DE2814998C2

DE2814998C2 - Force gauge

Info

Publication number: DE2814998C2
Application number: DE19782814998
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Fuhrmann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1984-05-24
Also published as: DE2814998A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftmeßgerät zum Messen von Zug-, Druck- und/oder Schubkräften sowie Biege- und/oder Torsionsmomenten, welches aus wenigstens zwei, beispielsweise durch Schweißen, KIeben o. ä. fest miteinander verbundenen, vorzugsweise ring- oder rohrförmigen Teilen besteht, zwischen denen eine dünne Folie sowie Dehnungsmeßstreifen bzw. Widerstandsgeber eingebettet sind, wobei letztere als Folien-Meßgitter ausgebildet sind.The invention relates to a force measuring device for measuring tensile, compressive and / or shear forces as well as bending and / or torsional moments, which are composed of at least two, for example by welding, clamping o. Ä. Permanently connected, preferably ring-shaped or tubular parts, between which a thin film and strain gauges or resistance sensors are embedded, the latter as a film measuring grid are trained.

Üblicherweise werden in Maschinenteilen auftretende Kräfte oder Momente so gemessen, daß man diese mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) beklebt. Wird das Teil einer Kraft ausgesetzt, so folgt der Dehnungsmeßstreifen der Verformung und ändert dadurch seinen Widerstand. Diese Widerstandsänderung kann mittels einer Brückenschaltung in ein elektrisches Signal umgewandelt und gemessen oder registriert werden.Forces or moments occurring in machine parts are usually measured in such a way that they are covered with strain gauges . If the part is subjected to a force, the strain gauge follows the deformation and thereby changes its resistance. This change in resistance can be converted into an electrical signal by means of a bridge circuit and measured or registered.

Der Nachteil einer solchen Prüfung ist die Inhomogenität des Aufbaues. Die Formänderung des Maschinenteils wird nämlich über eine Klebstoffschicht auf den Träger des Dehnungsmeßstreifens übertragen und von diesem auf das eigentliche Meßgitter, wobei sich leicht Fehler einschleichen können. Wenn ein Maschinenteil beispielsweise monatelang unter Spannung steht, kriecht die Klebstoffschicht und der Dehnungsmeßstreifen läßt daher in seiner Anzeige nach. Wird das Maschinenteil hingegen dynamisch beansprucht, so kann die Haltbarkeit erheblich höher sein als die der Klebstoffschicht, da diese versprodet und reißt, was die Messung völlig verfälscht. Insofern treten bei Dehnungsmeßstreifen trotz aller bisher angewandten Perfektion immer noch bei Langzeitversuchen und im dynamischen Betrieb Kriech-Effekte auf. Auch bedürfen außenbefestigte Dehnungsmeßstreifen noch eines besonderen Schutzmantel gegen Beschädigungen.The disadvantage of such a test is the inhomogeneity of the structure. The change in shape of the machine part is namely transferred to the carrier of the strain gauge via an adhesive layer and from this on the actual measuring grid, whereby errors can easily creep in. When a machine part For example, if it is under tension for months, the adhesive layer and the strain gauge will creep therefore subsides in its display. On the other hand, if the machine part is dynamically stressed, the Durability be considerably higher than that of the adhesive layer, as this becomes brittle and tears, which completely falsifies the measurement. In this respect, strain gauges occur despite all the perfection applied so far, still in long-term tests and in dynamic operation Creep effects on. Externally attached strain gauges also require a special protective jacket against damage.

Es ist deshalb bei einem gattungsgemäßen Kraftmeßgerät bekannt (DE-OS 23 14 181), die Dehnungsmeßstreifen innerhalb, vorzugsweise zweier Teile anzuordnen. Dabei können diese Teile auch aus zwei ineinandergesteckten bzw. geschrumpften Ringen bestehen, in deren Berührungszone die Dehnungsstreifen eingebaut sind.It is therefore known in a generic force measuring device (DE-OS 23 14 181), the strain gauges to be arranged within, preferably two parts. These parts can also consist of two nested parts or shrunk rings exist, in the contact zone of which the stretch marks are built into are.

Derartige Meßdosen haben jedoch den Nachteil, daß sie kompliziert in der Herstellung und daher teuer sind. Außerdem können Temperaturunterschiede durchaus zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen, weil sich die Materialien unterschiedlich ausdehnen, wodurch ein Lösen der Dehnungsmeßstreifen möglich ist. Insbesondere sind die Meßdosen nicht zum Registrieren von kleinen Kräften und Momenten geeignet.However, such load cells have the disadvantage that they are complicated to manufacture and therefore expensive. In addition, temperature differences can lead to a falsification of the measurement results because the materials expand differently, which makes it possible to loosen the strain gauges. In particular, the load cells are not suitable for registering small forces and moments.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Kraftmeßgerät der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß dieses absolut sicher arbeitet, einfach und leicht herzustellen ist und welches eine lange Lebensdauer aufweist.The object of the invention is therefore to further develop a force measuring device of the type described at the outset in such a way that that it works absolutely safely, is simple and easy to manufacture, and that it takes a long time Has lifetime.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die vorzugsweise ring- oder .'phrförmigen Teile ebenfalls aus dünnen Folien bestehen, und daß jeweils mehrere oder eine Vielzahl solcher Folien einschließlich der eingebetteten Folien-Meßgitter durch Kleben, Aushärten, Schweißen o. ä. fest miteinander verbunden sind.According to the invention, the object is achieved in that the preferably ring-shaped or .'phr-shaped parts also consist of thin foils, and that in each case several or a plurality of such foils including the embedded foil measuring grid are firmly connected to one another by gluing, curing, welding or the like.

Sowohl die dünnen Foiien als auch die Folien-Meßgitter sind leicht herstellbar. Die ring- oder rohrförmigen Teile werden entweder durch Wickeln oder durch Auflegen einer Folienbahn nach der anderen auf einen Kern, der später entfernt wird, gefertigt, wobei man die entsprechenden Folien-Meßgitter lediglich zwischenlegt. Je nachdem, welches Material für die dünnen Folien verwendet wird, sind die einzelnen Folienbahnen rr't geeigneten Mitteln bestrichen, die dann beim nachfolgenden Pressen und/oder Erhitzen ein Zusammenschweißen oder -sintern der Oberflächen begünstigen. Die Mittel werden dcbei derart dünn aufgetragen, daß die Klebstoffschiclit nur etwa die Stärke eines Moleküles hat und daher von einer Inhomogenität des Fertigproduktes, auch durch das Einlegen der nur wenige μ starken Folien-Meßgitter keine Rede mehr sein kann.Both the thin foils and the foil measuring grids are easy to manufacture. The annular or tubular Parts are made either by winding them or by placing one sheet of film on top of the other Core, which will be removed later, manufactured, with the appropriate foil measuring grid merely being placed in between. Depending on which material is used for the thin foils, the individual foil webs are rr't coated suitable means, which then with the following Pressing and / or heating promote welding or sintering of the surfaces. The agents are applied so thinly that the adhesive layer is only about the thickness of a molecule has and therefore of an inhomogeneity of the finished product, also due to the insertion of only a few μ strong foil measuring grid can no longer be a question.

Sollen nur kleinere Kräfte gemessen werden, so wird nach der Erfindung vorgeschlagen, die dünnen Folien aus einem faserverstärkten Kunststoff herzustellen, weil diese einen kleineren Elastizitätsmodul besitzen und daher bei handlichen Abmessungen gut meßbare Verformungen aufweisen. Vorteilhafterweise wird für die Folien ein mit Kunstharz getränktes Kohlefasergewebe verwendet, das eine hohe Festigkeit aufweist und mitIf only smaller forces are to be measured, the invention proposes the use of thin foils made of a fiber-reinforced plastic because they have a smaller modulus of elasticity and therefore have easily measurable deformations with manageable dimensions. It is advantageous for the foils a carbon fiber fabric impregnated with synthetic resin is used, which has a high strength and with

einer Stärke von 0,2 mm handelsüblich beziehbar ista thickness of 0.2 mm is commercially available

Sollen hingegen größere Kräfte gemessen werden, so wird vorgeschlagen, die dünnen Folien aus Metall, vorzugsweise aus harten Cu-Be-Legierungen herzustellen. Folien aus Metall sind an und für sich aus der DE-OS 23 14 181 bekanntIf, on the other hand, larger forces are to be measured, it is suggested that the thin foils made of metal, preferably made from hard Cu-Be alloys. Foils made of metal are in and of themselves from the DE-OS 23 14 181 known

Als Werkstoff für die Meßgitter wird nach der Erfindung vorgeschlagen, ein in weiten Grenzen duktiles Metall, beispielsweise Gold oder eine Goldlegierung zu verwenden, da es zur Erzielung eines hysteresearmen to Rohres beispielsweise aus Kunststoff, vielfach erforderlich ist, das Rohr während des Fertigungsvorganges zu recken. Hierdurch könnte sonst der Zusammenhalt des Meßgitters mit den Folien zerstört werden. Auch bei evtl. Preßvorgängen o. ä. ist es erforderlich, daß Meßgitter aus einem duktilen und keinem spröden Material herzustellen, da dieses ebenfalls dem Preßvorgang unterworfen istAs a material for the measuring grid according to the invention proposed a metal that is ductile within wide limits, for example gold or a gold alloy use, since it is often necessary to achieve a low-hysteresis tube made of plastic, for example is to stretch the pipe during the manufacturing process. Otherwise the cohesion of the Measuring grid are destroyed with the foils. Even with possible pressing processes or the like, it is necessary that a measuring grid made of a ductile and not a brittle material, as this is also subjected to the pressing process is

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, für die Meßgitter ein Metall zu verwenden, welches auf eine der Folien aufgedampft oder in ähnlicher Weise aufgebracht wird. Die nicht zum Meßgitter gehörenden Flächen werden danach weggeätzt.In a further embodiment of the invention it is proposed to use a metal for the measuring grid, which is vapor-deposited on one of the foils or applied in a similar manner. The ones not to the measuring grid belonging areas are then etched away.

Um die Homogenität des gesamten Rohres isicht zu beeinflussen, wird schließlich noch vorgeschlagen, die Anschlußdrähte für die Folien-Meßgitter weitgehend radial sus dem Folienpaket herauszuführen.In order to ensure the homogeneity of the entire pipe is not increased affect, it is finally proposed that the connecting wires for the film measuring grid largely radially sus lead out the foil package.

Die Meßgitter sind also trägerlos homogen in das Gefüge von jeweils zwei Folien eingebunden, wodurch sichergestellt ist, daß sie die volle Dehnung des zu messenden Maschinenteils mitmachen. Zudem bestehen keine Festigkeitsunterschiede. Bei dynamischem Betrieb zeigen die Meßgitter solange richtig an, solange das aus den Folien zusammengesetzte Rohr oder der Ring intakt ist. Erst eine beginnende Zerstörung desselben wirkt sich auch auf die Meßgitter aus.The measuring grids are thus integrated homogeneously into the structure of two foils without a carrier, whereby it is ensured that it has the full extension of the measured Participate in the machine part. In addition, there are no differences in strength. In dynamic operation show the measuring grid correctly as long as the tube or the Ring is intact. Only the beginning of its destruction also affects the measuring grid.

Die Erfindung soll sich nicht nur auf Rohre oder Ringe beschränken, denn es lassen sich selbstverständlich auch alle anderen prismatischen und zylindrischen Formen auf die beschriebene Art herstellen, ebenso auch schaienförmige Bauteile.The invention is not intended to apply only to tubes or rings because all other prismatic and cylindrical shapes can of course also be used Manufacture in the manner described, as well as shawl-shaped components.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigtFurther details of the invention can be found in the following description of a schematic diagram in the drawings illustrated embodiment can be taken. It shows

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Kraftmeßgerät in vergrößertem Maßstab,1 shows a cross section through a force measuring device on an enlarged scale,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 nochmals vergrößert, F i g. 2 shows an excerpt from FIG. 1 enlarged again,

F i g. 3 das Kraftmeßgerät nach F i g. 1 in montiertem Zustand.F i g. 3 the force measuring device according to FIG. 1 in assembled State.

In Fig. 1 sind um einen Kern 1 vorher mit einem Bindemittel bestrichene dünne Folien 2, 3, 4, 5, 6 von etwa 0,2 mm Stärke der Reihe nach aufeinandergewikkelt und durch Pressen und/oder Erhitzen zusammengeschweißt. Vorher wurden zwischen den Folien 4 und !f als Widerstandsgeber dienende, trägerfreie Folien-Meßgitter 7, 8 eingelegt, die mit den angrenzenden Folien verschweißt sind. Es sei erwähnt, daß f'ie Anzahl der Folien nicht begrenzt ist und sich je nach der Größe der zu messenden Kräfte richtet. Die Anschlußdrähte 9, 10, 11,12 für die Meßgitter 7,8 sind in radialer oder nahezu radialer Richtung aus den Folien 5 und 6 nach außen geführt.In Fig. 1, thin foils 2, 3, 4, 5, 6 of about 0.2 mm thickness previously coated with a binding agent are wound around a core 1 one after the other and welded together by pressing and / or heating. Before that, carrier-free film measuring grids 7, 8, which serve as resistance transmitters and which are welded to the adjacent films, were inserted between the films 4 and ! It should be mentioned that the number of foils is not limited and depends on the magnitude of the forces to be measured. The connecting wires 9, 10, 11, 12 for the measuring grids 7, 8 are led outwards from the foils 5 and 6 in a radial or almost radial direction.

Aus F i g. 2 ist erkennbar, daß die Meßgitter 7 im Verhältnis zu den Folien 4, 5 relativ dünn sind. Sie haben eine Stärke von nur wenigen μ und können sich daher durch Kleben und Pressel, leicht homogen mit den Folien 4,5 zu einer Einheit verbinden.From Fig. 2 it can be seen that the measuring grid 7 in relation to the foils 4, 5 are relatively thin. They have a strength of only a few μ and can therefore by gluing and pressing, slightly homogeneous with the foils 4.5 combine to form a unit.

In F i g. 3 ist das komplette Kraftmeßgeräi. um ein mit Innendruck beaufschlagbares Rohr 13 montiert, um die Aufweitung festzustellen. Die Meßgitter 7, 8 sind durch die Anschlußdrähte 9, 10, 11, 12 mit Kornpensations-Dehnungsstreifen 14,15, die auf einem neutralen Streifen geklebt sein können, zu einer Vollbrücke verschaltet Die Vollbrücke wird von einem Speisegerät 17 beispielsweise mit Trägerfrequenz gespeist, die Diagonalspannung dann über die Leitungen 18,19 abgenommen und in einem Verstärker 20 derart verstärkt, daß sie an einem Meßinstrument 21 angezeigt werden kann.In Fig. 3 is the complete force measuring device. to a with Internal pressure can be pressurized pipe 13 mounted to determine the expansion. The measuring grids 7, 8 are through the connecting wires 9, 10, 11, 12 with compensation stretch marks 14,15, which are on a neutral strip can be glued, interconnected to form a full bridge. The full bridge is supplied by a supply device 17, for example fed with carrier frequency, the diagonal voltage is then taken over the lines 18,19 and amplified in an amplifier 20 in such a way that it can be displayed on a measuring instrument 21.

Die Brückenschaltung stellt nur ein Beispiel dar, sie ist nicht unbedingt mit der Erfindung als gebunden zu betrachten. The bridge circuit is only an example; it is not necessarily to be regarded as tied to the invention.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Force measuring device for measuring tensile, compression and thrust forces as well as bending and / or torsional moments, which consists of at least two, for example by welding, gluing or the like firmly connected, preferably ring-shaped or tubular parts, between which there is a thin film and strain gauges or resistance sensors are embedded, the latter being designed as foil measuring grids, characterized in that the preferably ring-shaped or tubular parts also consist of thin foils (2 to 6) and that several or a large number of such foils (2 to 6) including the embedded film measuring grid (J, 8) are firmly connected to one another by gluing, curing, welding or the like.

2. Force measuring device according to claim 1, characterized in that that the thin foils (2 to 6) are made of fiber-reinforced plastic.

3. Force measuring device according to claims 1 and 2, characterized in that the thin films (2 to 6) consist of a carbon fiber fabric soaked with synthetic resin.

4. Force measuring device according to claim 1, characterized in that the thin films (2 to 6) Metal, preferably made of hard Cu-Be alloys.

5. Force measuring device according to claim 1, characterized in that « that the foil measuring grid (7, 8) made of a metal that is ductile within wide limits, for example Gold or a gold alloy.

6. Force measuring device according to claim 1, characterized in that the foil measuring grid (7,8) is carrierless, are homogeneously integrated into the structure of the thin foils (5,6).

7. Force measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring grid (7,8) consists of one consist of a thin film (5) of vapor-deposited metal, in which the areas that do not belong to it are etched away are.

8. Force measuring device according to claim 1, characterized in that the connecting wires for the foil measuring grid (7, 8) are carried out largely radially from the package of thin foils (2 to 6).