DE3701372C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen flächenförmigen Kraftaufnehmer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Kraftaufnehmer sind allgemein bekannt (vgl. DE 21 29 214 B2, DE 32 13 319 A1 und DE 32 38 951 A1). Ihre Wirkungsweise besteht im wesentlichen darin, die jeweilige Kraftkomponente aus der Längendifferenz der in Richtung der jeweiligen Kraftkomponente verlaufenden Meßbalken zu bestimmen. Dabei wird ein Meßbalken auf Druck und der andere auf Zug beansprucht. Aufgrund der unterschiedlichen Beanspruchung der beiden Meßbalken kommt es zu erheblichen Genauigkeitsproblemen, da Nichtlinearitäten im Zusammenhang zwischen der wirkenden Kraft und der Längenänderung des Meßbalkens unterschiedliche Auswirkungen auf die Längenänderung der beiden Meßbalken haben und im Ergebnis berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus kommt es ferner zu einer Rückwirkung zwischen der Einspannung des Meßkörpers auf das Meßergebnis, die besondere Maßnahmen erfordern. In der DE 32 38 951 A1 ist hierzu vorgesehen, am äußeren Ende der Meßbalken zusätzliche Aussparungen anzubringen. Diese wiederum können gerade bei der beschriebenen Verwendung der Meßbalken unerwünschte Rückwirkungen auf das Meßergebnis haben. Zwar wird in der DE 32 13 319 A1 zur Erhöhung der Genauigkeit die Verwendung von insgesamt 8 Weggebern in Form von jeweils zwei auf jeder der vier Flächen jedes Meßbalkens beschrieben. Ein derartiger Kraftaufnehmer ist jedoch besonders aufwendig und besitzt darüber hinaus eine relativ große Höhe, die ebenfalls unerwünschte Rückwirkungen auf das Meßergebnis besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf konstruktiv einfache Weise eine exakte Bestimmung zweier zueinander senkrechter Kraftkomponenten erreicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die interessierende Kraftkomponente wird aus der Schubbeanspruchung der quer zur Richtung dieser Kraftkomponente verlaufenden Stege bestimmt. Diese werden durch die Kraftkomponente in derselben Weise und im selben Sinne beeinflußt. Nicht-Linearitäten, Rückwirkungen der Einspannungen oder andere störende Einflüsse werden dadurch kompensiert. Die Zug- und Druckbeanspruchung der in Richtung der kraftkomponierenden verlaufenden Meßbalken bleibt außer Betracht. Durch unterschiedliche Dimensionierung der in der Regel vier Meßbalken läßt sich der Anteil der Kraftkomponente, der sich als Schub in den Quer-Meßbalken auswirkt, einstellen und auch die Empfindlichkeit der Meßbalken für die beiden Kraftkomponenten erforderlichenfalls verschieden einstellen. Wesentlich ist lediglich, daß die Beanspruchung der beiden Meßbalken durch die Kraftkomponente symmetrisch ist und evtl., durch äußere Einflüsse (Einspannung) oder innere Einflüsse (unterschiedliche Auslegung der Weggeber) bedingte Auswirkungen auf das Meßergebnis ohne weiteres zu kompensieren sind.

Aus der US 39 85 025 ist ein flächenförmiger Kraft­ aufnehmer mit davon sternförmig ausgehenden Meß­ balken bekannt, an denen vorzugsweise Dehnungsmeß­ streifen als Weggeber angeordnet sind und deren Längenänderung ein Maß für die senkrecht zur Fläche des Kraftaufnehmers gerichtete Kraft ist. Die Weggeber sind dabei so angeordnet und geschaltet, daß sie das Maß für die Kraft aus der Breitenände­ rung der quer zur Kraft liegenden Meßbalken ablei­ ten.

Weitere Verbesserungen und konstruktive Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen 2 ff. Dabei dient die Maßnahme nach Patentanspruch 2 dazu, die Genauigkeit zu erhöhen.

Die Maßnahme nach Patentanspruch 3 zeichnet sich durch eine weitere Verbesserung der Genauigkeit aus. Die Maßnahme nach Patentanspruch 4 beschäftigt sich damit, das Ausgangssignal der Weggeber auf schaltungstechnisch besonders einfache Weise zu verwerten.

Die Maßnahme nach Patentanspruch 5 dient dazu, die Empfindlichkeit weiter zu verbessern und Störeinflüsse, die durch die Formgebung des Kraftaufnehmers entstehen können, zu kompensieren.

Die Merkmale der Patentansprüche 2, 3 und 5 sind an sich aus der genannten US 39 85 025 bekannt.

Der Inhalt des Patentanspruchs 6 beschreibt eine konstruktiv einfache Methode, den Kraftaufnehmer auch für eine dritte, senkrecht zu den beiden anderen Kraftkomponenten verlaufende Kraftkomponente empfindlich zu machen.

Schließlich beschreibt der Patentanspruch 7 eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit des Kraftaufnehmers zu steigern. Dabei wirken die Entlassungsschlitze, daß aufgrund geringer Steifigkeit in Richtung der vier Meßbalken die Schubspannung in den auf Schub beanspruchten Quer-Stegen steigt, während die Zug-/Druckspannung in den in Richtung der Kraftkomponenten gelegenen Meßbalken abnimmt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Kraftaufnehmers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine zugeordnete Schaltanordnung für den Kraftaufnehmer von Fig. 1 und

Fig. 4 eine konstruktive Alternative zum Kraftaufnehmer von Fig. 1.

Der in Fig. 1 im Prinzip dargestellte flächenförmige Kraftaufnehmer 1 besteht im wesentlichen aus einem flächenförmigen Körper 2, der eine zentrale Bohrung 3 besitzt. Der Körper 2 ist an seinen Eckpunkten 4 bis 7 eingespannt und ist über die Bohrung 3 mit dem (nicht dargestellten) Teil verbunden, das hinsichtlich der einwirkenden Kräfte bestimmt werden soll. Diese Kräfte wirken in der Ebene des Körpers 2 in zwei Richtungen und sind mit x und y bezeichnet. Ferner wirkt eine Kraft in z-Richtung senkrecht hierzu und zur Fläche des Körpers 2.

Der Kraftaufnehmer 1 besitzt ferner Meßbalken 8 bis 11, die durch nierenförmige Ausnehmungen 12 bis 15 gebildet sind. Dabei verlaufen die Meßbalken 9 und 11 in x-Richtung und die Meßbalken 8 und 10 und y-Richtung.

Die Bestimmung der Kräfte in x- bzw. y-Richtung erfolgt mit Hilfe der Schubspannungen, die in den senkrecht zur jeweiligen Kraftrichtung verlaufenden Meßbalken wirkt. Hierzu sind in den Meßbalken 8 und 10 für die Bestimmung der Kraft in x-Richtung und in den Meßbalken 9 und 11 für die Bestimmung der Kraft in y-Richtung als Wegaufnehmer ausgebildete Geber angeordnet, die die Längenänderung der Meßbalken in Richtung der zu bestimmenden Kraftkomponente bestimmen.

Jeder der Wegaufnehmer besteht aus zwei Teilen, die senkrecht zueinander und bezüglich der zu bestimmenden Kraftkomponente in einem Winkel von 45° verlaufen. Die beiden Teile des Weggebers in den Meßbalken 8 bzw. 10 für die Bestimmung der Kraft in x-Richtung tragen die Bezeichnung 28 und 32 bzw. 26 und 30. Die beiden Teile des Weggebers für die Meßbalken 9 und 11 sind mit 27 und 31 bzw. 25 und 29 bezeichnet.

Deckungsgleich zu den Weggeberteilen 25 bis 32 sind auf der Unterseite des Körpers 2 Weggeberteile 25′ bis 32′ angeordnet.

Ferner sind für die Bestimmung der Kraft in z-Richtung auf der Ober- und Unterseite der Meßbalken Weggeber 21 bis 24 bzw. 21′ bis 24′ mittig angeordnet, die aufgrund der Durchbiegung der Meßbalken auf der Ober- und Unterseite eine Bestimmung der untersuchten Kraftkomponente ermöglichen.

Der konstruktive Aufbau der Meßbalken ist anhand des in Fig. 1 mit 11 bezeichneten Meßbalkens 11 in Fig. 2 vergrößert dargestellt.

Deutlich ist dabei die Anordnung in der vorzugsweise als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Weggeberteile 21, 21′, 25, 25′, 29 und 29′ zu erkennen. Die Anordnung der Weggeberteile in den anderen Meßbalken 8 bis 10 ist entsprechend.

Die schaltungstechnische Verarbeitung der von den Weggeberteilen 21 bis 32 bzw. 21′ bis 32′ gelieferten Signale sind in Fig. 3 in den Teilen a, b und c dargestellt. In jedem dieser Teile a bis c sind Brückenschaltungen für die jeweils herangezogenen Weggeberteile dargestellt, die bei Auftreten einer Kraft in der zu messenden Richtung in beiden Brückenzweigen im entgegengesetzten Sinne und beim Auftreten einer Kraftkomponente in der dazu senkrechten Richtung im gleichen Sinne und im gleichen Maß beeinflußt werden. Das Signal in der Brückendiagonalen ist somit ein einwandfreies Maß für die zu bestimmende Kraftkomponente.

Die in Fig. 3a gezeigte Meßbrücke zur Bestimmung der Kraft in x-Richtung enthält die Weggeberteile 26 und 30 bzw. 28 und 32, die in den Meßbalken 8 und 10 angeordnet sind sowie jeweils damit in Reihe liegend die an der Unterseite deckungsgleich angeordneten Weggeberteile 26′ und 30′ bzw. 28′ und 32′. Die Weggeberteile sind in der dargestellten Weise verschaltet.

Bei Auftreten einer Kraft in x-Richtung werden die Weggeber 26 und 32 bzw. 26′ und 32′ in untereinander gleicher Weise beeinflußt. Dies gilt ebenfalls für die Weggeberteile 28 und 30 bzw. 28′ und 30′, doch ist deren Beeinflussung unterschiedlich zu der der Weggeberteile 26, 26′, 32 und 32′. Die beiden Brückenzweige, die aus den Weggebern 28, 28′, 32 und 32′ bzw. 26, 26′, 30 und 30′ bestehen, werden dadurch unterschiedlich verändert. In der Brückendiagonale zeigt sich ein Spannungssignal U _x , das ein direktes Maß für die Kraft in x-Richtung ist.

Tritt nun zusätzlich eine Kraft in y-Richtung auf, so hat diese keine Auswirkungen auf das Spannungssignal U _x der Schaltung von Fig. 3a. Eine derartige Kraftkomponente verändert die beiden Hälften jedes Brückenzweiges in derselben Weise. Das bedeutet, daß die Weggeberteile 28, 28′, 32 und 32′ aufgrund ihrer symmetrischen Ausrichtung bezüglich der y-Richtung in untereinander gleicher Weise verändert werden. Das Widerstandsverhältnis der Abschnitte der Brückenzweige, bestehend aus den Widerständen 28 und 28′ bzw. 32 und 32′ bleibt somit unter dem Einfluß einer Kraft in y-Richtung gleich. Dasselbe gilt für den zweiten Brückenzweig, der aus den Widerständen 26 und 26′ bzw. 30 und 30′ besteht.

Auch in diesem Brückenzweig bleibt das Widerstandsverhältnis der beiden Abstände gleich.

Tritt eine Kraft in z-Richtung auf, so werden die Weggeber 26, 28, 30 und 32 in gleicher Weise, die Weggeber 26′, 28′, 30′ und 32′ in dazu entgegengesetzter Weise beeinflußt. Durch die Verschaltung in der Meßbrücke von Fig. 3a heben sich diese gegengleiche Beeinflussungen auf und haben keine Auswirkung auf das Spannungssignal Ux.

Daraus ergibt sich, daß die Schaltung von Fig. 3a nur für Kräfte in x-Richtung empfindlich ist und aufgrund der unterschiedlichen Beeinflussung der beiden Brückenzweige durch diese Kraft ein präzises Maß hierfür liefert. Wie ebenfalls aus Fig. 3a zu erkennen ist, dienen die an der Unterseite der Meßbalken angeordneten deckungsgleichen Weggeberteile, sowohl zur Empfindlichkeitssteigerung des Kraftaufnehmers in x-Richtung, als auch zur elektrischen Kompensation der Beeinflussung durch Kräfte in y- und z-Richtung.

Die Meßbrücke von Fig. 3b dient dazu, die Kraft in y-Richtung zu bestimmen. Ihre Wirkungsweise ist entsprechend zur Meßbrücke von 3a und soll nicht mehr näher erläutert werden. Sie enthält die Meßgeberteile, die in den Meßbalken 9 und 11 angeordnet sind.

Die Meßbrücke von Fig. 3c dient dazu, Kräfte in z-Richtung zu bestimmen. Hierzu sind die auf der Ober- und Unterseite der Meßbalken mittig angeordneten Weggeberteile 21 bis 24 und 21′ bis 24′ in der dargestellten Weise erschaltet. Die Bestimmung dieser Kraft ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Längenänderung der Meßbalken in ihrer Ober- und Unterseite. Geht man davon aus, daß die Längenänderung der Meßbalken in ihrer Oberseite infolge einer Kraft in z-Richtung untereinander gleich und von der Längenänderung der Meßbalken an ihrer Unterseite verschieden ist, diese Längenänderung jedoch auch untereinander gleich ist, ergibt sich eine entsprechende Auswirkung auf die Spannung U _z in der Brückendiagonale wie im Falle der Meßbrücken von Fig. 3a und Fig. 3b. Aufgrund der unterschiedlichen Längenänderung der Meßbalken an der Ober- und Unterseite werden die beiden Zweige der Brücke gerade im entgegengesetzten Sinne verändert.

Im Gegensatz dazu wird durch eine Kraft in x- bzw. y-Richtung das Signal U _z in der Brückendiagonale von Fig. 3c nicht verändert. Eine Kraft in x-Richtung bewirkt eine gegengleiche Beeinflussung der Weggeber 21 und 23 bzw. 21′ und 23′ sowie eine gleichsinnige Beeinflussung der Weggeber 22, 22′, 24 und 24′. Aufgrund der Verschaltung in der Brücke nach Fig. 3c wird das Signal Uz durch die Kraft in x-Richtung nicht verändert. Entsprechendes gilt für Kräfte in y-Richtung.

Die konstruktive Ausbildung des Kraftaufnehmers, die in Fig. 4 dargestellt ist, dient dazu, die Empfindlichkeit des Kraftaufnehmers in x- und y-Richtung zu erhöhen. Hierzu sind beim äußeren Ende der Meßbalken 8 bis 11 Entlastungsschlitze 38 bis 41 vorgesehen, die die Steifigkeit des Kraftaufnehmers in Richtung der vier Meßbalken verringern. Dadurch steigt die Schubspannung in den der Messung der Kraftkomponenten dienenden, quer zu diesen liegenden Meßbalken an. Da, wie ausgeführt, die Schubspannungen als Meßgröße dienen, erhöht sich dadurch die Empfindlichkeit des Meßsystems.

Claims (7)

1. Flächenförmiger Kraftaufnehmer mit einer zentralen Bohrung zum Einleiten der Kraft und mit davon sternförmig ausgehenden Meßbalken, an denen vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen als Weggeber angeordnet sind, deren Längenänderung ein Maß für zwei in der Fläche liegende senkrecht zueinander verlaufende Kraftkomponenten liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Weggeber derart angeordnet und beschaltet sind, daß sie das Maß für die beiden Kraftkomponenten aus der Breitenänderung der quer zur jeweiligen Kraftkomponente liegenden Meßbalken ableiten.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weggeber zweigeteilt sind, daß die beiden Teile zur jeweiligen Kraftkomponente und untereinander einen nicht-stumpfen Winkel bilden.

3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Weggeber-Teile einen Winkel von 90° zueinander bilden und symmetrisch bezüglich des Verlaufs der anderen Kraftkomponente liegen.

4. Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Kraftkomponente gehörenden Weggeber in einer Differenzschaltung eingebunden sind, deren Ausgangsspannung durch die beiden Weggeber entsprechend der jeweiligen Kraftkomponente im selben Sinne verändert wird.

5. Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbalken beidseitig mit Weggebern belegt sind und die bezüglich der Fläche symmetrischen Weggeber einander zugeordnet sind.

6. Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbalken zusätzlich auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite in ihrer Längsrichtung mit Weggebern versehen sind und eine Kraft senkrecht zur Fläche aus der Wegdifferenz der Meßbalken auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite bestimmt ist.

7. Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende der Meßbalken Entlastungsschlitze 38 bis 41 angeordnet sind.