DE4114093A1 - Messwertaufnehmer zur messung von kraeften und/oder momenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer zur Messung von Kräften und/oder Momenten in drei Koordinatenachsen, mit einem Verformungskörper, der mit Dehnmeßstreifen verse­ hen ist.

Meßwertaufnehmer der eingangs bezeichneten Art werden bei­ spielsweise benötigt, um die Belastungen der Fahrzeuginsas­ sen bei Unfällen in Crashversuchen mittels instrumentierter Meßpuppen zu ermitteln. Hierbei sind neben den Einzelwerten von Beschleunigung, Brusteindrückung, vor allem die Kräfte und Momente im Halswirbelbereich zu messen, da der Kopf im Gegen­ satz zum Körper nicht durch Rückhalteeinrichtungen festlegbar ist und dementsprechend bei einem Auffahrunfall die gesamte durch den Kopf ausgeübte Krafteinwirkung auf den Hals im Halswirbelbereich aufgenommen werden muß. Der an den Meß­ puppen, sogenannten Dummies zur Verfügung stehende Raum im Halsbereich ist begrenzt, so daß es darauf ankommt, einen möglichst kleinbauenden Meßaufnehmer zu besitzen. Dies er­ langt insbesondere Bedeutung für die Messung der Einflüsse bei Kindern und Kleinkindern, bei denen das Verhältnis der Kopfmasse zum Gesamtgewicht etwa 1 : 3 beträgt, während die­ ses Verhältnis im Gegensatz hierzu bei Erwachsenen nur etwa 1 : 7 beträgt. Die Messung von Kräften und Momenten bei Klein­ kindern besitzt darüber hinaus große Bedeutung, weil hier der Halswirbelbereich noch aus weicher, elastischer Knochen­ substanz besteht, so daß unfallbedingte Belastungen zu schwer­ wiegenden Verletzungen auch des Rückenmarks führen können. Mit den bisher zur Verfügung stehenden Meßaufnehmern war es lediglich möglich, mit Hilfe von Kinder-Dummies die Be­ schleunigung in Kopf und Brust zu messen. Dementsprechend war es bisher beispielsweise auch nicht möglich, die Wirkung von Kinderrückhalte-Systemen hinsichtlich der Belastung im Halswirbelbereich zu bewerten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der die gleichzei­ tige Messung der Kraftkomponenten und der Momentenkomponenten in einem dreiachsigen Koordinatensystem ermöglicht und hier­ bei so klein baut, daß er vielfältig, beispielsweise auch in allen vorhandenen Größen von Kinder-Dummies einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Verfor­ mungskörper gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei mit Abstand parallel zueinander ausgerichtete jeweils vier­ armig-sternförmige Krafteinleitungsplatten mit Befestigungs­ mitteln vorgesehen sind, daß die Arme einer jeden Kraftein­ leitungsplatte mit quer zur Ausrichtung der Arme und in der Ebene der Krafteinleitungsplatte ausgerichteten Biegeelemen­ ten versehen sind, daß die Biegeelemente der einen Kraftein­ leitungsplatte mit den Biegeelementen der anderen Kraftein­ leitungsplatte jeweils an ihren den Armen abgekehrten Enden über Querstücke fest miteinander verbunden sind und daß ein Teil der Biegeelemente und/oder ein Teil der Querstücke mit Dehnmeßstreifen versehen ist. Ein derart ausgebildeter Meß­ aufnehmer bietet die Möglichkeit, eine räumlich auf die Krafteinleitungsplatten wirkende Kraft und ein räumlich hierauf wirkendes Moment durch die gleichzeitige Messung ihrer Komponenten in allen drei Koordinatenrichtungen zu erfassen. Die spezielle Ausbildung des Verformungskörpers erlaubt es hierbei, die zu messenden Kraftkomponenten und die zu messenden Momentenkomponenten von den zu erfassenden Dehnungen her weitestgehend zu trennen und die mit Dehnmeß­ streifen zu bestückenden Bereiche einerseits und die zu verwendenden Dehnmeßstreifen andererseits so aufeinander abzustimmen, daß diese zur Belastung linear-proportionale Signale liefern. Ein derartiger Verformungskörper ist hier­ bei, da er sehr kompakt bau, gegenüber den beispielsweise bei der Handhabung von Dummies üblichen Belastungen unempfind­ lich. Ein besonderer Vorteil eines derart ausgebildeten Meß­ aufnehmers besteht darin, daß er sehr klein baut, so daß er auch im Halsbereich eines Dummies von der Größe eines 1/2-jährigen Kindes (P 0,5) eingebaut werden kann und hierbei außerdem noch Platz für einen dreiaxialen Beschleunigungs­ aufnehmer vorhanden ist. Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßaufnehmers besteht darin, daß er eine Vielzahl verformungsfähiger Elemente, aufweist, die ihrerseits eine Vielzahl aktiver Flächen besitzen, deren Verformungen mit Dehnmeßstreifen erfaßt werden können. Die verformungsfähigen Elemente werden hierbei zum einen durch die mit den Armen verbundenen Biegeelemente und zum anderen durch die die Biegeelemente verbindenden Querstücke gebildet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß alle Biegeelemente die gleiche Länge aufweisen, so daß in Verbindung mit den Querstücken der Meßaufnehmer einen quadratischen Grundriß aufweist. Hiermit ergibt sich eine symmetrische Anordnung, so daß sich einige Elemente aus Symmetriegründen gleich verformen müssen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge­ sehen, daß die Biegeelemente einen geringeren Verformungs­ querschnitt aufweisen als die Arme der Krafteinleitungsplat­ ten und/oder der Querstege. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die aktiven Querschnitte so dimensioniert werden können, daß das sich ergebende Signal im Nennmeßbereich des verwendeten Dehnmeßstreifens genügend empfindlich und linear ist und die Elemente bei betrieblicher Belastung nicht be­ schädigt werden. Dadurch, daß die Biegeelemente einen geringe­ ren Verformungsquerschnitt aufweisen, ergibt sich somit ein eindeutiger Verformungsbereich, da die wesentlich steiferen Arme der Krafteinleitungsplatten praktisch keiner Verformung unterliegen. Zweckmäßig ist es hierbei ferner, wenn die wirk­ same Länge der Biegeelemente in etwa dem lichten Abstand der beiden Krafteinleitungsplatten entspricht. Der Verfor­ mungskörper ist gemäß der Erfindung bevorzugt einstückig aus Metall hergestellt, so daß sich ein sehr kompakter und stabiler Verformungskörper ergibt, bei dem lediglich die angebrachten Dehnmeßstreifen und deren herausgeführte Verbin­ dungsleitungen empfindliche Teile darstellen. Durch eine entsprechende Kapselung läßt sich hier ein wirksamer Schutz erzielen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge­ sehen, daß bei zumindest einem Teil der Querstücke auf den in der Außenebene der Krafteinleitungsplatten liegenden End­ flächen Lötpunkte für Verbindungsleitungen der Dehnmeßstrei­ fen angeordnet sind. Zweckmäßig ist ferner, wenn die Verbin­ dungsleitungen der Dehnmeßstreifen auf einer Anschlußplatine zusammengeführt sind, die mit einer der Krafteinleitungsplat­ ten verbunden ist und an die wenigstens ein Anschlußkabel mit Kupplungsstecker angeschlossen ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Verformungskörper,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Verformungskörpers gem. Fig. 1,

Fig. 3 schematisch einen Verformungskörper ent­ sprechend Fig. 1 in der Perspektive,

Fig. 4 die Anordnung eines Meßaufnehmers in einem Kinderdummie.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, besteht der dargestellte Verformungskörper 1 im wesentlichen aus einer oberen Kraft­ einleitungsplatte 2 und einer unteren Krafteinleitungsplat­ te 3, die beide identisch ausgebildet sind und mit vier sternförmig angeordneten Armen 4 von gleicher Länge versehen sind. An die Arme einer jeden Krafteinleitungsplatte 2, 3 schließen sich jeweils quer zur Ausrichtung der Arme 4 und in der Ebene der Krafteinleitungsplatte zwei Biegeelemente 5 an. Die Biegeelemente 5 der Krafteinleitungsplatte 2 und die Biegeelemente der parallel dazu angeordneten Kraftein­ leitungsplatte 3 sind jeweils an ihren den Armen 4 abgekehr­ ten Enden über Querstücke 6 fest miteinander verbunden.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, weisen die Biegeelemente 5 jeweils einen geringeren Verformungsquerschnitt auf als die Arme der Krafteinleitungsplatten 2, 3 und als die Querstücke 6, wobei die Querstücke 6 wiederum einen geringeren Verformungs­ querschnitt als die Arme 4 der Krafteinleitungsplatten aufwei­ sen. Die freie Verformungslänge der Querstücke 6 entspricht in etwa der freien Verformungslänge der Biegeelemente 5. Die Krafteinleitungsplatten selbst sind auf ihrer Außenseite jeweils mit Schraubenlöchern versehen, so daß hieran die sich voneinander unabhängig bewegbaren Elemente des zu mes­ senden Teils befestigt werden können.

Der Verformungskörper selbst ist einstückig, beispielsweise aus Stahl (St 50) hergestellt. Sofern für den zu untersuchen­ den Belastungsvorgang das Gewicht des Meßaufnehmers im Ver­ hältnis zum Gewicht der anderen Elemente nicht vernachlässig­ bar ist, besteht die Möglichkeit, hier durch die Wahl anderer Werkstoffe, beispielsweise Aluminium oder auch Titan, zu einer Gewichtsreduzierung zu gelangen.

In Fig. 3 sind nun in einer schematisch-perspektivischen Wiedergabe des anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfor­ mungskörpers die verformungsfähigen Elemente durch Kreuze entsprechend kenntlich gemacht. Es sind hier jeweils die in Fig. 1 dargestellten Biegeelemente 5 zwischen den Armen 4 und den Querstücken 6 sowie die von den Querstücken 6 den Abstand zwischen den beiden Krafteinleitungsplatten 2, 3 überbrückenden freien Längen in dieser Weise kenntlich ge­ macht. Somit ergeben sich insgesamt zwanzig verformungsfähige Elemente. Da jedes der verformungsfähigen Elemente vier Flä­ chen aufweist, ergeben sich insgesamt achtzig aktive durch die "Kreuze" kenntlich gemachten Flächen, die bei einer Kraft- und/oder Momenteneinleitung einer Verformung unterworfen sind, die wiederum mit Dehnmeßstreifen auf jeder Fläche er­ faßt werden können.

Es müssen nun nicht alle aktiven Flächen mit Dehnmeßstreifen bestückt werden. Hier besteht vielmehr die Möglichkeit, die­ jenigen Flächen auszuwählen, die bei dem jeweils konkret zu messenden Belastungsfall zu erfassenden Kräfte und/oder Momente am ausgeprägtesten verformt werden, so daß hier jeweils das deutlichste Signal erfaßt werden kann. Die Viel­ zahl der Flächen in Verbindung mit der symmetrischen Ausbil­ dung der Gesamtanordnung erlaubt es, wie vorstehend bereits angegeben, durch die Zuordnung von Dehnmeßstreifen-Gruppen zueinander, unerwünschte Signale zu kompensieren oder er­ wünschte Signale zu verstärken.

Bezüglich der Bestückung mit Dehnmeßstreifen kann für die einzelnen Belastungsfälle in bezug auf das dargestellte Ko­ ordinatensystem wie folgt vorgegangen werden:

a) Signalgewinnung Fx und Fy

Werden in die Krafteinleitungsplatten 2 und 3 Horizontal­ kräfte eingeleitet, so erzeugen diese in den vier quader­ förmigen freien Längen der Querstücke 6 Biegespannungen. Um die zu erfassen, werden in zwei diagonal zueinander liegenden Querstücken auf den quer zur Kraftrichtung lie­ genden äußeren Flächen vier eingittrige Dehnmeßstreifen aufgebracht, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Für die Belastung in x-Richtung sind dies die Flächen 6a, von denen nur die vordere Fläche sichtbar ist und für die Belastung in y-Richtung die Flächen 6b, von denen auch jeweils nur die vordere Fläche sichtbar ist. Die anderen Dehnmeßstreifen sind jeweils auf dem hierzu diago­ nal an der hinteren Ecke liegenden Querstück entsprechend befestigt.

b) Signalgewinnung Fz

Alle senkrecht auf die Krafteinleitungsplatten 2, 3 einwirkenden Kräfte fließen über die sechzehn Biegeelemen­ te 5, so daß mit auf der Ober- bzw. Unterseite angeordne­ ten Dehnmeßstreifen ein aus den Einzelelementen zusammen­ gesetztes Nutzsignal erhalten wird.

c) Signalgewinnung Mx und My

Ein über die Krafteinleitungsplatten 2, 3 um die x-Achse bzw. um die y-Achse drehendes Moment, durch das die Kraft­ einleitungsplatten 2, 3 jeweils um die angegebene Achse gegeneinander "gekippt" werden, erzeugt in den Biegeele­ menten 5 Biegespannungen, die auf ihrer äußeren Oberfläche als Scherspannungen über je vier in 90° zueinander ver­ setzten Dehnmeßstreifenmeßgittern in elektrische Signale umgesetzt werden können. Durch die Signalnutzung aus den oberen und unteren Biegeelementen ist durch Addieren bzw. Subtrahieren der Einzelsignale eine Signaltrennung mög­ lich. Die mit Dehnmeßstreifen zu bestückenden aktiven Flächen sind entsprechend mit der zu erfassenden Momenten­ komponente gekennzeichnet.

d) Signalgewinnung Mz

Eine Momenteneinleitung um die z-Achse bewirkt in den vier Querstücken 6 zwischen der oberen Krafteinleitungs­ platte 2 und der unteren Krafteinleitungsplatte 3 eine Scherspannung. Hierzu werden wiederum auf den aktiven Außenflächen von zwei Querstücken, die diagonal zueinander liegen, die Scherspannung durch zwei getrennt voneinander und unter 90° versetzt angebrachten Dehnmeßstreifen Mz ermittelt. Aus der vorstehenden Darlegung ergibt sich, daß mit einem derartigen, entsprechend dem Dehnmeßstreifen versehenen Verformungskörper in drei Achsen auftretende Kräfte und Momente gleichzeitig erfaßt werden können. Hierzu werden die Leitungen für die einzelnen Komponenten- Dehnmeßstreifenanordnungen gesondert auf einer nicht näher dargestellten Lötstützpunkten zusammengeführt, so daß über ein Sammelkabel mit einem Stecker entsprechender Polzahl alle Meßwerte gleichzeitig erfaßt werden können. Bei Meßaufgaben, bei denen nicht in allen Koordinaten Kräfte oder Momente zu erfassen sind, werden entsprechend weniger Dehnmeßstreifen angebracht.

Fig. 4 zeigt in einem Kopf eines Kinderdummies die Anordnung eines 6-Kanal-Meßwertaufnehmers der erfindungsgemäßen Art. Die Darstellung läßt zugleich erkennen, daß trotz des beschränkten Raumes eines Kinderkopfes oberhalb des "Hals­ gelenkes" 7 zusätzlich noch ein dreiachsig wirkender Be­ schleunigungsaufnehmer 8 untergebracht werden kann.

Claims (7)

1. Meßaufnehmer zur Messung von Kräften und/oder Momenten in drei Koordinatenachsen, mit einem Verformungskörper, der mit Dehnmeßstreifen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit Abstand parallel zueinander ausgerichtete je­ weils vierarmig-sternförmige Krafteinleitungsplatten (2, 3) mit Befestigungsmitteln vorgesehen sind, die Arme (4) einer jeden Krafteinleitungsplatte (2, 3) mit quer zur Ausrichtung der Arme (4) und in der Ebene der Krafteinleitungsplatten (2, 3) ausgerichteten Biegeelementen (5) versehen sind, daß die Biegeelemente (5) der einen Krafteinleitungsplatte (2) mit den Biegeelementen (5) der anderen Krafteinleitungs­ platte (3) jeweils an ihren den Armen (4) abgekehrten Enden über Querstücke (6) fest miteinander verbunden sind und daß zumindest ein Teil der Biegeelemente (5) und/oder ein Teil der Querstücke (6) mit Dehnmeßstreifen versehen ist.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Biegeelemente (5) die gleiche Länge aufweisen, so daß in Verbindung mit den Querstücken (6) der Meßaufnehmer einen quadratischen Grundriß aufweist.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Biegeelemente (5) einen geringeren Verformungs­ querschnitt aufweisen als die Arme (4) der Krafteinleitungs­ platten (2, 3) und/oder der Querstücke (6).

4. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Länge der Biegeelemente (5) in etwa dem lichten Abstand der beiden Krafteinleitungs­ platten (2, 3) entspricht.

5. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einstückig aus Metall hergestellt ist.

6. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zumindest einem Teil der Querstücke (6) auf den in der Außenebene der Krafteinleitungsplatten (2, 3) liegenden Endflächen Lötpunkte für die Verbindung der Dehnmeßstreifen vorgesehen sind.

7. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen der Dehnmeß­ streifen auf einer Anschlußplatine zusammengeführt sind, die mit einer der Krafteinleitungsplatten (2, 3) verbunden ist und an die wenigstens ein Anschlußkabel mit Kupplungs­ stecker angeschlossen ist.