DE4318298C2

DE4318298C2 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE4318298C2
Application number: DE4318298A
Authority: DE
Inventors: Sigfried Brandl; Rudolf Rinser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1993-06-02
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2013-06-03
Also published as: DE4318298A1

Abstract

Bei einer Meßvorrichtung für zwei senkrecht zueinander und in einer horizontalen Ebene verlaufende Kräfte, mit einem Träger und mit einer dem gegenüber unter dem Einfluß der Kräfte relativ beweglichen Meßplatte, die über symmetrisch zueinander verlaufende Verbindungselemente mit dem Träger verbunden ist, verlaufen die Verbindungselemente bezüglich der jeweiligen Kraftkomponente seitlich von der Meßplatte und sind als kugelgelagerte Stäbe ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Messvorrichtung ist aus der DE 32 13 319 A1 bekannt. Die Verbindungselemente sind speichenartig ausgebildet und verlaufen zwischen der Messplatte und dem torusförmigen Träger etwa mittig bezüglich der jeweiligen Kraftkomponente. Zum Vermeiden des Übersprechens einer Kraftkomponente auf die Geber für die andere Kraftkomponente sind die Sehnen im Bereich des Trägers verjüngt. Damit aber ergibt sich ein erheblicher konstruktiver Aufwand verbunden mit einem Stabilitätsproblem, das aus der Verjüngung der Speichen resultiert.

Es ist ferner eine weiter derartige Messvorrichtung aus der DE 41 01 732 A1 bekannt. Dabei ist die Messplatte durch seitlich verlaufende stabförmige Verbindungselemente gelagert. Die Verbindungselemente verlaufen windschief zur Mittelachse der Messvorrichtung abwechselnd ansteigend und abfallend. Sie sollen so gelagert sein, dass sie nur Kräfte in Richtung der jeweiligen Stabachse auf die zugehörigen Lager übertragen. Dadurch aber ergibt sich ein hoher konstruktiver Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem konstruktiven Aufwand herstellbar ist und eine Bestimmung der jeweiligen Kraftkomponente ohne Einfluss durch die andere Kraftkomponente ermöglicht.

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

Bedingt durch die Kugellagerung der Stäbe werden die den verschiedenen Kraftkomponenten zugeordneten Geber völlig voneinander entkoppelt. Über die Kugellager können nur Druckkräfte in Richtung der jeweiligen Kraftkomponente übertragen werden. Die Empfindlichkeit lässt sich durch Auswahl der Stabquerschnitte einstellen. Probleme hinsichtlich der Stabilität lassen sich gleichzeitig problemlos durch entsprechende Wahl dieser Querschnitte vermeiden.

Die weiteren Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. So ist im Patentanspruch 2 eine konstruktive Alternative zu der Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Messplatte für jede der Kraftkomponenten beidseitig an jeweils einen Stab gekoppelt ist und sich eine besonders symmetrische Aufteilung der auf die Messplatte wirkenden Kräfte ergibt.

Der Patentanspruch 3 beschreibt die signaltechnische Auswertung der durch die Kraftkomponente auf die Stäbe bewirkten Längenänderung.

Die Patentansprüche 4 bis 6 beschäftigen sich damit, zusätzlich die Vertikalkraft (in z-Richtung) zu bestimmen. Das Konstruktionsprinzip, das in den Patentansprüchen 5 und insbesondere 6 beschrieben ist, entspricht dem für die Bestimmung der Kräfte in x- und y-Richtung. Damit ergibt sich insgesamt eine Messvorrichtung, die mit gleichartigen Messprinzipien und ohne jedes Übersprechverhalten ein eindeutiges Bestimmen dreier zueinander senkrechter Kraftkomponenten ermöglicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung

Fig. 2 eine Draufsicht,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung von Fig. 1 und

Fig. 4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der elektri schen Verschaltung der Meßvorrichtung.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Meßvorrichtung erhält als zentrales Element eine Meßplatte 1, die schwimmend auf einem Träger 2 gelagert ist. Der Träger 2 besteht im wesentlichen aus einer Grundplatte 2 ₁ sowie vier vertikal verlaufenden Ansätzen 2 ₂ bis 2 ₅, die mit der Grundplatte 2 ₁ starr verbunden sind. Vier vertikal verlaufende Stäbe 3 ₁ bis 3 ₄ dienen als Lager für die Meß platte 1 gegenüber der Grundplatte 2 ₁. Zwischen den ver tikalen Ansätzen 2 ₂ bis 2 ₅ sowie nach unten reichenden Fortsätzen 4 ₁ bis 4 ₈ der Meßplatte 1, die wie insbeson dere in Fig. 1 dargestellt angeordnet sind, befinden sich im wesentlichen horizontal verlaufende Stäbe 5 ₁ bis 5 ₈, von denen die Stäbe 5 ₁, 5 ₂, 5 ₅ und 5 ₆ einerseits und 5₃, 5₄, 5₇ und andererseits jeweils parallel zueinan der verlaufen. Diese Quadrupel von Stäben verlaufen im wesentlichen senkrecht zueinander.

Jeder der Stäbe 3 ₁ bis 3 ₄ und 5 ₁ bis 5 ₈ besitzt beidsei tig an seinen Enden ein Kugellager, das in Fig. 2 und 3 als Kugel angedeutet ist.

Mit der Meßvorrichtung ist es möglich, Kräfte in den Ko ordinatenrichtungen, die auf der Meßplatte 1 wirken, zu detektieren. Hierzu sind die Stäbe 3 ₁ bis 3 ₄ und 5 ₁ bis 5 ₈ etwa mittig mit auf ihrem Umfang verteilten Weggebern, wie Dehnungsmeßstreifen oder dgl., versehen. Jede Kraft komponente, die in einer der Koordinatenrichtungen wirkt, wird durch die Weggeber der in den zugehörigen Kraftrich tung verlaufenden Stäbe als Längenänderung dieser Stäbe erkannt. Die von den auf den Weggebern der Quadrupel von Stäben gelieferten Meßsignale werden addiert und ergeben insgesamt ein Meßsignal, das der jeweiligen Kraftkompo nente proportional ist.

Zur Erläuterung sind die Kräfte wie in Fig. 1 gezeigt ge richtet und mit F_S, F_Br und F_A (svw. Seiten-, Brems- und Aufstandskraft) bezeichnet. Ferner sind die auf den ein zelnen Stäben angeordneten, nicht im einzelnen darge stellten, als Dehnungsmeßstreifen (DMS) ausgeführten Weg geber als Zahlen symbolisiert. Es handelt sich dabei für die Stäbe 3 ₁ bis 3 ₄ (F_A) um die Weggeber, die mit den Zahlen 01-04, 05-08, 09-12 und 13-16 versehen sind. Kräfte F_S in einer horizontalen Richtung werden mit Hilfe der Weggeber auf den Stäben 5 ₁, 5 ₂, 5 ₅ und 5 ₆ nach gewiesen. Die Weggeber sind mit den Zahlen 17-20, 29- 32, 25-28 und 21-24 symbolisiert. In der dazu senk rechten horizontalen Richtung (F_Br) sprechen die Weggeber auf den Stäben 5 ₃, 5 ₄, 5 ₇ und 5 ₈ an. Sie sind mit den Zahlen 33-36, 45-48, 37-40 und 41-44 bezeichnet.

Die Verschaltung der Weggeber für die einzelnen Kraftkom ponenten erfolgt wie in Fig. 4 dargestellt. Für die Kraft F_A werden die vier Meßstäbe 3 ₁-3 ₄ mit ihren vier Dehnungsmeßstreifen (01-16) als eine Vollbrücke betrach tet. Die Brückenzweige I-IV bestehen aus je vier Meß streifen. Die vier DMS, welche sich an den Meßstäben ört lich entsprechen, werden jeweils in einem Zweig der Vollbrückenschaltung in Reihe geschaltet. Durch diese. Reihenschaltung ergibt sich eine Integration des Meßsig nales und die Belastung der Meßplatte ist auf der vollen Fläche ohne Kalibrierwertveränderung möglich.

Für die Kraft F_S wird eine analoge Reihenschaltung der Dehnungsmeßstreifen 17-32 vorgenommen. Dabei wird für wechselnde Kraftrichtungen ein Vorzeichenwechsel schal tungstechnisch vorgesehen. Hierfür werden die auf Längs dehnung empfindlichen DMS 17 und 21 (Stab 5.₁ und 5.₆) mit den auf Querdehnung empfindlichen DMS 26 und 30 im positiven Brückenzweig I in Reihe verschaltet. Die den vorgenannten Meßstreifen an den jeweiligen Meßstäben ge genüberliegenden Meßstreifen 19 und 23 bzw. 28 und 32 werden in o. g. Art und Weise im zweiten positiven Brückenzweig III verschaltet. Für einen Vorzeichenwechsel bei wechselnder Kraftrichtung werden die längsempfindli chen DMS 25 und 29 bzw. 27 und 31 der Meßstäbe 5.₂ und 5.₅ mit den querempfindlichen DMS 18 und 22 bzw. 20 und 24 der Meßstäbe 5.₁ und 5.₆ in den negativen Brückenzwei gen II und IV jeweils, wie vorher genannt, in Reihe ge schaltet. Durch die Reihenschaltung der DMS der jeweils gegenüberliegenden Meßstäbe wird eine gleichmäßige Em pfindlichkeit der Meßstelle auch bei außermittiger Kraft einleitung erreicht.

Für die Bestimmung der Kraft F_Br (Meßstäbe 5.₃, 5.₄, 5.₇ und 5.₈ mit den Meßstreifen 33-48) gilt sinngemäß das für die Kraft F_S aufgeführte Verschaltungsprinzip.

Zur weiteren Erläuterung der schaltungstechnischen Reali sierung ist in Fig. 5 die Anordnung der Dehnungsmeßstrei fen auf jedem der Stäben 3 ₁-3 ₄ bzw. 5 ₁-5 ₈ exempla risch an einem Stab gezeigt. Dabei bezeichnen a) und c) die beiden Seitenansichten und b) einen Schnitt durch den Stab. Die Zuordnung der mit Zahlen 01-48 bezeichnet DMS zu den Kräften F_A, F_S und F_Br erfolgt wie angegeben ent sprechend der Variablen n. Z. B. ergibt sich für n = 21: Die vier DMS 21-24 sind wie in Fig. 5 dargestellt auf dem Stab 5 ₆ (Fig. 1) angeordnet und wie in Fig. 4 gezeigt verschaltet.

Die Verwendung kugelgelagerter Stäbe bietet gegenüber herkömmlichen Meßvorrichtungen den Vorteil, nur Kräfte zu detektieren, die in Richtung der Stäbe ausgerichtet sind. Durch die Kugellagerung wird jedes Übersprechen einer dazu senkrecht verlaufenden Kraftkomponente vermieden. Die Stäbe ihrerseits sind einfach und genau zu fertigen. Ihr Querschnitt ist ohneweiteres auf die Größe der zu er fassenen Kräfte abzustimmen. Damit wär das möglich, die Empfindlichkeit in der jeweiligen Kraftrichtung einzu stellen und frei von der Empfindlichkeit in den anderen beiden Kraftrichtungen zu wählen. Die additive Berück sichtigung der für jede Kraftrichtung vorgesehenen 4 . 4 = 16 Einzelmeßgebern führt dazu, auch bei einer außermittigen Krafteinleitung die jeweilige Kraftkomponente einwandfrei zu detektieren ist. Da nur Druckkräfte übertragen werden können, lassen sich die Kräfte mit einfachen Gebern bei leichter Nachjustierbarkeit detektieren.

Claims

1. Messvorrichtung für zwei senkrecht zueinander und in einer horizontalen Ebene verlaufende Kräfte, mit einem Träger und mit einer demgegenüber unter dem Einfluss der Kräfte relativ beweglichen Messplatte, die über symmetrisch zueinander verlaufende Verbindungselemente mit dem Träger verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente bezüglich der jeweiligen Kraftkomponente seitlich von der Messplatte (1) verlaufen und als zwei hintereinanderliegende, jeweils beidseitig kugelgelagerte Stäbe (51-58) ausgebildet sind, wobei die Stäbe mit Gebern (17-48) für ihre axiale Länge versehen sind.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stäbe jeweils an einem mit der Messplatte (1) verbundenen Fortsatz (41-48) abstützen.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der korrespondierenden Geber addiert sind.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte (1) auf einer Grundplatte (21) als Träger gelagert ist und dass Mittel zur Bestimmung der in vertikaler Richtung wirksamen Kräfte vorgesehen sind.

5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte (1) durch vier symmetrisch angeordnete, vertikale Stäbe (31-34) gegenüber der Grundplatte (21) abgestützt ist.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Stäbe (31-34) gegenüber der Grundplatte (21) und der Messplatte kugelgelagert sind.