DE2856607C2 - Force transducer for measuring forces acting on a test body - Google Patents

Force transducer for measuring forces acting on a test body

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DE2856607C2 DE19782856607 DE2856607A DE2856607C2 DE 2856607 C2 DE2856607 C2 DE 2856607C2 DE 19782856607 DE19782856607 DE 19782856607 DE 2856607 A DE2856607 A DE 2856607A DE 2856607 C2 DE2856607 C2 DE 2856607C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a force transducer according to the preamble of claim 1.

Derartige Kraftaufnehmer sind Meßgrößenumformer, die die auf sie einwirkende Last in ein analoges elektrisches Signal umformen. Diese Umformung erfolgt mit einem Federkörper, der sich unter Einwirkung der zu messenden Belastung verformt und dessen Verformung mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen erfaßt wird.Such force transducers are transducers that convert the load acting on them into an analog transform electrical signal. This reshaping takes place with a spring body, which is under action deformed by the load to be measured and its deformation with the help of strain gauges is detected.

Die Dehnung auf der Oberfläche des Federkörpers ist dabei proportional der Belastung. Im Dehnungsmeßstreifen (einem metallischen Widerstandsgitter) wird die Dehnung praktisch ohne Verlust und ohne Einbuße an Genauigkeit direkt in eine elektrische Widerstandsänderung umgeformt. Die Umformung geschieht also auf dem denkbar kürzesten mechanischen Wege, völlig ohne bewegliche Teile. Hinzu kommt, daß die Massen der Dehnungsmeßstreifen praktischThe expansion on the surface of the spring body is proportional to the load. In the strain gauge (a metallic resistance grid) the elongation is practically without loss and without Loss of accuracy converted directly into a change in electrical resistance. The transformation takes place in other words, using the shortest possible mechanical route, without any moving parts. Come in addition, that the masses of the strain gauges are practical

ίο vernachlässigbar sind, so daß das dynamische Verhalten des Kraftaufnehmers dadurch nicht verändert wird.ίο are negligible, so that dynamic behavior of the force transducer is not changed as a result.

In der US-PS 2 466 034 ist ein Hohlnippel beschrieben, der zur Messung der Zugspannung in Bohrge-In US-PS 2,466,034 a hollow nipple is described which is used to measure the tensile stress in drilling

stangen mit Dehnungsmeßstreifen versehen ist. Dabei sind die Dehnungsmeßstreifen mit ihren Längsachsen parallel zur Längsachse des Nippels angeordnet. Die von dem Flüssigkeitsdruck herrührende Dehnungsspannung soll ausgeschaltet werden. Diese Vorrich- tung bezieht sich auf ein Spezialgebiet und ist hierzu besonders ausgebildet.rods is provided with strain gauges. Included the strain gauges are arranged with their longitudinal axes parallel to the longitudinal axis of the nipple. the The tensile stress resulting from the fluid pressure should be eliminated. This device tung refers to a special field and is specially trained for this.

Für die Gestaltungeines Federkörpers, der an einer gewünschten Stelle an oder zwischen dem entsprechend geteilten Prüfkörper angeordnet werden muß, sind verschiedene Gesichtspunkte maßgebend, so u. a. Belastungsrichtung und -größe, Meßgenauigkeit und geometrische Forderungen (z. B. Einbaumaße).For the design of a spring body, which is at a desired point on or between the corresponding divided test specimens must be arranged, different aspects are decisive, so inter alia. Direction and size of load, measurement accuracy and geometric requirements (e.g. installation dimensions).

In vielen Fällen, z. B. bei der Prüfung bestimmter Spurstangen, ist der Einbauraum in radialer Richtung beschränkt.In many cases, e.g. B. when testing certain tie rods, the installation space is in the radial direction limited.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftaufnehmer zu schaffen, der einen möglichst kleinen Außendurchmesser bei sehr guter Meßgenauigkeit aufweist.The present invention is therefore based on the object of creating a force transducer which has the smallest possible outer diameter with very good measurement accuracy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1 solved.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Federkörpers wird ein Kraftaufnehmer geschaffen, dessen Außendurchmess.er nur um ein geringes Maß größer ist als der des zu prüfenden Körpers. Zug- und Druckkräfte erzeugen nun ein Biegemoment in dem Federkörper. Die gewählte Anordnung der Dehnungsmeßstreifen jeweils paarweise an der Wand der Aussparung und an der Außenwand des Federkörpers führt zu einer Dehnung des entsprechenden Dehnungsmeßstreifens, die proportional der Belastung ist. Die Biegung des Federkörpers erfolgt dabei im wesentlichen quer zur Kraftrichtung.The inventive design of the spring body, a force transducer is created whose Outside diameter is only slightly larger than that of the body to be tested. Train and Compression forces now generate a bending moment in the spring body. The chosen arrangement of the strain gauges in pairs on the wall of the recess and on the outer wall of the spring body leads to a stretching of the corresponding strain gauge, which is proportional to the load. The bending of the spring body takes place essentially transversely to the direction of force.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer ist die Forderung nach e: ner hohen Meßgenauigkeit ohne zu starke Schwächung des Federkörpers erfüllt. Gleichzeitig ist der Kraftaufnehmer auch nicht so weich, als daß er die Steifigkeit des Prüfaufbaues negativ beeinflußt.In the force transducer according to the invention, the requirement for a high level of measurement accuracy does not apply too strong weakening of the spring body fulfilled. At the same time, the force transducer is not like that either soft than that it negatively affects the rigidity of the test setup.

Da sich der Federkörper nur quer zur Kraftrichtung verbiegt, ergibt sich in vorteilhafter Weise nur eine sehr geringe Längenänderung des Kraftaufnehmers. Durch die erfindungi.gemäße Ausbildung des Feder-Since the spring body only bends transversely to the direction of force, there is advantageously only one very little change in length of the force transducer. Due to the inventive design of the spring

bo körpers ergibt sich als weiterer Vorteil, daß der Biegemomentenverlauf übsr dem Federkörper, abgesehen von dem Übergangshereich bei den Querschnittserweiterungen. überall gleich groß ist. Aus diesem Grunde können die paarweise anzuordnenden Dennungsmeßstreifen an beliebiger Stelle liegen.bo körpers has a further advantage that the bending moment curve over the spring body, apart from the transition area in the widened cross-section. is the same size everywhere. For this reason, the Dennung measuring strips, which are to be arranged in pairs lie anywhere.

Eine fertigungsmäßige einfache Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Aussparung als Längsschlitz und die Querschnittserweiterungen alsA simple manufacturing embodiment of the invention is that the recess as Longitudinal slot and the cross-sectional enlargements as

sich an den Längsschlitz anschließende Rundbohrungen mit größeren Durchmessern ausgebildet sind.round bores with larger diameters adjoining the longitudinal slot are formed.

Von Vorteil ist es, wenn der Federkörper mit einem Schutzrohr versehen ist, in dem die Steckdose für die Dehnungsmeßstreifen angeordnet ist.It is advantageous if the spring body is provided with a protective tube in which the socket for the Strain gauges is arranged.

Durch diese Maßnahme ist der Kraftaufnehmer hinreichend gegen Beschädigunger und gegen Verschmutzung geschützt, wobei die gleichzeitige Aufnahme der Steckdose eine fertigungstechnisch einfache Lösung darstellt.As a result of this measure, the force transducer is adequately protected against damage and contamination protected, the simultaneous inclusion of the socket is a simple manufacturing technology Solution represents.

Eine einfache Verbindung mit dem zu prüfenden Körper ist gegeben, wenn die Anschlußstutzen mit Innengewindebohrungen versehen sind.A simple connection with the body to be tested is given if the connecting pieces have internally threaded holes are provided.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 Längsschnitt durch einen solchen Kraftaufnehmer nach der Linie I-I der Fig. 2,Fig. 1 is a longitudinal section through such a force transducer along the line I-I of Fig. 2,

Fig. 2 Schnitt nach der Linie Π-ΙΙ der Fig. 1,Fig. 2 section along the line Π-ΙΙ of Fig. 1,

Fig. 3 Biegemomentenverlauf über dem Kraftaufnehmer, Fig. 3 bending moment curve over the force transducer,

Fig. 4 Längsschnitt (ausschnittsweise) durch einen Federkörper anderer Ausbildung.Fig. 4 longitudinal section (partial) through a spring body of a different design.

Der Kraftaufnehmer weist einen Federkörper 1 auf, der in einem Schutzrohr 2 angeordnet ist. Zwei Anschlußstutzen 3 und 4, die mit Innengewindebohrungen S und 6 versehen sind, an dem Federkörper 1 dienen zur Verbindung mit dem — gestrichelt dargestellten - Prüfkörper 7.The force transducer has a spring body 1 which is arranged in a protective tube 2. Two Connection pieces 3 and 4, which are provided with internally threaded bores S and 6, on the spring body 1 serve to connect to the test body 7 - shown in dashed lines.

Der Federkörper 1 weist im Bereich der Längsachse eine durchgehende symmetrische Aussparung als Längsschlitz 8 auf, an dessen Enden sich Bohrungen 9 und 10 anschließen. Die verbleibenden Längs-Stege 12 und 13 des Federkörpers 1 dienen dabei zur Messung.The spring body 1 has a continuous symmetrical recess in the region of the longitudinal axis as a longitudinal slot 8, at the ends of which bores 9 and 10 are connected. The remaining longitudinal bars 12 and 13 of the spring body 1 are used for measurement.

Jeweüs paarweise an einer Wand des Längsschlitzes 8 und an der dazugehörigen Seite an der Außenwand des Federkörpers 1 bzw. an den Stegen 12 und 13 sind Dehnungsmeßstreifen 11 angeordnet. Aufgrund des konstanten Biegemomentenverlaufes in dem Federkörper, wie aus Fig. 3 ersichtlich, können die Dehnungsmeßstreifen, wie angegeben, an beliebiger Stelle der Längsstege 12 und 13 (mit Ausnahme des Übergangsbereiches von dem Längsschlitz 8 zu der Bohrung 9 oder 10) angeordnet sein. Notwendig sind jedoch nur jeweils zwei sich spiegelbildlich gegenüberliegende Paare von Dehnungsmeßstreifen,In each case in pairs on one wall of the longitudinal slot 8 and on the associated side on the outer wall of the spring body 1 or on the webs 12 and 13, strain gauges 11 are arranged. Because of of the constant bending moment curve in the spring body, as can be seen from FIG. 3 the strain gauges, as indicated, at any point on the longitudinal webs 12 and 13 (with the exception of of the transition area from the longitudinal slot 8 to the bore 9 or 10). Necessary however, there are only two mirror images of each other Pairs of strain gauges,

;o z. B. die vier auf der Querachse liegenden Dehnungsmeßstreifen. Die Dehnungsmeßstreifen sind in bekannter Weise mit einigen Korrektur- und Abgleichelementen zu einer Wheatstone-Briicke zusammengeschaltet. Durch die gewählte paarweise Anordnung der Dehnungsmeßstreifen und der Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke wurden äußere Einwirkungen, insbesondere Temperaturänderungen sowie ungleich Belastung der beiden Schenkel, hervorgerufen durch ein der Zug-/Druckkraft überlagertes, äußeres unerwünschtes Biegemoment, kompensiert und haben somit keinen Einfluß auf die Meßspannung.; o z. B. the four strain gauges lying on the transverse axis. The strain gauges are in a known manner with some correction and adjustment elements interconnected to form a Wheatstone bridge. Due to the chosen arrangement in pairs the strain gauges and the connection to a Wheatstone bridge were external influences, in particular temperature changes as well as unequal loading of the two legs compensated by an external undesired bending moment superimposed on the tensile / compressive force and have thus no influence on the measuring voltage.

Dehnungsmeßstreifen sind passive Geber. So bedürfen die Kraftaufnehmer einer geeigneten Stromversorgung. In der Wahl der Stromart besteht jedoch keine Einschränkung. Die Stromversorgung sowie das Abgreifen der Meßspannung wird über eine in dem Schutzrohr 2 angeordnete Steckdose 14 erreicht.Strain gauges are passive sensors. The force transducers require a suitable power supply. However, there are no restrictions on the choice of current type. The power supply as well as the tapping of the measuring voltage is achieved via a socket 14 arranged in the protective tube 2.

Wie aus der strichlierten Linie in der Fi g. 3 ersichtlich, erfolgt die Verformung des Federkörpers im wesentlichen quer zur Kraftrichtung. Dadurch tritt nur eine sehr geringe Längenänderung auf.As can be seen from the dashed line in FIG. 3, the deformation of the spring body takes place essentially across the direction of force. As a result, there is only a very small change in length.

In der Fig. 4 ist ausschnittsweise ein Federkörper 1 dargestellt, der statt der runden Bohrungen 9 bzw. 10, die einfacher herzustellen sind, mit rechteckigen Ausnehmungen 9' bzw. 10' (nicht dargestellt) versehen sind. Durch diese Ausbildung wird ein vollständig gleichmäßiger Biegemomentenverlauf erreicht.4 shows a section of a spring body 1 shown, which instead of the round holes 9 and 10, which are easier to manufacture, with rectangular recesses 9 'and 10' (not shown) are provided. Through this training one becomes complete uniform bending moment curve achieved.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kraftaufnehmer zur Messung von auf einen Prüfkörper einwirkenden Kräften, insbesondere zum Messen der auf eine Spurstange einer Kraftfahrzeuglenkung einwirkenden Zug- und Druckkräfte, mit einem mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Federkörper, der mit Anschlußstutzen zur Verbindung mit dem Prüfkörper versehen ist, der als länglicher Körper ausgebildet ist, dessen Außenkontur nur um ein geringes Maß größer ist als die des Prüfkörpers und der in Längsrichtung im Bereich der Längsachse eine Aussparung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß1. Force transducer for measuring forces acting on a test body, in particular for measuring the tensile and compressive forces acting on a tie rod of a motor vehicle steering system, with a spring body provided with strain gauges, the one with connecting piece is provided for connection to the test body, which is designed as an elongated body, whose The outer contour is only slightly larger than that of the test body and that in the longitudinal direction has a recess in the area of the longitudinal axis, characterized in that a) die Aussparung (8) sich quer durch den Federkörper (1) erstreckt,a) the recess (8) extends transversely through the spring body (1), b) die Breite der Aussparung (8) so «roß ist, daß zur Erreichung einer geringen Biegesteifigkeit nur ein geringer Restquerschnitt der durch die Aussparung (8) gebildeten Stege (12, 13) des Federkörpers (1) bleibt,b) the width of the recess (8) is so large that to achieve a low flexural rigidity only a small residual cross-section of the webs formed by the recess (8) (12, 13) of the spring body (1) remains, c) das untere und das obere Ende der Aussparung (8) jeweils mit einer Querschnittserweiterung (9, 10) versehen ist,c) the lower and the upper end of the recess (8) each with an enlarged cross-section (9, 10) is provided, d) der Federkörper (1) an seiner Außenwand derartige Ausnehmungen aufweist, daß die Wandstärke der Stege (12,13) trotz der Erweiterungen (9,10) überall etwa gleich groß ist,d) the spring body (1) has such recesses on its outer wall that the The wall thickness of the webs (12, 13) is roughly the same everywhere, despite the extensions (9, 10) is, e) die Dehnungsmeßstreifen (11) sich jeweils paarweise gegenüberliegend an der Wand der Aussparung (8) und an der Außenwand des Federkörpers (1) angeordnet sind.e) the strain gauges (11) are opposite each other in pairs on the wall the recess (8) and on the outer wall of the spring body (1) are arranged. 2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung als Längsschlitz (8) und die Querschnittserweiterungen als sich an den Längsschlitz (8) anschließende Bohrungen (9, 10) ausgebildet sind.2. Force transducer according to claim 1, characterized in that the recess as a longitudinal slot (8) and the widened cross-section as bores adjoining the longitudinal slot (8) (9, 10) are formed. 3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung als Längsschlitz (8) und die Querschnittserweiterungen als sich an den Längsschlitz (8) anschließende Durchbrechungen (9) mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.3. Force transducer according to claim 1, characterized in that the recess is a longitudinal slot (8) and the widened cross-section as openings adjoining the longitudinal slot (8) (9) are designed with a rectangular cross-section. 4. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkörper (1) mit einem Schutzrohr (2) versehen ist, in dem die Steckdose (14) für die Dehnungsmeßstreifen (11) angeordnet ist.4. Force transducer according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the spring body (1) is provided with a protective tube (2) in which the socket (14) for the strain gauges (11) is arranged. 5. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, die Anschlußstutzen (3,4) mit Innengewindebohrungen (S, 6) versehen sind.5. Force transducer according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the connecting piece (3, 4) are provided with internally threaded holes (S, 6).
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