DE4007610A1 - Mess- bzw. ueberwachungseinrichtung fuer kraftbeanspruchte teile - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meß- bzw. Überwachungseinrichtung für kraftbeanspruchte Teile, insbesondere bei Flugzeugschleppern, mit einem Dehnungsmeßstreifen aufweisenden Kraftsensor, der an dem zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil befestigt und mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, und einer zugehörigen Signalverarbeitungs- und -auswerteschaltung.

Es ist allgemein bekannt, die mechanische Beanspruchung von Konstruktionsteilen mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen zu messen.

Hierbei werden beispielsweise vier in Form einer Wheatstone'schen Brücke geschaltete Dehnungsmeßstreifen an dem beanspruchten Teil befestigt. An eine Diagonale der Brücke wird eine Speisespannung angelegt, während an der anderen Diagonale die zu messende Spannung abgegriffen wird. Aufgrund der durch die Beanspruchung des Teiles erfolgenden Formänderungen (Dehnung) desselben und der daran befestigten Dehnungsmeßstreifen tritt eine Meßspannung auf, die verarbeitet und in einer Auswerteschaltung ausgewertet werden kann.

Solche Dehnungsmeßstreifen werden insbesondere bei auf Zug beanspruchten Teilen eingesetzt und dienen hierbei entweder als Meßeinrichtung, um die entsprechende Spannung des beanspruchten Teiles zu ermitteln, oder als Sicherheitseinrichtung, um bei Erreichen einer bestimmten Grenzspannung ein entsprechendes Alarmsignal abzugeben. So ist es beispielsweise aus der US-PS 41 13 041 bekannt, bei einem mit einer Zugstange arbeitenden Flugzeugschlepper einen aus Dehnungsmeßstreifen bestehenden Kraftsensor an der Zugstange zu befestigen und die von diesem Sensor kontinuierlich gelieferten Signale entsprechend auszuwerten. Je nach Art der Auswertung können dann entsprechende Sicherheitseinrichtungen angesteuert werden, die bei Erreichen einer oberen Grenzspannung ein entsprechendes Alarmsignal abgeben bzw. für einen Abbau des hohen Spannungswertes durch entsprechende Entlastung sorgen.

Eine solche Meß- bzw. Überwachungseinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß nicht zwischen dem unbelasteten Normalzustand des kraftbeanspruchten Teiles und einem Zustand unterschieden werden kann, in dem der Kraftsensor vom zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil abgelöst ist. Da die Dehnungsmeßstreifen auf das entsprechende Teil aufgeklebt sind, besteht nämlich bei derartigen Kraftsensoren die Gefahr, daß sich diese nach einiger Zeit vom entsprechenden Teil lösen, was besonders dann der Fall ist, wenn solche Meß- bzw. Überwachungseinrichtungen im Freien eingesetzt werden, nämlich beispielsweise zur Überwachung von den durch den Schleppvorgang kraftbeanspruchten Teilen von Flugzeugschleppern. Derartige Meß- bzw. Überwachungseinrichtungen zeigen nämlich dann sowohl im unbelasteten Normalzustand des kraftbeanspruchten Teiles als auch dann, wenn der Kraftsensor vom Teil abgelöst ist, das gleiche Basissignal (Nullsignal). Das bringt die Gefahr mit sich, daß bei abgelöstem Kraftsensor, obwohl sich das zu überwachende Teil im beanspruchten Zustand befindet, nur ein Nullsignal geliefert und hierdurch keine Alarm- bzw. Sicherheitseinrichtung ausgelöst wird. Die Überwachungseinrichtung kann daher in einem solchen Fall keine Überwachungsfunktion mehr wahrnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meß- bzw. Überwachungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der zwischen einem vom zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil abgelösten Zustand des Kraftsensors und dem unbelasteten Normalzustand des kraftbeanspruchten Teiles unterschieden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Befestigung des Kraftsensors an dem zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil entweder der Kraftsensor selbst oder das zu messende bzw. zu überprüfende Teil in einen vorgespannten Zustand gebracht ist.

Die entsprechende Vorspannung sorgt dafür, daß im normalen unbelasteten Zustand des kraftbeanspruchten Teiles bzw. des Kraftsensors an der Signalverarbeitungs- und -auswerteschaltung immer ein Signal anliegt, das sich von dem Signal unterscheidet, das bei abgelöstem Kraftsensor vorliegt. So wird in einem solchen Fall beispielsweise beim Lösen eines Dehnungsmeßstreifens des Kraftsensors eine Verstimmung der Meßbrücke eintreten, die ein entsprechendes Ausgangssignal zur Folge hat. Dieses Signal kann zum Ansteuern einer geeigneten Sicherheitseinrichtung verwendet werden, die anzeigt, daß sich beispielsweise ein Dehnungsmeßstreifen gelöst hat. Ein auf die vorstehend beschriebene Art befestigter Kraftsensor bzw. Dehnungsmeßstreifen steht daher in seinem Betriebszustand immer unter Vorspannung, unabhängig davon, ob diese Vorspannung durch das Aufbringen des Kraftsensors im vorgespannten Zustand oder durch das Vorspannen des beanspruchten Teiles erzeugt worden ist. Diese Vorspannung macht eine Unterscheidung gegenüber dem Zustand möglich, bei dem der Kraftsensor bzw. ein oder mehrere Dehnungsmeßstreifen vom kraftbeanspruchten Teil abgelöst sind.

Es versteht sich, daß die aufgebrachte Vorspannung so groß sein muß, daß die entsprechende Signaldifferenz zwischen dem abgelösten Zustand des Kraftsensors und dem befestigten Zustand (ohne Beanspruchung des Teiles) ausreichend groß sein muß, um ein derartiges Signal von einem durch Beanspruchung des Teiles entstehenden Nutzsignal unterscheiden zu können. Erfindungsgemäß wird daher die an der Meßbrücke gemessene Spannung zweckmäßigerweise einem Grenzwertschalter zugeführt, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungsgrenzwertes (der über den möglichen Spannungspegeln der Nutzsignale liegt) eine entsprechende Sicherheitseinrichtung ansteuert, beispielsweise über einen Relaiskontakt einen Alarm auslöst. Da ein derartiger Grenzwertschalter nur mit einer Spannungseinrichtung arbeitet, wird das Meßsignal vorzugweise über eine Gleichrichterschaltung geführt, so daß im Regelfall eine positive Spannung am Grenzwertschalter ansteht.

Bei der ersten Alternative der Erfindung werden der Kraftsensor bzw. der Dehnungsmeßstreifen oder die Dehnungsmeßstreifen selbst vor der Befestigung auf dem kraftbeanspruchten Teil unter Vorspannung gesetzt, beispielsweise durch Dehnen, und dann auf das Teil aufgeklebt. Bei der zweiten und dritten Alternative der Erfindung wird die Vorspannung vor Befestigung des Kraftsensors bzw. des Dehnungsmeßstreifens oder der Dehnungsmeßstreifen im kraftbeanspruchten Teil erzeugt, so daß sich nach der Aufbringung des Kraftsensors und dem Zurückkehren des kraftbeanspruchten Teiles in seinen Normalzustand im Kraftsensor bzw. Dehnungsmeßstreifen eine entsprechende Vorspannung einstellt. In beiden Fällen kann die Vorspannung durch mechanische Beanspruchung erzeugt werden, beispielsweise durch Aufbringung einer Zugkraft auf das kraftbeanspruchte Teil. Bei dieser zweiten Alternative der Erfindung kann jedoch auch die Vorspannung des zu messenden bzw. zu überprüfenden Teiles auf thermische Weise erzeugt werden. Diese Ausführungsform wird besonders bevorzugt. So wird hierzu beispielsweise das Teil erhitzt, und im erhitzten Zustand wird der Kraftsensor aufgebracht. Nach dem Abkühlen auf Normaltemperatur ergibt sich eine entsprechende Vorspannung im Kraftsensor durch Zusammenziehen desselben. Natürlich kann das zu messende bzw. zu überprüfende Teil auch vor der Anbringung des Kraftsensors abgekühlt werden. Nach dem Erwärmen auf normale Temperatur entsteht dann im Kraftsensor eine Vorspannung durch Dehnung.

Der Kraftsensor umfaßt vorzugsweise vier in einer Meßbrücke geschaltete Dehnungsmeßstreifen. Wenn sich hierbei ein oder mehrere Dehnungsmeßstreifen lösen, tritt eine Verstimmung der Meßbrücke ein, so daß eine entsprechend große Spannung gemessen werden kann, die von der einen Diagonalen der Meßbrücke abgegriffen wird. Der Aufbau einer derartigen Meßbrücke ist bekannt, so daß an dieser Stelle auf eine ins einzelne gehende Beschreibung verzichtet werden kann. Die gemessene Spannung wird über einen Verstärker verstärkt und in einer Signalverarbeitungs- und auswerteschaltung verarbeitet und ausgewertet, beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Art.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Erfindung sind Schleppfahrzeuge für Flugzeuge, insbesondere solche, bei denen das Bugrad des Flugzeuges am Schleppfahrzeug festgelegt wird. Bei diesen Schleppfahrzeugen wird das Flugzeug nicht über eine Zugstange gezogen, sondern das Bugrad wird direkt am bzw. auf dem Schleppfahrzeug festgelegt, so daß dieses beim Schleppen nicht mehr auf dem Boden abrollt. Die erfindungsgemäß ausgebildete Meß- bzw. Überwachungseinrichtung ist nunmehr an einem derartigen Schleppfahrzeug angeordnet, wobei sich der Kraftsensor an einem durch den Schleppvorgang kraftbeanspruchten Teil des Schleppfahrzeuges befindet. Eine derartige Meß- bzw. Überwachungseinrichtung ist erforderlich, um durch das Auftreten von zu hohen Zugkräften am Flugzeug, insbesondere Bugfahrwerk, Schäden zu verhindern. So besteht beispielsweise beim Schleppen des Flugzeuges die Möglichkeit, daß der Pilot versehentlich oder beim Erkennen einer Gefahr die Bremse betätigt. Würde nunmehr das Schleppfahrzeug weiter betätigt werden, so könnten durch zu hohe Zugkräfte Schäden am Bugfahrwerk auftreten. Durch Anordnung der Meß- bzw. Überwachungseinrichtung kann bei Erreichen einer festgelegten Maximalkraft die vom Schleppfahrzeug ausgeübte Zugkraft aufgehoben werden, beispielsweise vollautomatisch durch Einrücken einer Bremse am Schleppfahrzeug oder durch Abgabe eines Alarmsignales, wodurch der Fahrer des Schleppfahrzeuges dieses zum Stoppen bringt. Fällt jedoch nunmehr die Meß- bzw. Überwachungseinrichtung durch Ablösen des Kraftsensors (Dehnungsmeßstreifen) von dem entsprechenden kraftbetätigten Teil aus, so kann die entsprechende Sicherheitseinrichtung nicht mehr betätigt werden und es kann trotzdem im Falle einer Bremsung des Flugzeuges zu Schäden am Bugfahrwerk desselben kommen. Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Meß- bzw. Überwachungseinrichtung ist dies nicht möglich, da hiermit eine Unterscheidung in bezug auf den Zustand des abgelösten Kraftsensors und des Normalzustandes bei nicht beanspruchtem Teil möglich ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kraftsensor an einem mechanisch beanspruchten Bolzen angeordnet. Ein solcher Bolzen wird auf Zug oder auf Biegung beansprucht. In Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Kraftsensor an zwei symmetrisch zueinander angeordneten Bolzen vorgesehen, wobei sich jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen beidseitig an einem Bolzen befinden. Um gute Meßverhältnisse zu schaffen, sind der Bolzen bzw. die Bolzen zweckmäßigerweise hohl ausgebildet, wobei die beiden Dehnungsquerstreifen eines Bolzens an dessen Innenbohrungswandung in gegenüber angeordneter Lage vorgesehen sind. Derartige Bolzen können bei dem Schleppfahrzeug der vorstehend beschriebenen Art an irgendeiner Stelle zum Einsatz kommen, an der sie durch den Schleppvorgang einer Beanspruchung ausgesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Draufsichten, teilweise im Schnitte, von zwei Kraftmeßbolzen, von denen jeweils einer mit zwei Dehnungsmeßstreifen versehen ist; und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der entsprechenden Schaltung für die in Fig. 1 dargestellten Dehnungsmeßstreifen.

Fig. 1 zeigt zwei parallel zueinander angeordnete Kraftmeßbolzen 1, die sich an einem Schleppfahrzeug für Flugzeuge (nicht gezeigt) befinden, bei dem das Bugfahrwerk des Flugzeuges am Schleppfahrzeug festgelegt ist. Beim Schleppen des Flugzeuges werden die beiden Bolzen auf Zug beansprucht.

Die Bolzen 1 sind hohl ausgebildet und besitzen jeweils eine Innenbohrung 2. An der Wandung der Innenbohrung sind zwei Dehnungsmeßstreifen in gegenüber angeordneter Lage festgeklebt. Alle vier Dehnungsmeßstreifen 3 der beiden Kraftmeßbolzen 1 sind in einer Meßbrücke 4 zusammengeschaltet, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Vor dem Aufbringen der Dehnungsmeßstreifen 3 auf die Kraftmeßbolzen 1 sind diese auf eine Temperatur von 200°C erwärmt worden. Durch diese Erwärmung dehnen sich die Bolzen aus. Beim nachfolgenden Abkühlen auf Normaltemperatur werden die Dehnungsmeßstreifen zusammengezogen, so daß sie im Normalzustand unter Vorspannung stehen. Die hier gewählte Temperaturerhöhung auf 200°C sichert ausreichend große Meßwertveränderungen bei Ablösung der Dehnungsmeßstreifen vom Kraftmeßbolzen im Betriebstemperaturbereich.

Wie Fig. 2 zeigt, ist an die eine Diagonale der Meßbrücke 4 (Wheatston'sche Brücke) eine Speisespannung bei 5 angelegt. Von der anderen Diagonalen wird bei 6 die entsprechende Meßspannung abgegriffen, die über einen Verstärker 7 einer Signalverarbeitungs- und -auswerteschaltung 8 zugeführt wird.

Wenn alle Dehnungsmeßstreifen 3 befestigt sind, wird bei mechanischer Beanspruchung der Kraftmeßbolzen eine entsprechende Meßspannung erzeugt, aus der auf die Beanspruchung geschlossen werden kann. Die Nutzsignale können beispielsweise so verarbeitet und ausgewertet werden, daß auf einer Anzeigeeinrichtung auf dem Schleppfahrzeug die entsprechenden Belastungswerte dargestellt werden. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes kann eine Alarmeinrichtung ausgelöst oder beispielsweise direkt ein Bremsvorgang des Schleppfahrzeuges eingeleitet werden.

Löst sich nunmehr beispielsweise ein Dehnungsmeßstreifen vom Bolzen, so wird eine Verstimmung der Meßbrücke 4 eintreten und am Verstärkerausgang eine Spannung auftreten, die sich deutlich von der Nutzspannung abhebt. Diese Spannung wird einem Grenzwertschalter (nicht gezeigt) zugeführt, der bei Überschreiten einer Grenzspannung bei Ablösen eines Dehnungsmeßstreifens über einen Relaiskontakt einen Alarm auslöst.

Claims (10)

1. Meß- bzw. Überwachungseinrichtung für kraftbeanspruchte Teile, insbesondere bei Flugzeugschleppern, mit einem Dehnungsmeßstreifen aufweisenden Kraftsensor, der an dem zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil befestigt und mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, und einer zugehörigen Signalverarbeitungs- und -auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Befestigung des Kraftsensors an dem zu messenden bzw. zu überprüfenden Teil (1) entweder der Kraftsensor selbst oder das zu messende bzw. zu überprüfende Teil (1) in einen vorgespannten Zustand gebracht ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung des Kraftsensors durch mechanische Beanspruchung erzeugt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung des zu messenden bzw. zu überprüfenden Teiles (1) durch mechanische Beanspruchung erzeugt ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung des zu messenden bzw. zu überprüfenden Teiles (1) auf thermische Weise erzeugt ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung derart gewählt ist, daß die durch das Ablösen des Kraftsensors verursachte elektrische Spannung größer ist als die durch mechanische Beanspruchung des kraftbeanspruchten Teiles (1) verursachte elektrische Spannung.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor vier in einer Meßbrücke (4) geschaltete Dehnungsmeßstreifen (3) umfaßt.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an einem kraftbeanspruchten Teil (1) eines Schleppfahrzeuges für Flugzeuge angeordnet ist, bei dem das Bugrad des Flugzeuges am Schleppfahrzeug festgelegt wird.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an einem mechanisch beanspruchten Bolzen (1) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor an zwei symmetrisch zueinander angeordneten Bolzen (1) vorgesehen ist, wobei sich jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen (3) beidseitig an einem Bolzen befinden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dehnungsmeßstreifen (3) eines Bolzens (1) an dessen Innenbohrungswandung in gegenüber angeordneter Lage vorgesehen sind.