DE2926213C2 - Pyramidenwaage zur Ermittlung von Kräften und Momenten, insbesondere in Windkanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pyramidenwaage zur Ermittlung von Kräften und Momenten, insbesondere in Windkanälen, mit einer Momenten- und einer Kraftmeßebene, einer Stützanordnung zur Abstützung eines im virtuellen Zentrum der Pyramidenwaage angeordneten Prüflings oberhalb der Momentenmeßebene, Gelenkstützen zur Abstützung der Momentenmeßebene auf der Kraftmeßebene auf dem Fundament oder auf einem Grundrahmen sowie mit an den beiden Meßebenen angeordneten Kraftmeßeinrichtungen für die Kraft- und Momentenmessung.

Für Windkanalmessungen sind eine ganze Reihe von Mehrkomponentenmeßeinrichtungen bekannt, mit denen Kräfte in den drei Raumachsen und die an den Achsen auftretenden Momente gemessen werden können. Bekannt sind beispielsweise Plattformwaagen Jochwaagen und Pyramidenwaagen. Bei sehr genauen Meßeinrichtungen war man bisher bestrebt, die zu ermittelnden Kräfte und Momente möglichst einzeln zu erfassen, um eine gegenseitige Beeinflussung auszuschalten und Meßfehler zu vermeiden.

Bei Pyramidenwaagen werden die zu messenden Kräfte und Momente in zwei verschiedenen Meßebenen erfaßt, die in. weitere Meßebenen aufgeteilt sein können. Der Prüfling befindet sich hierbei in einem durch die Spitze einer Pyramide gebildeten virtuellen Zentrum. Er ist durch eine oder mehrere Stützen auf den unterhalb des Zentrums angeordneten Meßebenen abgestützt Die erste Meßebene, die Momentenmeßebene ist durch Gelenkstützen, die in Richtung des virtuellen Zentrums verlaufen, gelenkig mit der darunter gelegenen zweiten Meßebene für die Kraftmessung verbunden. Die Gelenkstützen bilden hierbei die Kanten eines Pyramidenstumpfes. Die Kraftmeßebene ist durch weitere Abstützungen mit dem Fundament oder einem Grundrahmen verbunden.

Die auf den Prüfling wirkenden horizontalen Kräfte werden in der Kraftmeßebene (für beide Achsrichtungen) gemessen. Vertikale Kräfte können über die Abstützungen der Kraftmeßebene ermittelt werden. Die im virtuellen Zentrum wirkenden Momente werden durch Kraftmessungen in der Momentmeßebene erfaßt Mit einer Pyramidenwaage können die im virtuellen Zentrum der Waage wirkenden Kräfte und Momente einzeln gemessen werden.

Die bekannten Pyramidenwaagen, z. B. nach US-PS 36 13 443, sind in ihrem Aufbau recht aufwendig. Die Justage bzw. Kalibrierung eines solchen Systems erfordert einen erheblichen meßtechnischen Aufwand. Änderungen an dem justierten System und die Anpassung an unterschiedliche Prüfbedingungen bzw. Prüflinge sind praktisch nicht möglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pyramidenwaage zu schaffen, die eine gute Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Prüflinge aufweist, wobei die Waage z. B. für unterschiedliche virtuelle Zentren umschaltbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die weiteren Ansprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfindung.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, eine Pyramidenwaage ohne Genauigkeitseinbuße für unterschiedliche virtuelle Zentren auszuführen. Bei Pyramidenwaagen, bei denen die Kraftmeßeinrichtungen aus Kraftmeßdosen bestehen, die über Gelenkstützen beaufschlagbar oder abstützbar sind, ist es möglich, mindestens zwei Kraftmeßdosen an einer Meßstelle anzuordnen und die Meßbereiche durch Ab- bzw. Zuschaltung der Gelenkstützen umschaltbar auszuführen.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Pyramidenwaage nach der Erfindung in stark vereinfachter schematischer Darstellung,

F i g. 2 eine Gelenkstütze mit einem Bauteil zur Änderung der Lagesteifigkeit der Sütze.

Die dargestellte Pyramidenwaage (Fig. 1) dient zur Messung der in den drei Achsen Ai, y, ζ auftretenden Kräfte Fx, Fy und Fz und der Momente Tx, Ty und Tz. Der Schnittpunkt der Achsen bilden das virtuelle Zentrum der Waage. Ein Prüfling, beispielsweise ein Flugzeugmodell, wird im virtuellen Zentrum angeordnet und beispielsweise auf einer Stütze 5 befestigt.

Die Stütze 5 ist starr mit der horizontal angeordneten Momentenmeßebene M verbunden. Die Momentenmeßebene M kann aus einem genügend steif ausgebildeten Rahmen oder einem ähnlichen konstruktiven Aufbau bestehen. An den Ecken der dreieckig ausgebildeten Momentenmeßebene M sind Gelenkstützen 7*1 bis T3 angeordnet, die die Momentenmeßebene M gelenkig mit einer parallelen Kraftmeßebene K verbinden. Die Kxaftmeßebene K ist ähnlich wie die Momentenmeßebene M ausgebildet und über vertikale Gelenkstützen G 6 bis G 8 auf dem Fundament oder auf einem Grundrahmen abgestützt

Die Kraftmeßebene K und die Momentenmeßebene M bilden zusammen mit den Gelenkstützen TI — T3 den Stumpf einer dreiseitigen Pyramide. Die Gelenkstützen Ti — T3 stellen die Kanten des Pyramidenstumpfes dar. Ihre Verlängerungen schneiden sich im virtuellen Zentrum der Waage. Anstelle des dreiseitigen Pyramidenaufbaus kann auch ein vierseitigei Pyramidenaufbau vorgesehen werden.

Zur Ermittlung der im virtuellen Zentrum auftretenden Kräfte und Momente sind nur schematisch angedeutete Kraftmeßdosen R 1 — RS für Zug- und Druckkräfte an der Kraftmeßebene K bzw. dem Fundament angeordnet Die Kraftmeßdosen Ri-RS werden über Gelenkstützen Ci-G8 beaufschlagt, so daß Beeinflussungen durch Querkräfte weitgehend ausgeschaltet werden.

Die Gelenkstützen weisen an ihren Enden allseitig bewegliche elastische Gelenke auf, z. B. Kreuzfedergelenke oder ähnlich wirkende Gelenke, z. B. in axialer Richtung harte, aber biegeweiche Stabteile (in F i g. 1 durch kleine Kreise angedeutet), über die sie mit den Meßebenen bzw. dem Fundament oder Grundrahmen verbunden sind. Die Gelenkstützen Ti — T3 sind gleich oder ähnlich ausgebildet.

Abweichend von der Darstellung in F i g. 1 können die Kraftmeßdosen Ri-RS jeweils auch am anderen Ende der Gelenkstützen, d. h. unmittelbar an den Meßebenen M und K, angeordnet werden. Die gelenkige Abstützung kann auch so ausgeführt sein, daß die Kraftmeßdosen zwischen den Gelenken der Gelenkstützen eingebaut sind.

Die Kraftmeßdosen R i — R 3, die die in der Momentenmeßebene M auftretenden horizontalen Kräfte aufnehmen, sind in Fig. 1 auf der Kraftmeßebene K abgestützt. Sie können jedoch (in nicht dargestellter Weise) auch direkt am Fundament oder an einem Grundrahmen abgestützt werden. Diese Art der Abstützung kann für bestimmte Einsatzfälle vorteilhaft sein.

Die Kraftmeßdose R 1 dient zur Ermittlung des Momentes Tz um die z- Achse (Rollmoment). Sie ist in einer durch das virtuelle Zentrum gehenden vertikalen Ebene angeordnet. Das Moment Tz ergibt sich aus der an der Kraftmeßdose R 1 angezeigten Kraft und dem senkrechten Abstand des virtuellen Zentrums von der Wirkungsrichtuflg von R 1.

Die Kraftmeßdosen R 2 und R 3 sind senkrecht zur Wirkrichtun^ von R i und symmetrisch zu der durch das virtuelle Zentrum gehenden Hochachse der Waage angeordnet. Cüs Moment Tx um die x-Achse (Nickmoment) ergib' sieb aus der Addition der Meßwerte von R 2 und R 3 und <iem senkrechten Abstand des virtuellen Zentrums vor¹ der Wirkrichtung der beiden Dosen.

Da die S'Ütze 5 starr mit der Momentenmeßdose M verbunden ^t, kann auch das Moment Ty um die Hochachse (Gie('moment) aus den Meßwerten von R 2 und R 3 ermittelt werden. Das Giermoment Ty ergibt sich im dargestellten Beispiel aus der Subtraktion der beiden mit Vorzeichen versehenen Meßwerte und dem senkrechten Abstand der Wirkrichtung der beiden Kräfte von der Hochachse.

Die Kraftmeßdosen Ri-R3 können auch an beliebigen anderen Punkten der Momentenmeßebene und auch in beliebigen anderen horizontalen Wirkrichtungen angeordnet werden, wobei allerdings nicht alle drei Wirkrichtungen parallel sein dürfen. Beispielsweise

ίο kann die Kraftmeßdose R 1 auch in der Nähe des Anschlußpunktes der Dose R 3 bzw. der Gelenkstütze G 3 an der Momentenmeßebene M angeschlossen werden.

Die Kraftmeßdosen /?4 und R 5 sind über die Gelenkstützen GA und G 5 mit der Kraftmeßebene ver-

Ii bunden und dienen zur Ermittlung der in den horizontalen Achsen (Längs- oder Quer-Achse) wirkenden Kräfte Fx und Fz. Hierbei muß gegebenenfalls das von der Kraftmeßebene auf das Fundament zu übertragende Moment bei der Meßwertermittlung berücksichtigt werden. Zur Abstützung des Moments auf das Fundament bzw. den Grundrahmen ist eine Gelenkstütze G 4' an der Kraftmeßebene K angeordnet.

An den Gelenkstützen G 6—G 8 sind die Kraftmeßdosen R6—R8 zur Ermittlung von vertikalen Kräften angeordnet.

Zur Ermittlung der interessierenden Kräfte und Momente am Prüfling sind die Kraftmeßdosen R 1 — R 8 an eine Recheneinrichtung angeschlossen, die aus den vorliegenden Meßwerten der Dosen und aus den Maschinenkonstanten die im virtuellen Zentrum wirkenden Kräfte und Momente errechnet. Hierbei werden auch systembedingte gegenseitige Beeinflussungen (Übersprechen), die beispielsweise durch die Gelenkstellen, die Abstützungen usw. entstehen, berücksichtigt. Die Recheneinrichtung mit den Anschlüssen an die Kraftmeßdosen ist in F i g. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Zur Einstellung von unterschiedlichen virtuellen Zentren können die Gelenkstützen Ti — T3 zwischen der Momentenmeßebene M und der Kraftmeßebene K an unterschiedlichen Punkten mit den Meßebenen verbunden werden. Die in F i g. 1 angedeuteten Gelenkstützen Ti'— T3' ergeben beispielsweise ein virtuelles Zentrum, das (um Δ h) unterhalb des durch die Gelenkstützen 7*1 — T3 gebildeten Zentrum liegt. Es können mehrere Sätze von Gelenkstützen vorgesehen werden, die wahlweise mit den Meßebenen verbindbar bzw. kuppelbar sind. Die einzelnen Gelenkstützen können hierbei an einer Anschlußstelle einen gemeinsamen Anschlußpunkt aufweisen, wie in der Darstellung von F i g. 1 an der Kraftmeßebene K angedeutet. Es können aber auch für jede Gelenkstütze getrennte Anschlußpunkte vorgesehen werden. Durch solche Anordnungen ist es auf einfache Weise möglich, die erfindungsgemäße und andere Pyramidenwaagen z. B. von Flugzeugmodelluntersuchungen auf die Untersuchung von Kraftfahrzeugmodellen umzustellen.

Die Kalibrierung einer Pyramidenwaage erfordert einen verhältnismäßig hohen Aufwand, wobei insbesondere die Lage des virtuellen Zentrums von großer Bedeutung ist. Schon kleinste Abweichungen von der eingestellten Lage, bei der die Waage kalibriert wurde, führen zu unzulässigen Meßfehlern. Bei der Umschaltung der Waage auf ein anderes virtuelles Zentrum müssen daher besondere Genauigkeitsanforderungen eingehalten werden. Insbesondere muß die Länge der Gelenkstützen und die Lage der Gelenkpunkte mit hoher Genauigkeit den Werten entsprechen, bei der die Waa-

ge kalibriert wurde.

Durch Änderung der Längssteifigkeit einer Gelenkstütze von annähernd null auf annähernd unendlich oder starr bzw. auf die Nachgiebigkeit eines normalen Stabes, kann eine Ab- oder Zuschaltung der Stütze bewirkt werden. Bei einer derartig ausgebildeten Stütze müssen die Anschlußpunkte der Stütze im Betrieb nicht mehr gelöst werden. Die Gelenkpunkte behalten dadurch ihre einmal festgelegte Lage bei. Die Beibehaltung der Kraftrichtung wird durch eine geeignete Längsführung ίο gewährleistet.

Zur Änderung der Längssteifigkeit einer Gelenkstütze sind eine ganze Reihe von beispielsweise mechanischen oder hydraulischen Anordnungen möglich. Ein Ausführungsbeispiel ist in F i g, 2 dargestellt. !5

Die Gelenkstütze mit den Gelenkpunkten 20,21 ist an ihren Enden ständig fest mit der Momentmeßebene M und der Kraftmeßebene K verbunden. Zwischen den Gelenkpunkten 20, 21 besteht die Gelenkstütze aus einem äußeren rohrförmigen Bauteil 22 und einem inneren stabförmigen Teil 23. Das stabförmige Bauteil 23 ist über die Wellmembranen 24 und 25 axial beweglich und reibungsfrei bzw. hysteresefrei im äußeren rohrförmigen Bauteil 22 geführt. Die beiden Stabteile 22 und 23 weisen einander gegenüberliegende Flansche 26 und 27 auf, an denen sie über herausnehmbare Distanzstücke 28 und 29, beispielsweise mit Schrauben 30 fest miteinander verbunden werden können. Durch die Verschraubung wird die Gelenkstütze zugeschaltet Die Flansche 26, 27 und die Distanzstücke 28,29 sind an den Verbindungsflächen sehr genau bearbeitet. Die Stützlänge ist daher nach dem Einfügen der Distanzstücke und der Verschraubung der Flansche mit hoher Genauigkeit reproduzierbar. Nach Lösen der Verschraubung und Herausnehmen der Distanzstücke 28, 29 sind die beiden Stabteile 22, 23 reibungsfrei gegeneinander bewegbar. Die Stütze ist damit abgeschaltet

Die schaltbaren Gelenkstützen nach F i g. 2 können in Verbindung mit Kraftmeßdosen vorteilhaft auch für die Umschaltung von Meßbereichen verwendet werden. Bei Pyramidenwaagen oder anderen Waagen, z. B. Plattformwaagen für Windkanäle, bei denen hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, sind vielfach umschaltbare Meßbereiche vorgesehen. Bei der Meßbereichsumschaltung müssen jedoch auch kleine Fehler möglichst weitgehend ausgeschaltet werden.

Wenn an einer Meßstelle zwei Kraftmeßdosen über Gelenkstützen angeschlossen sind, kann die Einschaltung eines Meßbereiches bzw. die Umschaltung mit Hilfe der in F i g. 2 beschriebenen schaltbaren Gelenkstüt- ze.n erfolgen. In F < g. 1 ist an der Meßsteüe für die Kraftmeßdose R 3 eine solche Anordnung von zwei über Gelenkstützen beaufschlagten Kraftmeßdosen beispielsweise angegeben. Neben der über die Gelenkstütze G 3 beaufschlagten Kraftmeßdose R 3 ist eine weitere über die Gelenkstütze G 3' beaufschlagte Kraftmeßdose R 3' angeschlossen. Durch Zuschaltung der jeweils zugehörigen Gelenkstütze G 3 oder G 3' kann entweder die Kraftmeßdose A3 oder die Dose A3' eingeschaltet werden. Hierbei kann die ursprüngliche Einstellung der Anordnung mit hoher Genauigkeit reproduziert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Pyramidenwaage zur Ermittlung von Kräften und Momenten, insbesondere in Windkanälen, mit einer Momenten- und einer Kraftmeßebene, einer Stützanordnung zur Abstützung eines im virtuellen Zentrum der Pyramidenwaage angeordneten Prüflings oberhalb der Momentenmeßebene, Gelenkstützen zur Abstützung der Momentenmeßebene auf der Kraftmeßebene, Abstützungen der Kraftmeßebene auf dem Fundament oder auf einem Grundrahmen sowie mit an den beiden Meßebenen angeordneten Kraftmeßeinrichtungen für die Kraft- und Momentenmessung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung in unterschiedlicher Höhe befindlicher virtueller Zentren unterschiedliche in der MomentenmeBebene (M) liegende Anschlußpunkte mit unterschiedlichen in der Kraftmeßebene (K) liegenden Anschlußpunkten durch die Gelenkstützen (T1 — T3) miteinander verbindbar sind.

2. Pyramidenwaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Meßebenen (M, K) mehrere Sätze von Gelenkstützen (T1 — T3, TV— T 3') angeordnet sind, die wahlweise mit den Meßebene (M, £J kuppelbar sind.

3. Pyramidenwaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkstützen (TI — T3, TV— T3') ständig mit den Meßebenen (M, K) verbunden sind und Bauteile zur Änderung ihrer Längssteifigkeit aufweisen und daß sie durch Aufhebung oder Wiederherstellung ihrer Längssteifigkeit ab- oder zuschaltbar sind.

4. Pyramidenwaage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kraftmeßeinrichtungen aus Kraftmeßdosen bestehen, die über Gelenkstützen beaufschlagbar oder abstützbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßbereichsumschaltung mindestens zwei Kraftmeßdosen (R 3, R 3') mit Gelenkstützen (G 3, G 3') an jeweils einer Meßstelle angeordnet sind und daß die Gelenkstützen (G 3, G 3') ab- oder zuschaltbar ausgeführt sind.

5. Pyramidenwaage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkstützen (G 3, G 3') Bauteile zur Änderung ihrer Längssteifigkeit aufweisen und daß sie durch Aufheben oder Wiederherstellung ihrer Längssteifigkeit ab- oder zuschaltbar sind.

50