DE3720876A1 - Messvorrichtung zur ermittlung der bei einer belasteten schraubendruckfeder auftretenden kraefte und momente - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß bei einer belasteten Schraubendruck­ feder die Wirkungslinie der resultierenden Kraft im all­ gemeinen nicht deckungsgleich mit der geometrischen Mit­ telachse der Feder verläuft. Ursache dafür ist die durch die Schraubenlinie bedingte Art der Krafteinleitung, die eine über den Umfang gleichmäßige Belastung der Feder­ enden nicht zuläßt. Dies bewirkt, daß in den Federauf­ standsflächen sowohl Querkräfte als auch Momente auftre­ ten, die bei einer ganzen Reihe von Konstruktionen uner­ wünscht sind und daher so klein wie möglich gehalten wer­ den sollten.

Probleme dieser Art sind überall da zu erwarten, wo be­ wegliche Teile über Schraubendruckfedern abgestützt wer­ den und die Funktionssicherheit durch Reibung und Ver­ schleiß infolge der bereits erwähnten Reaktionskräfte beeinträchtigt wird. Als Konstruktionsbeispiele können hier Federbeine, Bremszylinder, Ventile, Kolbenführungen und ähnliche Elemente genannt werden. Es ist wünschens­ wert, die Wirkungen der außermittigen Krafteinteilung bereits bei der Berechnung und Auslegung von Schrauben­ druckfedern zu berücksichtigen.

Da eine Berechnung der Lage des Kraftmittelpunktes in­ folge der großen Anzahl von nicht exakt erfaßbaren Ein­ flüssen meist zu ungenauen Ergebnissen führt, wurden für die wichtigsten Einflußgrößen wie Windungszahl, Be­ lastungsgrad und Federendenform empirische Werte er­ mittelt. Damit ist die Bestimmung von Kraftmittelpunkt­ lage, Querkraft und Querkraftrichtung jedoch nur unter der Voraussetzung möglich, daß die durch die Symmetrie­ achse getrennten Federhälften identisch sind.

Es wurde bereits eine Meßvorrichtung zur Ermitt­ lung der Kraftmittelpunktlage vorgeschlagen. Die Ab­ stutzung der zu untersuchenden Feder erfolgt hierbei über eine verwindungssteife Platte und durch drei pen­ delnd gelagerte Zugstäbe, deren Kraftwirkungslinien die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Die Mittelachse von Feder und Druckstempel stehen senkrecht im Schwerpunkt dieses Dreiecks. Die Platte wird über seitliche Rollen zentriert und geführt, wodurch eine Verlagerung durch auftretende Querkräfte verhindert wird.

Die in den Zugstäben dieser Meßvorrichtung mittels Dehnungsmeßstreifen gemessenen Dehnungen ermöglichen die Berechnung der Koordinaten des resultierenden Kraftmittel­ punktes, wodurch Betrag und Richtung der Exzentrizität sowie die Richtung der Querkraft gegeben sind.

Bei dieser Meßvorrichtung mit nur drei vertikalen Kraft­ sensoren kann der Kraftmittelpunkt jedoch nur an einer Seite und - weil die Kraft-resultierende meist auch schräg auf die Auflage wirkt - auch nur dann richtig gemessen werden, wenn die Auflageebene der Feder und die Meßebene identisch sind. Dies erfordert jedoch eine weit ausein­ ander liegende Anordnung der drei Kraftsensoren, außerhalb der von der größten Feder gebildeten Kreisfläche. Damit wird auch die Messung der Außermittigkeit unempfindlicher. Es muß ferner sichergestellt werden, daß die von der Aus­ führung der Federenden abhängigen Federaufnahmen einheit­ lich hoch sind.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Meßvorrichtung zu vermeiden und eine solche Vorrichtung anzugeben, welche die Möglichkeit bietet, Betrag, Wirkrichtung und Lage im Raum der Kraftresultierenden einer auf Druck belasteten Schraubenfeder aus einem Meß­ vorgang zu ermitteln.

In der Neuerung wird von einer Meßvorrichtung zur Ermitt­ lung der bei einer belasteten Schraubendruckfeder auftre­ tenden, von der Schraubenachsrichtung abweichenden Kräfte und Momente ausgegangen, welche einen Druckstempel sowie eine verwindungsfreie Druckplatte als Auflage für die zu prüfende Schraubendruckfeder enthält.

Gemäß der Neuerung ist die Druckplatte auf drei, aus­ schließlich in Achsrichtung (z-Achse) verlaufende Druck­ kräfte aufnehmenden Pendellagern oder auf sowohl Druck- als auch Zugkräfte aufnehmenden biegeelastischen Doppel­ kreuzgelenken gelagert; an dieser Druckplatte sind fer­ ner drei biegeelastische Doppelkreuzgelenke derart be­ festigt, daß die Achse eines Doppelkreuzgelenkes in Richtung der x-Achse (y-Achse) und die Achsen der beiden anderen Doppelkreuzgelenke parallel zur y-Achse (x-Achse), jedoch symmetrisch zur z-Achse verlaufen und ferner sind sowohl die jeweils freien Enden der Doppelkreuzgelenke als auch die drei die Druckplatte tragenden Pendellager oder Doppelkreuzgelenke jeweils durch Kraftsensoren ab­ gestützt.

Dabei wird unter einem Doppelkreuzgelenk ein bekanntes Kraftübertragungsglied verstanden, welches nur in seiner Achsrichtung Zug- und Druckkräfte übertragen kann, aber in die beiden zu seiner Achsrichtung senkrecht verlaufen­ den Richtungen in geringfügigem Maße ohne wesentliche Krafteinwirkung ausweichen kann. Bei biegeelastisch ausgebildeten Doppelkreuzgelenken erfolgt diese seit­ liche Ausweichung spiel- und reibungsfrei; sie ist kraft­ proportional und kann daher meßtechnisch berücksichtigt werden.

Die vertikal wirkende Prüfkraft wird zweckmäßig von drei Kraftsensoren erfaßt, die jeweils um 120° versetzt konzen­ trisch auf einem Teilkreis um die vertikale Hauptachse (z- Achse) der Meßvorrichtung angeordnet sind.

Die horizontal wirkenden Kräfte werden durch drei Kraft­ sensoren erfaßt, die in einer Ebene unterhalb der Druck­ plattenauflagefläche, der Meßebene, angeordnet sind. Es sind vorgesehen zwei Kraftsensoren parallel zueinander und symmetrisch zur x-Achse mit tangentialem Angriff an die Druckplatte und einem Kraftsensor, der direkt in der y-Achse mit radialen Kraftangriff wirkt.

Die Kraftsensoren sind zweckmäßig von elektro-mechani­ scher Bauart, deren kraftproportionale elastische Ver­ formungen über aufgeklebte Dehnungsmeßstreifen in analoge elektrische Signale umgeformt werden. Die maximale Ver­ formung dieser Kraftsensoren, bezogen auf die Stelle der Krafteinleitung, beträgt etwa 0,2 mm bei der jeweils zu­ lässigen maximalen Prüfkraft.

Zur Wirkungsweise dieser Meßvorrichtung ist folgendes zu sagen.

Die auf die Druckplatte wirkende vertikale Prüfkraft wird über selbst einstellende Pendellager auf die Vertikal-Kraft­ sensoren übertragen. Diese Pendellager bewirken, daß sich die Druckplatte seitlich nach allen Richtungen praktisch reibungsfrei bewegen kann (schwimmende Lagerung). Sie sind allerdings nur für die Übertragung von Druckkräften geeignet. Deshalb muß die vertikale Kraftkomponente F _z auch innerhalb der aus den drei vertikalen Kraftaufnehmern gebildeten Drei­ ecksflächen liegen. Wenn auch Zugkräfte übertragen werden müssen, müssen in dieser Meßvorrichtung an Stelle der Pen­ dellager zweckmäßig biegeelastische Doppelkreuzgelenke vor­ gesehen werden.

Die horizontalen Komponenten Fx und Fy der Kraftresultieren­ den werden von der Druckplatte über biegeelastische Doppel­ kreuzgelenke auf die horizontalen Kraftsensoren übertragen. Damit können von der Druckplatte nur Zug- oder Druckkräfte, aber keine Seitenkräfte oder Momente auf die Kraftsensoren übertragen werden. Diese Gelenke sind absolut spiel- und reibungsfrei. Ihre wegproportionalen Auslenkkräfte sind - wegen der kleinen Wegänderung von maximal 0,2 mm - prak­ tisch vernachlässigbar und werden zudem bei der Kalibrierung der jeweils beeinflußten Kraftsensoren berücksichtigt.

Diese Anordnung der horizontalen Kraftaufnehmer bietet die Möglichkeit, nicht nur die horizontalen Kräfte in x- und y-Richtung sondern gleichzeitig auch das Drehmoment um den Druckplattenmittelpunkt (z-Achse) zu messen. Die beiden parallel in x-Richtung angeordneten Kraftsensoren messen nicht nur die Kräfte in x-Richtung sondern auch dieses Dreh­ moment. Da diese beiden Kraftsensoren symmetrisch und im gleichen Abstand von der x-Achse angeordnet sind, wird eine horizontale Kraft in x-Richtung auf beide Sensoren gleich­ mäßig übertragen. Ein Drehmoment um den Druckplattenmittel­ punkt (z-Achse) bewirkt dagegen, daß beide Kraftaufnehmer dieselbe Tangentialkraft, aber mit jeweils umgekehrter Rich­ tung übertragen müssen. Damit errechnet sich die Horizontal­ kraft F _x immer aus der Summe der von diesen beiden Kraftsen­ soren gemessenen Kräfte F 4 und F 5, das Drehmoment aus der Differenz multipliziert mit dem Abstand a zur x- Achse.

Aus den Meßgrößen dieser sechs Kraftsensoren lassen sich für jede Ebene zwischen der Meßebene und der oberen Federaufnahme die vertikale und die beiden horizontalen Kraftkomponenten und ihre jeweiligen Abstände zur Haupt­ achse der Meßvorrichtung (z-Achse) und damit auch die Größe und Lage im Raum der Federkraft rechnerisch er­ mitteln. Dieser Berechnung liegt die Überlegung zugrunde, daß - bezogen auf die Meßebene - alle Kräfte in x-, y- und z-Richtung und alle Momente um diese Achsen im Gleich­ gewicht sein müssen. Aus den gemessenen Reaktionskräften F 1 bis F 6 können deshalb die Größe der vertikalen und der beiden horizontalen Komponenten der Prüfkraft und ihre Abstände d und dy zur geometrischen Mitte berechnet werden. Die vertikalen und die horizontalen Komponenten der Prüfkraft sind in allen Ebenen gleich groß, weil keine äußeren Kräfte einwirken; nur ihre Ab­ stände zur Meßebene und zur Hauptachse der Meßvorrichtung sind unterschiedlich.

Bei der beschriebenen Meßvorrichtung kann der Abstand zwischen Auflageebene und Meßebene durch Eingabe der aktuellen Bauhöhe der Federaufnahme in einfacher Weise berücksichtigt werden.

Mit der neuerungsgemäßen Meßvorrichtung kann aus den ge­ messenen Werten auch noch das Drehmoment der Feder um die z-Achse rechnerisch ermittelt werden.

Zur Berechnung der gesuchten Kräfte und Momente aus den mit Hilfe der Kraftsensoren gemessenen Werte dienen die im folgenden wiedergegebenen Gleichungen:

Fx = F 4 + F 5 Fy = F 6 F _z = F 1 + F 2 + F 3 Mx = (F 3 - F 2) · · r - Fy · h My = F 1 · r - (F 2 + F 3) · r/2 + Fx · h Mz = (F 5 - F 4) · a dx = My/F 2 dy = Mx/F 2

Ein Ausführungsbeispiel der neuerungsgemäßen Meßvorrich­ tung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip dieser Meßvorrichtung in der y-z-Ebene,

Fig. 2 das Prinzip dieser Meßvorrichtung in der x-z-Rich­ tung,

Fig. 3 das Prinzip dieser Meßvorrichtung in der x-y-Ebene,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer solchen Meß­ vorrichtung mit angeschlossener Auswerteeinrichtung.

Wie sich aus den Fig. 1 bis 3 ergibt, wird die zu unter­ suchende Schraubendruckfeder 10 zwischen eine obere Druck­ platte 7 und eine untere Druckplatte 12 unter Zwischenschal­ tung von der oberen Federaufnahme 8 und der unteren Fe­ deraufnahme 11 eingespannt. Die untere Druckplatte 12 ruht auf drei um 120° gegeneinander versetzten Pendel­ lagern 14, die ihrerseits durch die drei Kraftsensoren 1, 2 und 3 abgestützt sind.

In einer Ebene 13 unterhalb der Druckplattenauflage­ fläche sind an die Druckplatte 12 drei biegeelastische Doppelkreuzgelenke 15 angesetzt, welche mit ihren freien Enden an den drei Kraftsensoren 4, 5 und 6 abgestützt sind. Eines dieser drei Doppelkreuzgelenke verläuft ge­ nau in Richtung der y-Achse, während die beiden anderen Doppelkreuzgelenke 15 jeweils im Abstand a von der x- Achse tangential an der Druckplatte 12 angreifen.

In einem Diagramm sind in den Fig. 1 und 2 die Horizon­ talkräfte Fx und Fy, ferner die Vertikalkraft Fz sowie die resultierende Kraft F dargestellt. Die Drehmomente sind mit Mx und My bezeichnet.

Aus der perspektivischen Darstellung nach Fig. 4 erkennt man die Ausbildung einer solchen Meßvorrichtung, welche als Säulenkonstruktion 16 ausgeführt ist. In dieser Säu­ lenkonstruktion ist die untere Druckplatte 12 gehalten, während in dem oberen Teil die verstellbare Druckplatte 7 geführt ist. Die zu prüfende Feder ist in dieser Figur ebenfalls mit 10 bezeichnet.

Die von den sechs Kraftsensoren gewonnenen Meßwerte wer­ den über das Kabel 18 der Auswerteeinrichtung 19 zugeführt; die errechneten Meßwerte erscheinen dann in einer An­ zeigetafel 20 oder werden von einem Protokolldrucker 21 ausgegeben.

In Fig. 4 erkennt man noch eine im Arbeitsbereich der zu prüfenden Feder 10 angeordnete Schutzvorrichtung 17 aus Plexiglas.

Claims (4)

1. Meßvorrichtung zur Ermittlung der bei einer belaste­ ten Schraubendruckfeder auftretenden, von der Schrau­ benachsrichtung abweichenden Kräfte und Momente, ent­ haltend einen Druckstempel sowie eine verwindungs­ freie Druckplatte als Auflage für die zu prüfende Schraubendruckfeder, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (12) auf drei, ausschließlich in Achsrich­ tung (z-Achse) verlaufende Druckkräfte aufnehmenden Pendellagern (14) oder auf sowohl Druck- als auch Zug­ kräfte aufnehmenden biegeelastischen Doppelkreuzge­ lenken gelagert ist, daß an dieser Druckplatte (12) drei biegeelastische Doppelkreuzgelenke (15) derart befestigt sind, daß die Achse eines Doppelkreuzgelenkes in Richtung der x-Achse (y-Achse) und die Achsen der beiden anderen Doppelkreuzgelenke parallel zur y-Achse (x-Achse), jedoch symmetrisch zur z-Achse verlaufen und daß sowohl die jeweils freien Enden der Doppelkreuz­ gelenke (15) als auch die drei die Druckplatte (12) tragenden Pendellager (14) oder Doppelkreuzgelenke jeweils durch Kraftsensoren (1, 2, 3, 4, 5, 6) ab­ gestützt sind.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die drei Pendellager (14) auf einem konzen­ trisch zur z-Achse verlaufenden Teilkreis und gegenein­ ander jeweils um 120° versetzt angeordnet sind.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die drei Doppelkreuzgelenke (15) an der Druckplatte (12) in einer Ebene (13) unterhalb der Druck­ plattenauflagefläche befestigt sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftsensoren (1, 2, 3, 4, 5, 6) von elektromechanischer Bauart sind, deren kraft­ proportionale elastische Verformungen über aufgeklebte Dehnungsmeßstreifen in analoge elektrische Signale umgeformt werden.