DE3016348A1

DE3016348A1 - Kraftmessverfahren

Info

Publication number: DE3016348A1
Application number: DE19803016348
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. 8771 Rechtenbach Mucheyer
Original assignee: GL Rexroth GmbH
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1980-04-28
Publication date: 1981-10-29
Also published as: US4484480A

Description

SEDT&E - OÜHLiNG -

LMANN ^ ^: = ^:-- ^: Dipl.lng. H.Tiedtke

LMANN Dipl.-Chem. G. Bühling

•3* *3 Π 1 R ^ Δ R Dipl.-lng. R. Kinne JUIOOHO Dipl.-lng. R Grupe

Dipl.-lng. B. Pellmann

Bavarlarlng 4, Postfach 20240I 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent Müncher

28. April 1980 DE 0320/case Pat-be-stb 121.293T

G.L. Rexroth GmbH

8770 Lohr/Main

Kraftmeßverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftmeßverfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche Kraftmeßverfahren arbeiten beispielsweise auf der Grundlage, daß auf ein komplexes mechanisches System Wegaufnehmerelemente in Form von Dehnmeßstreifen geklebt und deren Verformungen optisch bzw. elektrisch abgegriffen werden. Durch die hohe Steifigkeit dieses Kraftmeß-Systems ergeben sich hohe Grenzfrequenzen und damit Vorteile beim Abgriff dynamischer Beanspruchungen. Die Anbringung der Wegaufnehmer ist jedoch kompliziert und erfordert ein hohes Maß an Geschicklichkeit und an Präzision, da sonst eine Abgleichung einer beispielsweise so aufgebauten Meßbrücke schwer durchführbar ist.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Messung von

IX/13

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Poetscheck (Manchen) Kto. 670-43-804

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Kräften ist die Wegmessung über einen bekannten Wegaufnehmer an einer Biegefeder, die entsprechend dem Einsatzgebiet der Kraftmeßeinrichtung dimensioniert und deren Kraftangriffspunkt geeignet gewählt ist. Dabei muß beachtet werden, daß sich ein Biegefederhub ergibt, der für den Wegaufnehmer ausreichend groß ist. Die Hübe können nicht beliebig klein gemacht werden, so daß sich eine niedrige Eigenfrequenz dieses Kraftmeßsystems ergibt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch die notwendigen Kraftumlenkungen die Zahl der bewegten Teile erhöht wird und, damit Verschleißprobleme auftreten, die die Zuverlässigkeit des Kraftmeßsystems herabsetzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftmeßverfahren oben erwähnter Gattung zu schaffen, das reproduzierbare Messungen ermöglicht und auf dessen Grundlage eine Kraftmeßvorrichtung entwickelt werden kann, die einfach zu applizieren ist, die mit wirtschaftlich herstellbaren Bauelementen auskommt und die sich für die Großserienherstellung eignet.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil.des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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Die Verwendung eines steifen mechanischen Festkörpersystems als kraftaufnehmendes Element bildet die Voraussetzung für eine hohe Eigenfrequenz des Kraftmeßsystems. Die Eingliederung eines gerichtet sensibilisierten Verformungssensors in eine geeignete Stelle des Festkörpersystems stellt die trägheitslose Übertragung der Kraftsignale auf den Meßwertempfänger sicher und sorgt somit für einen geringen Streubereich der Messungen, d.h. flir eine hohe Meßwert-Reproduzierbarkeit. Verschleißprobleme von Kraft-Weg-Umfοrmungselementen treten

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nicht mehr auf.

Die im Anspruch 2 gekennzeichnete Vorrichtung setzt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens um, wobei die Einfachheit der Bauelemente und des Aufbaus eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet. Das System ist steif und hat dadurch eine hohe Eigenfrequenz. Die Zahl der Elemente ist auf den Biegebalken und den Sensor beschränkt, der die Verformung des Biegebalkens direkt und ohne Überbrückungsglieder erfaßt. Dadurch wird eine Fehlergrößeneinleitung weitestgehend vermieden.

Zu einer besonders günstigen Ausgestaltung gelangt man mit den Merkmalen des Unteranspruchs 3. Die Aufnahmebohrung für den Sensor ist leicht zu fertigen, und die Passung der entsprechenden Oberflächen einfach zu erzeugen. Dadurch kann die Fertigung und die Montage des Kraftmeßsystems automatisiert erfolgen, ohne daß Einbußen hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Qualität der Messung zu erwarten sind. Die Anordnung der Aufnahmebohrung und die Fixierung des Sensors in der Bohrung erlauben es, einen in nur einer radialen Richtung empfindlichen Sensor, beispielsweise einen Halbleitersensor zu integrieren, so daß der Sensor in seiner Funktion voll ausgenutzt und mit einer hohen Empfindlichkeit ausgestattet werden kann.

Das im Unteranspruch 4 angegebene Merkmal ermöglicht eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit der Vorrichtung, da der empfindlichste Punkt des Systems, der Sensor auf diese Weise von jeglichen Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist und daher keine Korrosions- oder sonstige unerwünschte Nebeneffekte auftreten können. Dennoch ist durch Aufbohren der Sensorbohrung ein Auswechseln des Sensors möglich, so daß das System auch servicefreundlich ist.

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Die Ausgestaltung des Sensors gemäß den Merkmalen des Unteranspruchs 5 erlaubt eine Kraftmessung im Zug- und im Druckbereich, ohne daß der Aufbau des Kraftmeßsystems aufwendiger gestaltet werden muß.

Nachstehend wird anhand, schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen

Ausführungsform der Kraftmeßvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig· I. und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Sensors gemäß Fig. 1.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Kraftmeßvorrichtung besteht aus einem einseitig in einem starren Körper 1 fest eingespannten Biegebalken 2 und einem Sensor 3, der beispielsweise als monolitisch in den Biegebalken integrierter Halbleitersensor ausgebildet ist. Der Biegebalken 2 hat eine bestimmte Verformungsrichtung, in die eine Kraft F mit einer zu messenden Größe wirkt. Der Biegebalken 2 besitzt an einer geeigneten Stelle, beispielsweise an der Stelle größter Krümmung der Biegelinie, eine Bohrung 4, deren Achse 5 parallel zur Kraftrichtung verläuft. In dieser Bohrung 4 ist ein monolitischer Sensor 3 mit einem Schaft 6 und einem Bund 7 auf der Druckseite des Biegebalkena 3 formschlüssig eingepaßt, wobei die Bohrung 4.hermetisch abgeschlossen werden kann, indem der Sensor 3 eingeklebt wird. Der Sensor 3 besitzt ein Anschlußkabel 8 und verschiedene Leitungen 9, die ..

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das Meßsignal zum Meßgerät leiten.

Der Sensor 3 ist so aufgebaut, daß sein Schaft 6 eine bevorzugte Verformungsrichtung V besitzt, mit dem er ein zu dieser Verformung proportionales elektrisches Signal erzeugt. Bevorzugterweise wird der Sensor 3 an der Stelle angeordnet, an der eine definierte, störgrößenfreie Biegebalken-Verformung erfolgt, die zur Kraft F proportional ist.

Wie in"den Figuren 1 und 2 gezeigt wird, verformt sich der Biegebalken 2 unter Einwirkung der Kraft F in der durch die gestrichelte Linie angedeuteten Weise, was eine, ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angedeutete Verformung der Bohrung 4 hervorruft. Dadurch wird der Sensor 3 im Druckbereich des Biegebalkens 2 in der Richtung V beansprucht und verformt, so daß ein zur Kraft F proportionales Signal erzeugt wird.

Man kann den Sensor 3 so dimensionieren und anordnen, daß er zu beiden Seiten der neutralen Faser 10 zu liegen kommt. Dadurch ist die Kraft F nicht auf eine Wirkrichtung festgelegt, und es können somit auch oszillierende Kräfte gemessen werden. Das der Kraft proportionale Signal ergibt sich dann aus der Integration der Verformungen des Sensors über den jeweiligen Druckbereich-Abschnitt.

Die Form des Sensors 3 ist nicht auf einen zylindrisehen Körper beschränkt. Der Sensor kann selbstverständlich auch als Plankörper oder als andersgestalteter geometrischer Körper ausgebildet sein, der in einer entsprechend geformten Aufnahmeöffnung im Biegebalkensystem,

beispielsweise in einem Schlitz gehalten ist. 35

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Leerseite

Claims

Patentanwälte . .. (DPA und EPA) :"*::„ ... : Dipl.-Ing. H.Tiedtke .. "..* "*:* ^:-.^::.-^: Dipl.-Chem. G.Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne

Ο η 1 K ^ / fi Dipl.-Ing. R Grupe OU JDOHO Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 24 C 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent Münche

28. April 1980 DE 0320/case Pat-be-stb 121.293T

Patentansprüche

1J Kraftmessverfahren zur Bestimmung einer an einem vorbestimmten Punkt eines mechanischen Systems angreifenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die in diesem Punkt wirkende Kraft (F) direkt auf ein Festkörpersystem (1, 2) übertragen wird, in dem ein mit gerichteter Verformungssensibilität behafteter monolitischer Sensor (3) eingegliedert ist, der ein zur Kraft (F) proportionales elektrisches Signal erzeugt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein einseitig eingespanntes steifes Biegebalkensystem (1, 2), dessen frei auskragendes Ende kraftbelastet ist und das in einem Abschnitt nahe der Einspannstelle einen monolitischen Sensor (3) formschlüssig aufnimmt, der in der Richtung maximaler innerer Verformung des Biegebalkens (2) sensibilisiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) ein zylindrisch ausgebildeter, in radialer Richtung auf Druck ansprechender Sensor ist, der in eine zur Krafteinleitungsrichtung (F) parallelen

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Doutooho Bank (München) Kto. 81/61070 Dresdner Bank (MOnohsn) Klo. 3S39 844 Poetecheek (München* KIo. 670-43-804

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1 Bohrung (4) nahe der Einspannstelle auf der Druckseite des Biegebalkens (2) eingepaßt und dreh- und verschiebefest in dieser Bohrung (4) gehalten ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Bohrung (4) hermetisch abgeschlossen i-st.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) eine über die neutrale Faser 10 (10) des Biegebalkens (2) beidseitig hinausgehende Erstreckung hat.

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