DE3213319A1 - Einrichtung zum messen von kraft- und momentkomponenten in mehreren richtungen - Google Patents

Einrichtung zum messen von kraft- und momentkomponenten in mehreren richtungen

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DE3213319A1 DE19823213319 DE3213319A DE3213319A1 DE 3213319 A1 DE3213319 A1 DE 3213319A1 DE 19823213319 DE19823213319 DE 19823213319 DE 3213319 A DE3213319 A DE 3213319A DE 3213319 A1 DE3213319 A1 DE 3213319A1
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Description

3213313
8. April 1982 Π 228 MvB/Ri
YAMATO SCALE COMPANY, LIMITED 8-18, Sawano 2-chome, Akashi-shi, Hyogo-ken, Japan
Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentkomponenten
in mehreren Richtungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Einrichtungen dieser Art eignen sich z.B. für Reifenprüfgeräte, Windkanalwaagen und dergleichen.
Es sind bereits verschiedene Einrichtungen und Geräte zum Messen einer einwirkenden Kraft in Form ihrer Komponenten in mehreren vorgegebenen Richtungen bekannt. Typische Beispiele solcher Einrichtungen sind in der JA-PS 775,978 und der JA-OS 52-133270 beschrieben, auf die hiermit verwiesen wird. Wie aus diesen Veröffentlichungen hervorgeht, bestehen solche Einrichtungen im allgemeinen aus einem mittleren Nabenteil, einem kreisförmigen Rand- oder Felgenteil und vier radialen Speichenteilen, die den Nabenteil und den Speichenteil verbinden und an denen geeignete Dehnungsfühler, wie Dehnungsmeßstreifen angebracht sind. Wenn entweder das Nabenteil oder das Felgenteil festgehalten wird und auf das andere Teil eine Kraft ausgeübt wird, treten in den Speichenteilen verschiedene Formänderungen (Dehnungen) auf, die den Widerstand der entsprechenden Dehnungsfühler ändern. Wenn die Dehnungsfühler in eine geeignete Schaltung geschaltet sind, können dadurch
-A-
die Beanspruchungen und entsprechenden Kraftkomponenten in Richtung der Speichen erfaßt werden.
Die bekannten Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß es sehr schwierig ist, ein Torsionsmoment zu erfassen, das durch eine Wechselwirkung von Biegungen der anderen Teile auf einen speziellen Speichenteil einwirkt, und daß die Einrichtung, wenn man versucht, dieses Problem zu überwinden, sehr viel komplizierter und kostspieliger wird, wie es später noch genauer beschrieben wird.
Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der vorliegenden Art mit verbesserter Konstruktion vorzusehen, die einfach und leicht herstellbar ist und die die Messung der Komponenten einer Kraft und eines Moments in den jeweiligen Richtungen einzeln ohne Störung der anderen Teile ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht also aus von einer Einrichtung zum Messen der Komponenten von Kräften und Momenten in verschiedenen Richtungen, mit einem mittleren Nabenteil und einem starren, ringförmigen Rand- oder Felgenteil. Bei einer Messung wird eines dieser Teile fixiert und auf das andere eine Kraft ausgeübt. Vom Nabenteil erstrecken sich vier Speichenteile in in Bezug aufeinander senkrechten radialen Richtungen nach außen und jedes Speichenteil hat einen rechteckigen Querschnitt, dessen Breite parallel zur Radialebene und dessen Höhe senkrecht zur Radialebene verläuft. Ein Sehnenteil ist in der Mitte einer Seite mit dem äußeren Ende eines zugehörigen Speichenteiles und mit beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden. Das Sehnenteil ist so konstruiert, daß es gegenüber einer Biegekraft, die in der Ausdehnungsrichtung des entsprechenden Speichenteils verläuft, eine
genügende Biegsamkeit aufweist. Um mechanische Beanspruchungen oder Formänderungen in den verschiedenen Speichenteilen zu erfassen, haften auf den Oberflächen der Speichenteile eine Mehrzahl von mechano-elektrischen Wandlerelementen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht jedes Speichenteil aus einem Schaftabschnitt, der dem Nabenteil benachbart ist, und einem Endabschnitt, der dem Sehnenteil benachbart ist, und die Breite des Querschnitts des Endab-
des schnittes ist wesentlich kleiner als die/Schaftabschnittes, so daß der Endabschnitt eine erhebliche Biegsamkeit bezüglich einer Torsionskraft um die Erstreckungsrichtung des Speichenteils aufweist. Die Wandlerelemente sind an den vier Flächen des Schaftabschnittes befestigt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Einrichtung zur Sprache kommen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Stirnansicht eines Beispieles einer bekannten
Einrichtung; 25 Figur 2 eine Schnittansicht in einer Ebene II-II der
Figur 1, die einen Verformungszustand unter der Einwirkung eines Moments um eine X-Achse übertrieben darstellt; 30
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines anderen Beispieles einer bekannten Vorrichtung;
Figur 4 eine Stirnansicht einer Ausführungsform der Erfin-' dung;
Figur 5 eine teilweise Stirnansicht der Einrichtung gemäß Figur 4, die zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Einrichtung dient;
Figur 6 und 7 Teilansichten der Vorder- und Rückseite der Einrichtung gemäß Figur 4, die die Lage der mechanoelektrischen Wandlerelemente, die an den Speichenteilen der Einrichtung befestigt sind, darstellen;
Figur 8 eine perspektivische Ansicht der Einrichtung gemäß Figur 4;
Figur 9a bis 9f Schaltbilder von Kraft- und Moment-Komponenten-Meßbrücken gemäß der Erfindung und 15
Figur 10 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist ein typisches Beispiel· einer bekannten Einrichtung, die in der bereits erwähnten JA-PS 775,978 beschrieben ist, dargestellt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht die Einrichtung aus einem mittleren Nabenteil 1, vier Speichenteilen 2, 3, 4 und 5, die sich vom Nabenteil 1 nach außen erstrecken, einem starren, ringförmigen Rand- oder Felgenteil 10 und vier Sehnenteilen 6, 7, 8 und 9, die seitlich in der Mitte mit dem äußeren Ende eines zugehörigen Speichenteils und mit den beiden Enden mit dem Felgenteil 10 verbunden sind. Diese Teile bilden vorzugsweise einen integralen oder einstückigen Körper. An jedem der Speichenteile 2, 3, 4 und 5 haften mechano-elektrische Wandlerelemente, wie Dehnungsmeßstreifen G1, G2, ... G8, die Zug und Druck, die auf die Speichenteile einwirken, als Änderung des elektrischen Widerstandes wahrnehmen.
Wenn die X-Achse in der Ausdehnungsrichtung der Speichenteile 2 und 3 verläuft wie die Y-Achse in der Ausdehnungsrichtung der Speichenteile 4 und 5, dann steht die Z-Achse
senkrecht auf der Papierebene, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Wenn der Felgenteil 10 festgehalten wird und eine Kraft längs der X-Achse auf den Nabenteil 1 einwirkt, sind die Speichenteile 2 und 3 einem Zug und einem Druck ausgesetzt und die Speichenteile 4 und 5 einer Biegung. Die X-Abmessung oder "Breite" der Sehnenteile 6 und 7 ist jedoch wesentlich kleiner als die Z-Abmessung oder "Höhe", so daß die Sehnenteile 6 und 7 bezüglich der in der X-Richtung verlaufenden Kraft genügend biegsam sind. Die auf den Nabenteil 1 einwirkende Kraft wird daher fast völlig als Biegekraft für die Speichenteile 4 und 5 verbraucht und kann mit den Dehnungsfühlern G5, G6, G7 und G8 gemessen werden. Auch die Sehnenteile 8 und 9 haben ebenso wie die Sehnenteile 4 und 5 Breiten, die wesentlich kleiner sind als die Höhen und daher in der Y-Richtung genügend biegsam. Hieraus resultiert ein Biegemodus für die Speichenteile 4 und 5 ähnlich wie bei einem an einem Ende befestigten, auskragenden Träger. Genauso kann eine Kraft, die längs der Y-Achse auf das Nabenteil 1 zur Einwirkung gebracht wird, mit Hilfe der Dehnungsfühler G1, G2, G3 und G4 gemessen werden. Im allgemeinen können also mit dieser bekannten Einrichtung Kraftkomponenten in der X- und der Y-Richtung ohne Störung durch die Kraftkomponenten in der Y- bzw. X-Richtung gemessen werden.
Wenn jedoch ein Moment um die X- und/oder die Y-Achse auf das Nabenteil 1 einwirkt, können bei dieser bekannten Einrichtung jedoch erhebliche Probleme auftreten. So wird z.B., wie es in Figur 2 übertrieben dargestellt ist, das Moment Mx um die X-Achse eine Torsion der Speichenteile 2 und 3 sowie eine in Z-Richtung verlaufende Biegung der Speichenteile 4 und 5 hervorrufen. Da sich die unterschiedlichen Beanspruchungen und Dehnungen, die in den Speichenteilen auftreten, wegen der Starrheit der Speichenteile gegenseitig beeinflussen, ist es im wesentlichen unmöglich, das Moment
Mx mit dem oben beschriebenen Verfahren, Biegebeanspruchungen zu erfassen, zu messen.
Die Einrichtung gemäß der oben erwähnten JA-OS 52-133270 soll dieses Problem überwinden. Der allgemeine Aufbau dieser Einrichtung ist in Figur 3 dargestellt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist eine Anzahl von Biegeteilen vorgesehen, um die Beeinflussung oder Wechselwirkung der Torsionskraft und der Biegebeanspruchung zu beseitigen, so daß durch die dargestellten Dehnungsfühler G sowohl Momentkomponenten als auch Kraftkomponenten um die drei Achsen X, Y und Z individuell gemessen werden können. Wie man jedoch schon der Zeichnung entnehmen kann, ist diese Einrichtung in ihrem Aufbau so kompliziert, daß sie schwer herzustellen und damit relativ teuer ist.
Im folgenden wir nun eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 8 beschrieben. Wie Figur 4 zeigt, enthält die Einrichtung gemäß der Erfindung einen mittleren Nabenteil 23, einen starren, ringförmigen Felgenteil 24, vier radiale Speichenteile 25, 26, 27 und 28 sowie vier Sehnenglieder oder Sehnenteile 19, 20, 21 und 22, die, ebenso wie bei der bekannten Einrichtung gemäß Figur 1 jeweils in ihrer Mitte mit den entsprechenden Speichenteilen und an beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden sind. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Speichenteile 25, 26, 27 und 28 jedoch jeweils aus einem Schaftabschnitt 11, 12, 13 und 14 sowie einem Endabschnitt 15, 16, 17 bzw. 18 zusammengesetzt, wobei jeder Endabschnitt eine geringere Breitenabmessung als der entsprechende Schaftabschnitt hat, während hingegen beide Abschnitte ungefähr gleiche Höhenabmessungen aufweisen. Die "Breite" des Endabschnittes jedes Speichenteils ist klein genug, um ihn hinsichtlich einer Torsionskraft um die Erstreckungsrichtung des Speichenteiles biegsam zu machen.
— Q —
Wie aus Figur 8 deutlich hervorgeht, enthält das Felgenteil 24 vier relativ dünne Basisteile 24a und vier relativ dicke Vorsprungteile 24b, die sich längs der Z-Richtung nach vorne erstrecken. Die Sehnenteile 19, 20, 21 und 22 bilden Brücken zwischen den zugehörigen Vorsprungteiien 24b mit etwas Abstand zu den Basisteilen 24a. Wie aus Figur 10 hervorgeht, kann der Felgenteil 24 der erfindungsgemäßen Einrichtung selbstverständlich auch ähnlich geformt sein, wie der Felgenteil der bekannten Einrichtung gemäß Figur 1. Die Struktur der Einrichtung gemäß Figur 4 und 8 hat jedoch gegenüber der gemäß Figur 10 den Vorteil eines kleineren Gesamtdurchmessers.
Aufgrund seiner im Vergleich zur Ilöhenabmessung verringerten Breitenabmessung unterliegt der Sohnenteil 19, wie es in Figur 5 als Beispiel dargestellt ist, dann, wenn der Felgenteil 24 festgehalten wird und auf den Nabenteil 23 eine Kraft einwirkt, durch die X-Komponente der Kraft Fx einer Auslenkung in α-Richtung und durch die Z-Komponente der Kraft Fz einer Torsion in ß-Richtung, während der Endabschnitt 15 des Speichenteils 25 unter der Einwirkung der X-Komponente des Moments Mx infolge der in Bezug auf die Höhenabmessung verringerten Breitenabmessung in γ-Richtung sich verdrehen kann. Demzufolge werden Messungen von Fx und Mx fast keinem Einfluß der starren Schaftabschnitte 11 und 12 der Spaltenteile 25 und 26 ausgesetzt. Da dies in jedem Quadranten der Einrichtung der Fall ist, ergibt sich, daß die X-Komponenten der Kraft und des Moments Fx bzw. Mx als Biegebeanspruchungen in den Speichenteilen 27 und 28 erscheinen, die Y-Komponenten Fy und My als Biegebeanspruchungen in den Speichenteilen 25 und 26 und die Z-Komponenten Fz und Mz als Bieqebeanspruchungen in allen Speichenteilen 25 bis 28. Um diese Biegebeanspruchungen zu erfassen und die Komponenten der Kraft und des Moments zu messen, .sind Dehnungsfühler, z.B. Dehnungsmeßstreifen, 51 bis 82 an den jeweiligen Schaftabschnitten 25, 26, 27
ί und 28 befestigt, z.B. angeklebt, wie es in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Obwohl bei dieser Ausführungsform Dehnungsfühler des erwähnten Typs, wie Draht- oder Halbleiterdehnungsmeßstreifen verwendet werden, die eine Verformung der Oberfläche in eine elektrische Widerstandsänderung umsetzen, können auch andere Arten von mechano-elektrischen Wandlerelementen, z.B. piezoelektrische Elemente, verwendet werden.
Wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist, trägt jede der vier Flächen des Schaftabschnittes eines Speichenteiles zwei Dehnungsfühler, die in Längsrichtung auf der betreffenden Fläche angeordnet sind; jedes SpeicHenteil ist also mit insgesamt acht Dehnungsfühlern versehen. Diese Dehnungsfühler sind, wie die Figuren 9a bis 9f zeigen, in sechs verschiedene Brückenschaltungen geschaltet. Die Dehnungsfühler 51 bis 66 in den drei Brücken der Figuren 9a, 9b und 9c gehören einer ersten Gruppe an, die dem Nabenteil 23 benachbart ist, während die anderen Fühler 67 bis 82 in den drei Brücken der Figuren 9d, 9e und 9f einer zweiten, vom Nabenteil weiter entfernten Gruppe angehören. Obwohl in der folgenden Beschreibung gezeigt wird, daß die erste und die zweite Gruppe dazu dienen, die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz bzw. die Momentkomponenten Mx, My und Mz zu messen, kann der Fachmann leicht auch andere Schaltungen angeben. In jeder Brückenschaltung wird eine konstante Spannung von einer Spannungsquelle B an Klemmen P gelegt und Spannungsänderungen werden zwischen den Verbindungspunkten Q mittels eines Voltmeters V oder dergleichen gemessen.
Wie bereits erwähnt, tritt die Kraftkomponente Fx als Dehnungen in den Speichenteilen 28 und 27 in Erscheinung, die durch gleichsinnige, in X-Richtung verlaufende Biegungen dieser Speichenteile verursacht und mit den auf den beiden Seitenflächen der Speichenteile angeordneten Dehnungsfühlern
51, 52, 53 und 54 gemessen werden. In diesem Falle zeigen die Dehnungsfühler 51 und 53 Widerstandsänderungen, die die entgegengesetzte Polarität haben wie die der Dehnungsfühler 52 bzw. 54. Es ist ersichtlich, daß bei der Schaltung gemäß Figur 9a eine Differenzschaltung gewählt wurde, um eine möglichst große Spannungsänderung zwischen den Verbindungspunkten Q zu erhalten. In entsprechender Weise wird die Kraftkomponente Fy durch die Dehnungsfühler 55, 56, 57 und 58 auf den beiden Seitenflächen der Speichenteile 26 und 25 durch die Brückenschaltung gemäß Figur 9b gemessen. Die Kraftkomponente Fz tritt als Beanspruchungen in allen vier Speichenteilen in Erscheinung, welche durch eine gleichsinnige, in Z-Richtung verlaufende Biegung dieser Speichenteile verursacht und daher durch die Dehnungsfühler 59 bis 66 auf den Vorder- bzw. Rückseiten der Speichenteile und die Brückenschaltung gemäß Figur 9c gemessen werden. Es ist ersichtlich, daß diese Brücke so konstruiert ist, daß am Voltmeter V die größtmögliche Spannungsänderung auftritt.
Die Momentkomponente Mx erscheint andererseits in Form von Beanspruchungen oder Dehnungen in den Speichenteilen 2 7 und 28, die durch gegensinnige, in Z-Richtung verlaufende Biegungen dieser Speichenteile hervorgerufen und durch die Dehnungsfühler 67, 68, 69 und 70 auf den Vorder- und Rückselten dieser Speichenteile gemessen werden. In diesem Falle zeigen die Dehnungsfühler 67 und 70 Widerstandsänderungen, die in ihrer Polarität denen der Dehnungsfühler 68 bzw. 69 entgegengesetzt sind. Daher kann die Brückenschaltung gemäß Figur 9d die größtmögliche Spannungsänderung am Voltmeter V gewährleisten. In entsprechender Weise wird die Momentkomponente My mit Hilfe der Dehnungsfühler 71, 72, 73 und 74, die auf den vorderen und rückwärtigen Oberflächen der Speichenteile 25 und 26 angeordnet sind, und die Brückenschaltung gemäß Figur 9c gemessen. Die Moment-
komponente Mz äußert sich in Formänderungen aller Speichenteile, welche durch gegensinniges, in Y-Richtung verlaufendes Biegen der Speichenteile 25 und 26 und gegensinniges, in X-Richtung verlaufendes Biegen der Speichenteile 27 und verursacht und mit Hilfe der Dehnungsfühler 75 bis 82 auf den beiden Seitenflächen aller Speichenteile und durch die Brückenschaltung gemäß Figur 9f gemessen werden, die ebenfalls so aufgebaut ist, daß sich die größtmögliche Spannungsänderung ergibt.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird jeder Dehnungsfühler ausschließlich für die Messung einer der sechs Komponenten Fx, Fy, Fz, Mx, My bzw. Mz verwendet, nicht jedoch für zwei oder mehr Komponenten gemeinsam. Darüberhinaus werden diese sechs Komponenten, jeweils mit den sechs getrennten Brückenschaltungen gemessen, die in den Figuren 9a bis 9f dargestellt sind. Demzufolge ist es möglich, beliebige zwei oder mehr Komponenten gleichzeitig und ohne Beeinträchtigung der anderen Komponenten zu messen. 20
Selbstverständlich kann der Fachmann verschiedene Modifikationen und Änderungen vornehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann der ringförmige Felgenteil z.B. eine quadratische Form haben, obwohl er als im wesentlichen kreisförmig beschrieben worden ist.
Leerseite

Claims (3)

  1. DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER
    MARlA-THERESlA-STRASbI 2 2 POSTFACH 86 02 6O
    D-8OOO MUENCHEN βό
    7.UCgLASStN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT
    EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS
    TELEFON 089/4 70 60 06 TELEX 522 638 TELEGRAMM SOMBEZ
    8. April 1982 11228 MvB/Ri
    YAMATO SCALE COMPANY, LIMITED
    8-18, Sawano 2-chome, Akashi-shi,
    Hyogo-ken, Japan
    Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentkomponenten in mehreren Richtungen
    Patentansprüche
    f 1y Einrichtung zum Messen von Komponenten einer Kraft und eines Moments in mehreren Richtungen, mit
    einem zentralen Nabenteil (23) ,
    einem starren, ringförmigen Felgenteil (24),
    vier Speichenteilen (25 bis 28), die sich vom Nabenteil in im rechten Winkel zueinander verlaufenden radialen Richtungen nach außen erstrecken und jeweils einen rechtwinkligein Querschnitt haben, dessen Breite parallel zu einer Radialebene verläuft und dessen Höhe senkrecht auf der Radialebene steht,
    vier Sehnenteilen (19 bis 22), die seitlich mit ihrer Mitte
    POSTSCHECK MÖNCHEN NK. 691 48- BOO
    BANKKONTO ΙΙΥΙΌΠΑΝΚ, MONCMtN Uli Z 7OO2OO4O) KiO. 6r> ftO "J&7 Ί7Ι1 bV/lll
    mit den äußeren Enden entsprechender Speichenteile und mit ihren beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden sind, so daß sie eine erhebliche Biegsamkeit für eine Biegekraft, die auf sie in der Längsrichtung des Speichenteils ausgeübt wird, aufweisen, und
    einer Vielzahl von Dehnung anzeigenden mechano-elektrischen Wandlerelementen, die an den Speichenteilen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Speichenteil (25 bis 28) aus einem Schaftabschnitt (11 bis 14), der dem Nabenteil (23) benachbart ist, und einem Endabschnitt (15 bis 18) besteht, welcher dem Sehnenteil (19 bis 22) benachbart ist und eine Breitenabmessung hat, die wesentlich kleiner ist als die des Schaftabschnittes, so daß der Endabschnitt bezüglich einer Torsionskraft, die auf ihm in Speichenteilrichtung ausgeübt wird, eine erhebliche Flexibilität aufweist, und daß die Wandlerelemente (51 bis 82) auf den vier Flächen der Schaftabschnitte befestigt sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Speichenteil mit acht mechano-elektrischen Wandlerelementen versehen ist, die auf seinem Schaftteil haften, wobei vier der Wandlerelemente zur Messung der Kraftkomponenten und die anderen vier zur Messung von Momentkomponenten dienen.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenteil (23), der Felgenteil (24), die Speichenteile (25 bis 28) und die Sehnenteile (19 bis 22) aus einem einzigen integralen Material gebildet sind.
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