koordinatenebenen auftretenden Kräfte unmittell essen und aufgrund der ein- fachen Geometrien rasch auf die resultierenden Kräfte und Momente umzurechnen ohne Eichkurven benutzen zu müssen. Die Kraftmeßdosen sind leicht einzubauen und stellen zuverlässige Kraftaufnehmer dar.In this way, the measuring process is not affected by friction disturbed and it is mbgli-e l e forces occurring in three coordinate planes directly eat and due to the fold geometries quickly on the resulting Convert forces and moments without having to use calibration curves. The load cells are easy to install and are reliable force transducers.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Erfassen von Kräften und Momenten eines Trag-, Führungs- und Vortriebssystems einer elektrodynamischen Schwebebahn in Schrägansicht und Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung bei verschiedenen Belastungen.Fig. 1 shows an arrangement for detecting forces and moments a support, guidance and propulsion system for an electrodynamic suspension railway in an oblique view and FIG. 2 is a plan view of the arrangement shown in FIG at different loads.

In umgekehrter Anordnung wie bei einer elektrodynamischen Schwebebahn sind in Fig. 1 ein Supraleitermagnet 1 stationär und mit ihm zusammenwirkende Fahrbahnteile auf einem drehbar gelagerten Zylinder 2 angeordnet. Am Umfang des Zylinders 2 sind Leiterschleifen 3 eines Langstatormotors, Leiterschleifen 4 eines elektrodynamischen Führungssystems und Leiterschleifen 5 eines elektrodynamischen Tragsystems übereinander befestigt. Der Supraleitermagnet 1 ist über Stäbe 8 bis 13, die in drei senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen angeordnet sind, mit Kraftmeßdosen 14 bis 19 verbunden, welche ortsfeste gelagert sind und die Zug- bzw. Druckkraft im Jeweiligen Stab anzeigen. Elektrische Ausgänge der Kraftmeßdosen sind über elektrische Leitungen 20 und Verstärker 21 mit Meßgeräten 22 und/oder registrierenden Geräten 23, z.B Magnetbandgeräten, verbunden.In the reverse arrangement to that of an electrodynamic suspension railway In Fig. 1, a superconductor magnet 1 is stationary and roadway parts interacting with it arranged on a rotatably mounted cylinder 2. On the circumference of the cylinder 2 are Conductor loops 3 of a long stator motor, conductor loops 4 of an electrodynamic one Guide system and conductor loops 5 of an electrodynamic support system on top of one another attached. The superconductor magnet 1 is about rods 8 to 13, which are perpendicular in three are arranged on top of each other, connected to load cells 14 to 19, which are stationary and show the tensile or compressive force in the respective bar. Electrical outputs of the load cells are via electrical lines 20 and amplifiers 21 with measuring devices 22 and / or recording devices 23, e.g. magnetic tape devices, tied together.

Durch Anlegen der Leiterschleifen 3 des Langstatormotors an Spannung kann der Zylinder 2 in Drehung versetzt werden. Dadurch werden die Leiterschleifen 3 bis 5 an dem stationären Supraleitermagneten 1 vorbeibewegt. Dabei treten gleichzeitig magnetische Trag-, Führungs- und Vortriebskräfte auf. Die resultierenden Kräfte Fx, Fy, Fz gehen durch das magnetische Zentrum des Supraleitermagneten 1 und stehen senkrecht aufeinander; sie liegen also auf den Achsen eines räumlichen Koordinatensystems.By applying the conductor loops 3 of the long stator motor to voltage the cylinder 2 can be set in rotation. This will create the conductor loops 3 to 5 moved past the stationary superconductor magnet 1. Do this at the same time magnetic load, guidance and propulsion forces. The resulting forces Fx, Fy, Fz go through the magnetic center of the superconductor magnet 1 and stand perpendicular to each other; so they lie on the axes of a spatial coordinate system.

Um diese drei Achsen können zugleich Drehmomente Mx, My, Mz wirken. Die Kräfte und Momente haben einen statischen Hauptanteil, dem ein dynamischer Anteil überlagert ist. Der Richtungssinn der Kräfte und Momente ist umkehrbar. Die Meßvorrichtungen sind daher so ausgebildet, daß positive und negative Werte aller Kraftkomponenten gemessen werden können. Durch eine elektrische Maschine 6 kann der zylindrische Körper 2 in Drehung versetzt oder gebremst werden. Der Supraleitermagnet 1 ist mit einer Versteilvorrichtung 24 versehen, um seinen Abstand radial zum Zylinder 2 in gewunachter Weise einstellen zu können.Torques Mx, My, Mz can act around these three axes at the same time. The forces and moments have a static main part, the dynamic part is superimposed. The sense of direction of the forces and moments is reversible. The measuring devices are therefore designed so that positive and negative values of all force components can be measured. By an electrical machine 6, the cylindrical Body 2 can be set in rotation or braked. The superconductor magnet 1 is with an adjusting device 24 is provided to adjust its distance radially from the cylinder 2 in to be able to adjust in the usual way.

Vorzugsweise wird der Supraleitermagnet 1 in Jeder der drei Koordinatenachsen durch Je zwei Stäbe abgestützt. Die sechs Stäbe entsprechend sechs Freiheitsgraden eines starren Körpers sind so zueinander angeordnet, daß Jedes Stabpaar die in ihrer Achsrichtung wirkende Kraftkomponente und das Kräftepaar eines der Momente aufnimmt und auf die Kraftmeßdosen 14 bis 18 Uberträgt. Die Stäbe 8, 9 stützen also die Kraftkomponente Fx und das Moment Mz, die Stäbe 10, 11 die Kraftkomponente Fy sowie das Gewicht des Supraleitermagneten 1 und das Moment Mx ab, während die Stäbe 12, 13 die Kraftkomponente Fz und My abstützen.Preferably, the superconductor magnet 1 is in each of the three coordinate axes supported by two rods each. The six bars correspond to six degrees of freedom of a rigid body are arranged to one another so that each pair of rods in their Axial direction acting force component and the couple of forces absorbs one of the moments and transferred to the load cells 14 to 18. The rods 8, 9 therefore support the force component Fx and the moment Mz, the bars 10, 11 the force component Fy and the weight of the superconductor magnet 1 and the moment Mx, while the rods 12, 13 the force component Support Fz and My.

Die Stäbe sind sowohl am Supraleitermagneten 1 als auch an einer Wandung 25 fest eingespannt. Dementsprechend verformen sich z.B. die Stäbe 8, 9 sowie 12, 13 unter dem Einfluß der Kraftkomponenten Fx und Fz, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.The rods are both on the superconductor magnet 1 and on a wall 25 firmly clamped. The rods 8, 9 and 12, for example, deform accordingly, 13 under the influence of the force components Fx and Fz, as shown in FIG is.

Unter Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit der Stäbe führen die Beziehungen für die Normal- und die Knick-Biegespannungen zu möglichst steifen und die der Versatz-Biegespannungen, bedingt durch das Ausweichen des Supraleitcrmagneten 1 aus der theoretisch genauen Lage um die Beträge a, b, wobei a einen Justierfehler und b einen während der Kraftwirkung auftretenden Versatz bedeutet, zu möglichst biegeweichen Stäben.Taking into account the mechanical strength of the rods lead the relationships for normal and buckling bending stresses to be as stiff as possible and that of the offset bending stresses caused by the evasion of the superconducting magnet 1 from the theoretically exact position by the amounts a, b, where a is an adjustment error and b means an offset occurring during the action of the force, as far as possible flexible rods.

Es ist vorteilhaft, die Biegesteifigkeit der Stäbe in der Längsachse wesentlich größer als quer zur Längsachse zu wählen, also möglichst biegeweiche Stäbe zu verwenden. Dies widerspricht zwar den Anforderungen, die unter Berücksichtigung der Normal- und Kniek-Biegotpannungon gestellt werden, es wird Jedoch der Vorteil erreicht, daß zusätzlich zu den Versatz-Biegespannungen noch ein weiterer meßtechnischer Cesichtspunkt berücksichtigt wird: Die bereits erwähnte Magnetverschiebung infolge Kraft- bzw.It is advantageous to increase the bending stiffness of the rods in the longitudinal axis to choose significantly larger than transversely to the longitudinal axis, i.e. as flexible as possible Use rods. This contradicts the requirements under consideration the normal and knee-knee bending stress can be set, but it will be the advantage achieved, that, in addition to the offset bending stresses, there is another metrological point of view the following is taken into account: The aforementioned magnetic displacement due to force resp.

Momentenwirkung ruft nämlich in den quer zur Magnetbewegung liegenden Stäben Rückstellkräfte hervor, so daß die Kraftreaktionen in den Kraftmeßdosen um diese Rückstellkräfte kleiner und damit verfälscht sind. Bei Verwendung biegeweicher Stäbe können Meßwertverfälschungen - wie die nachstehende Tabelle zeigt -sehr klein gehalten werden. Außerdem wird durch die Verwendung biegeweicher Stäbe der Empfehlung der Kraftmeßdosenhersteller Rechnung getragen, möglichst geringe Querkräfte bzw. Momente in die Kziftießdosen einzuleiten. Stab Stab- Maximal- Stab- Freie Max.Rück- Gesamter rich- zahl belastung durch~ Stab- stellkraft Meßwert- tung nasser länge pro Stab fehler bei Maxi- malbe- lastung X 2 9000 N 12 m 280 - 58,5 N 2,3 X Y 2 19000 N 15 - 380 - 57,2 N 2,2 % ein- schließ- lich Magnet- gewicht Z 2 9000 N 12 mm 280 mm 58,5 N 2,3 % Zweckmäßigerweise sind Mittel vorgesehen, um die elektrische Maschine 6 wahlweise als Antriebs- oder Belastungsmaschine einsetzen zu können. Auf diese Weise kann man sowohl die im Fahrals auch Bremsbetrieb auftretenden Kräfte und Momente erfassen.The effect of the moment causes restoring forces in the rods lying transversely to the magnet movement, so that the force reactions in the load cells are smaller and thus falsified by these restoring forces. When using flexible rods, falsification of measured values can be kept very small - as the following table shows. In addition, the use of flexible rods takes into account the recommendation of the load cell manufacturer to introduce the lowest possible transverse forces or moments into the load cell. Bar Bar Maximum Bar Free Max Back Total correct number load by ~ rod force measured value wet length per rod fault at maxi- malbe- burden X 2 9000 N 12 m 280 - 58.5 N 2.3 X Y 2 19000 N 15 - 380 - 57.2 N 2.2% a- closing lich Magnet- weight Z 2 9000 N 12 mm 280 mm 58.5 N 2.3% Means are expediently provided in order to be able to use the electrical machine 6 either as a drive or load machine. In this way, the forces and torques occurring during both driving and braking can be recorded.

Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als Gleichstrommaschine ausgebildet, die Uber einen Stromrichter gespeist wird und drehzahl- oder momentengeregelt ist.The electrical machine is preferably a direct current machine designed, which is fed via a converter and speed or torque controlled is.

2 Figuren 4 Patentansprüche2 figures 4 claims

Claims

Patent-only 1st arrangement for recording forces and moments, that act on a body from the outside, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that the body is connected via rods (8-13) with load cells (14-19) is suspended in three perpendicular planes.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in 3eder Coordinate plane two rods are arranged.

3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the bending stiffness of the rods in the longitudinal axis is chosen to be much greater than transverse to the longitudinal axis.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the body is a magnet (1) to which a cylinder driven by an electric machine (6) (2) is assigned to the electrically conductive loops (3; 4; 5) or plates are arranged.