DE8210190U1

DE8210190U1 - Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentkomponenten in mehreren Richtungen

Info

Publication number: DE8210190U1
Application number: DE8210190U
Authority: DE
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1981-04-13
Publication date: 1984-01-05

Description

11228 MvB/Ri

YAMATO SCALE COMPANY, LIMITED 8-18, Sawano 2-chome, Akashi-shi, Hyogo-ken, Japan

Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentkomponenten in mehreren Richtungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Einrichtungen dieser Art eignen sich z.B. für Reifenprüfgeräte, Windkanalwaagen und dergleichen.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen und Geräte zum Messen einer einwirkenden Kraft in Form ihrer Komponenten in mehreren vorgegebenen Richtungen bekannt. Typische Beispiele solcher Einrichtungen sind in der JA-PS 775,978 und der JA-OS 52-133270 beschrieben, auf die hiermit verwiesen wird. Wie aus diesen Veröffentlichungen hervorgeht, bestehen solche Einrichtungen im allgemeinen aus einem mittleren Nabenteil, einem kreisförmigen Rand- oder Felgenteil und vier radialen Speichenteilen, die den Nabenteil und den Speichenteil verbinden und an denen geeignete Dehnungsfühler, wie Dehnungsmeßstreifen angebracht sind. Wenn entweder das Nabenteil oder das Felgenteil festgehalten wird und auf das andere Teil eine Kraft ausgeübt wird, treten in den Speichenteilen verschiedene Formänderungen (Dehnungen) auf, die den Widerstand der entsprechenden Dehnungsfühler ändern. Wenn die Dehnungsfühler in eine geeignete Schaltung geschaltet sind, können dadurch

die Beanspruchungen und entsprechenden Kraftkomponenten in Richtung der Speichen erfaßt werden.

Die bekannten Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß es sehr schwierig ist, ein Torsionsmoment zu erfassen, das durch eine Wechselwirkung von Biegungen der anderen Teile auf einen speziellen Speichenteil einwirkt, und daß die Einrichtung, wenn man versucht, dieses Problem zu überwinden, sehr viel komplizierter und kostspieliger wird,-wie es später noch genauer beschrieben wird.

Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der vorliegenden Art mit verbesserter Konstruktion vorzusehen, die einfach und leicht herstellbar ist und die die Messung der Komponenten einer Kraft und eines Moments in den jeweiligen Richtungen einzeln ohne Störung der anderen Teile ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Erfindung geht also aus von einer Einrichtung zum Messen der Komponenten von Kräften und Momenten in verschiedenen Richtungen, mit einem mittleren Nabenteil und einem starren, ringförmigen Rand- oder Felgenteil. Bei einer Messung wird eines dieser Teile fixiert und auf das andere eine Kraft ausgeübt. Vom Nabenteil erstrecken sich vier Speichenteile in in Bezug aufeinander senkrechten radialen Richtungen nach außen und jedes Speichenteil hat einen rechteckigen Querschnitt, dessen Breite parallel zur Radialebene und dessen Höhe senkrecht zur Radialebene verläuft. Ein Sehnenteil ist in der Mitte einer Seite mit dem äußeren Ende eines zugehörigen Speichenteiles und mit beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden. Das Sehnenteil ist so konstruiert, daß es gegenüber einer Biegekraft, die in der Ausdehnungsrichtung des entsprechenden Speichenteils verläuft, eine

genügende Biegsamkeit aufweist. Um mechanische Beanspruchungen oder Formänderungen in den verschiedenen Speichenteilen zu erfassen, haften auf den Oberflächen der Speichenteile eine Mehrzahl von mechano-elektrischen Wandlerelementen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht jedes Speichenteil aus einem Schaftabschnitt, der dem Nabenteil benachbart ist, und einem Endabschnitt, der dem Sehnenteil benachbart ist, und die Breite des Querschnitts des Endab-

des Schnittes ist wesentlich kleiner als die/Schaftabschnittes,

so daß der Endabschnitt eine erhebliche Biegsamkeit bezüglich einer Torsionskraft um die Erstreckungsrichtung des Speichenteils aufweist. Die Wandlerelemente sind an den vier Flächen des Schaftabschnittes befestigt.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Einrichtung zur Sprache kommen.

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Es zeigen:

Figur 1 eine Stirnansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

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j Figur 2 eine teilweise Stirnansicht der Einrichtung ge-

! maß Figur 1, die zur Erläuterung der Wirkungs-

weise dieser Einrichtung dient;

Figur 3 und 4 Teilansichten der Vorder- und Rückseite

der Einrichtung gemäß Figur 1, die die Lage der mechano-elektrischen Wandlerelemente, die an den Speichenteilen der Einrichtung befestigt sind, darstellen;

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Figur 5 eine perspektivische Ansicht der Einrichtung gemäß Figur 1;

Figur 6 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird nun eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 beschrieben. Wie Figur 1 zeigt, enthält die Einrichtung gemäß der Erfindung einen mittleren Nabenteil 23, einen starren, ringförmigen Felgenteil 24, vier radiale Speichenteile 25, 26, 27 und 28 sowie vier Sehnenglieder oder Sehnenteile 19, 20, 21 und 22, die, ebenso wie bei einer aus der JA-PS 775 978 bekannten Einrichtung jeweils in ihrer Mitte mit den entsprechenden Speichenteilen und an beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden sind. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Speichenteile 25, 26, und 28 jedoch jeweils aus einem Schaftabschnitt 11, 12, 13 und 14 sowie einem Endabschnitt 15, 16, 17 bzw. 18 zusammengesetzt, wobei jeder Endabschnitt eine geringere Breitenabmessung als der entsprechende Schaftabschnitt hat, während hingegen beide Abschnitte ungefähr gleiche Höhenabmessungen aufweisen. Die "Breite" des Endabschnittes jedes Speichenteils ist klein genug, um ihn hinsichtlich einer Torsionskraft um die Erstreckungsrichtung des Speichenteils biegsam zu machen.

Wie aus Figur 5 deutlich hervorgeht, enthält das Felgen- : teil 24 vier relativ dünne Basisteile 24a und vier relativ } dicke Vorsprungteile 24b, die sich längs der Z-Richtung i nach vorne erstrecken. Die Sehnenteile 19, 20, 21 und 22 bilden Brücken zwischen den zugehörigen Vorsprungteilen > 24b mit etwas Abstand zu den Basisteilen 24a. Wie aus Figur 6 hervorgeht, kann der Felgenteil 24 der erfindungsgemäßen Einrichtung selbstverständlich auch ähnlich geformt sein, wie der Felgenteil der bekannten Einrichtung. Die Struktur der Einrichtung gemäß Figur 1 und 5 hat jedoch gegenüber der gemäß Figur f den Vorteil eines kleineren Gesaratdurchmessers.

Aufgrund seiner im Vergleich zur Höhenabmessung verringerten Breitenabmessung unterliegt der Sehnenteil 19, wie es in Figur 2 als Beispiel dargestellt ist, dann, wenn der Felgenteil 24 festgehalten wird und auf den Nabenteil 23 eine Kraft einwirkt, durch die X-Komponente der Kraft Fx einer Auslenkung in α-Richtung und durch die Z-Komponente der Kraft Fz einer Torsion in ß-Richtung, während der Endabschnitt 15 des Speichenteils 25 unter der Einwirkung der X-Komponente des Moments Mx infolge der in Bezug auf die Höhenabmessung verringerten Breitenabmessung in γ-Richtung sich verdrehen kann. Demzufolge werden Messungen von Fx und Mx fast keinem Einfluß der starren Schaftabschnitte 11 und 12 der Spaltenteile 25 und 26 ausgesetzt. Da dies in jedem Quadranten der Einrichtung der Fall ist, ergibt sich, daß die X-Komponenten der Kraft und des Moments Fx bzw. Mx als Biegebeanspruchungen in den Speichenteilen 27 und 28 erscheinen, die Y-Komponenten Fy und My als Biegebeanspruchungen in den Speichenteilen 25 und 26 und die Z-Komponenten Fz und Mz als Biegebeanspruchungen in allen Speichenteilen 25 bis 28. Um diese Biegebeanspruchungen zu erfassen und die Komponenten der Kraft und des Moments zu messen, sind Dehnungsfühler, z.B. Dehnungsmeßstreifen, 51 bis 82 an den jeweiligen Schaftabschnitten 25, 26, 27

und 28 befestigt, z.B. angeklebt, wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Obwohl bei dieser Ausführungsform Dehnungsfühler des erwähnten Typs, wie Draht- oder Halbleiterdehnungsmeßstreifen verwendet werden, die eine Verformung der Oberfläche in eine elektrische Widerstandsänderung umsetzen, können auch andere Arten von mechano-elektrischen Wandlerelementen, z.B. piezoelektrische Elemente, verwendet werden.

Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, trägt jeder der vier Flächen des Schaftabschnittes eines Speichenteils zwei Dehnungsfühler, die in Längsrichtung auf der betreffenden Fläche angeordnet sind; jedes Speichenteil ist also mit insgesamt acht Dehnungsfühlern versehen.

Diese Dehnungsfühler sind, wie in der DE-OS 32 13 319 beschrieben ist, in sechs verschiedene Brückenschaltungen geschaltet. Die Dehnungsfühler 51 bis 66 in drei ersten Brücken gehören einer ersten Gruppe an, die dem Nabenteil 23 benachbart ist, während die anderen Fühler 67 bis 82 in drei zweiten Brücken einer zweiten, vom Nabenteil weiter entfernten Gruppe angehören. Die erste und die zweite Gruppe dienen z.B. dazu, die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz bzw. die Momentkomponenten Mx, My und Mz zu messen.

Wie bereits erwähnt, tritt die Kraftkomponente Fx als Dehnungen in den Speichenteilen 28 und 27 in Erscheinung, die durch gleichsinnige, in X-Richtung verlaufende Biegungen dieser Speichenteile verursacht und mit den auf den beiden Seitenflächen der Speichenteile angeordneten Dehnungsfühlern 51, 52. 53 und 54 gemessen werden. In diesem Falle zeigen die Dehnungsfühler 51 und 53 Widerstandsänderungen, die die entgegengesetzte Polarität haben wie die der Dehnungsfühler 52 bzw. 54.

In entsprechender Weise wird die Kraftkomponente Fy durch

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die Dehnungsfühler 55, 56, 57 und 58 auf den beiden Seitenflächen der Speichenteile 26 und 25 gemessen. Die Kraftkomponente Fz tritt als Beanspruchungen in allen vier Speichenteilen in Erscheinung, welche durch eine gleichsinnige, in Z-Richtung verlaufende Biegung dieser Speichenteile verursacht und daher durch die Dehnungsfühler 59 bis 66 auf den Vorder- bzw. Rückseiten der Speichenteile gemessen werden.

Die Momentkomponente Mx erscheint andererseits in Form von Beanspruchungen oder Dehnungen in den Speichenteilen 27 und 28, die durch gegensinnige, in Z-Richtung verlaufende Biegungen dieser Speichenteile hervorgerufen und durch die Dehnungsfühler 67, 68, 69 und 70 auf den Vorder- und Rückseiten dieser Dehnungsfühler 67 und 70 Widerstandsänderungen, die in ihrer Polarität denen der Dehnungsfühler 68 bzw. 69 entgegengesetzt sind. In entsprechender Weise wird die Momentkomponente My mit Hilfe der Dehnungsfühler 71, 72, 73 und 74, die auf den vorderen und rückwärtigen Oberflächen der Speichenteile 25 und 26 angeordnet sind, gemessen. Die Momentkomponente Mz äußerst sich in Formänderungen aller Speichenteile, welche durch gegensinniges, in Y-Richtung verlaufendes Biegen der Speichenteile 25 und 26 und gegensinniges, in X-Richtung verlaufendes Biegen der Speichenteile 27 und 28 verursacht und mit Hilfe der Dehnungsfühler 75 bis 82 auf den beiden Seitenflächen aller Speichenteile gemessen werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird jeder Dehnungsfühler ausschließlich für die Messung einer der sechs Komponenten Fx, Fy, Fz, Mx, My bzw. Mz verwendet, nicht jedoch für zwei oder mehr Komponenten zugleich. Demzufolge ist es möglich, beliebige zwei oder mehr Komponenten gleichzeitig und ohne Beeinträchtigung der anderen Komponenten zu messen.

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Selbstverständlich kann der Fachmann verschiedene Modifikationen und Änderungen vornehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann der ringförmige Felgenteil z.B. eine quadratische Form haben, obwohl er als im wesentlichen kreisförmig beschrieben worden ist.

Claims

PATENTEN ννίλίτΕ; . ·. . * DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. "WOLFGANG HEUSLER MARIA-THERESIA-STRASSE S2 POSTFACH 86 02 60 D-eOOO MUENCHEN 86 ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROP£ENS TELEFON Ο89/4 7Ο6ΟΟ6 TELEX 525 638 TELEGRAMM SOMBEZ 11228 MvB/Ri YAMATO SCALE COMPANY, LIMITED 8-18, Sawano 2-chome, Akashi-shi, Hyogo-ken, Japan Einrichtung zum Messen von Kraft- und Momentkomponenten in mehreren Richtungen Schutzansprüche

1. Einrichtung zum Messen von Komponenten einer Kraft und eines Moments in mehreren Richtungen, mit
einem zentralen Nabenteil (23) ,
einem starren, ringförmigen Felgenteil (24) ,

vier Speichenteilen (25 bis 28), die sich vom Nabenteil in im rechten Winkel zueinander verlaufenden radialen Richtungen nach außen erstrecken und jeweils einen rechtwinkligen Querschnitt haben, dessen Breite parallel zu einer Radialebene verläuft und dessen Höhe senkrecht auf der Radialebene steht,

vier Sehnenteilen (19 bis 22), die seitlich mit ihrer Mitte

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mit den äußeren Enden entsprechender Speichenteile und mit ihren beiden Enden mit dem Felgenteil verbunden sind, so daß sie eine erhebliche Biegsamkeit für eine Biegekraft, die auf sie in der Längsrichtung des Speichenteils ausgeübt wird, aufweisen, und

einer Vielzahl von Dehnung anzeigenden mechano-elektrischen Wandlerelementen, die an den Speichenteilen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Speichenteil (25 bis 28) aus einem Schaftabschnitt (11 bis 14), der dem Nabenteil (23) benachbart ist, und einem Endabschnitt (15 bis 18) besteht, welcher dem Sehnenteil (19 bis 22) benachbart ist und eine Breitenabmessuncj hat, die wesentlich kleiner ist als die des Schaftabschnittes, so daß der Endabschnitt bezüglich einer Torsionskraft, die auf ihm in Speichenteilrichtung ausgeübt wird, eine erhebliche Flexibilität aufweist, und daß die Wandlerelemente (51 bis 82) auf den vier Flächen der Schaftabschnitte befestigt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Speichenteil mit acht mechano-elektrischen Wandlerelementen versehen ist, die auf seinem Schaftteil haften, wobei vier der Wandlerelemente zur Messung der Kraftkomponenten und die anderen vier zur Messung von Momentkomponenten dienen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenteil (23), der Felgenteil (24), die Speichenteile (25 bis 28) und die Sehnenteile (19 bis 22) aus einem einzigen integralen Material gebildet sind.