DE957980C

DE957980C - Vorrichtung zui Messung orthogonaler Kraft und Drehmomentkomponenten

Info

Publication number: DE957980C
Application number: DENDAT957980D
Authority: DE
Inventors: Berlm-Zehlendorf Dr-Ing Peter Konrad Hermann
Original assignee: LICENTIA Patent - Verwaltungs-GmbH, Hamburg
Publication date: 1957-01-24

Description

AUSGEGEBEN AM 14. FEBRUAR 1957

L 21608IX j42 k

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der nach orthogonalen Komponenten zerlegten Kräfte und Drehmomente, die zwischen zwei in sich starren Systemen- übertragen werden. Während es verhältnismäßig einfach ist, Drehmomente bzw. ihre Komponenten zu messen, wenn diese zu Drehbewegungen führen, bereitet es Schwierigkeiten, Drehmomente zu erfassen, die zwischen zwei starren Systemen, die keine Drehbewegung gegeneinander ausführen, auftreten, zu erfassen. In diesem Fall treten außerdem auch hoch Kräfte auf, deren Kenntnis zur Ermittlung der Wechselwirkung zwischen beiden Systemen erforderlich ist. Der vektorielle Charakter der Kräfte und Drehmomente macht es dabei erforderlieh, diese nach orthogonalen Komponenten zu messen.

Die bisher verwendeten Anordnungen zur Messung der Kräfte zwischen zwei Systemen vermögen nicht, diese Aufgabe befriedigend zu lösen. Bei einem bekannten Verfahren müssen die Verschiebungen von ausgezeichneten Punkten der Systeme gemessen werden; dies können Punkte sein, die bei Einwirkung von reinen Drehmomenten ihre Lage nicht ändern. Bei einer anderen bekannten Anordnung ist es notwendig, daß die Wirkungslinien der von den einzelnen Kraftmeßfühlern aufgenommenen Kräfte sich in einem

Punkt schneiden, durch den aber nicht die Wirkungslinie der Momentenmeßftihler gehen dürfen. Allen diesen bekannten Maßnahmen gemeinsam ist ihre Abhängigkeit von speziellen Punkten, um genaue Ergebnisse liefern zu können, die vor der Messung ermittelt werden müssen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung ist der, daß aus den Ergebnissen der einzelnen Meßfühler die gesuchten Kraft- und Momentkomponenten umständlich berechnet werden müssen. Als Kraft- und Momentenmeßfühler sind dafür Meßdosen und Meßstreifen bekannt.

Die dargelegten Nachteile lassen sich mit einer Vorrichtung zur Messung der nach orthogonalen Komponenten zerlegten Kräfte und Drehmomente, die zwischen zwei in sich starren Systemen übertragen werden, mittels elektrischer Kraftmeßelemente, die die in ihrer Längsrichtung auftretenden Kraftkomponenten messen und auf Brücken- oder Kompensatorschaltungen geben, in denen durch additive bzw. subtraktive Kombination die orthogonalen Kraft- und Drehmomentkomponenten zur Anzeige kommen, vermeiden, deren erfinderische Merkmale darin bestehen, daß zwischen beiden Systemen in drei aufeinander orthogonalen Richtungen wenigstens je zwei parallele Kraftmeßelemente angeordnet sind, die auf unter konstanter Zugvorspannung stehenden Metallbändern aufgebracht sind, welche zur Aufnahme der Kräfte zwischen beiden Systemen an ihren Enden mit dem einen System und ihren Mitten mit dem anderen System verbunden werden und nur Kräfte in Längsrichtung von den äußeren Einspannstellen des einen Systems auf das in ihrer Mitte eingespannte andere System übertragen. Die Richtungen der Metallfbänder entsprechen dabei den Richtungen der zu bestimmenden Kraftkomponenten. Zwischen jeder Einspannstelle des Bandes werden dann auf jeder Seite Kraftmeßglieder angebracht.

Als Kraftmeßglieder lassen sich beispielsweise Dehnungsmeßstreifen verwenden. Zur Messung der Kraftkomponenten kann man die Dehnungsmeßstreifen gleicher räumlicher Lage auf parallel liegenden Metallbändern in gegenüberliegende Zweige einer Brückenschaltung und die Dehnungsmeßstreifen in Längsrichtung auf einem Metallband in benachbarte Zweige der Brückenschaltung legen. Bei entsprechender A'bgleichung der Brücke ist der Strom in der Brückendiagonale ein Maß für die gesuchte Kraftkomponehte in Richtung des jeweiligen Metallbandes. Zur Messung der Drehmomentkomponenten legt man die Dehnungsmeßstreifen gleicher räumlicher Lage auf parallel liegenden Metallbändern und in Längsrichtung auf einem Metallband in benachbarte Brückenzweige. In diesem Fall zeigt das Anzeigeinstrutnent in der Brückendiagonale einen der entsprechenden Drehmomentkomponente proportionalen Wert an. Wenn keine zeitlich periodisch veränderliche Beanspruchung der beiden Systeme auftritt, kann man die Brücke an eine Gleichspannungsquelle legen. Treten jedoch zeitlich periodisch veränderliche Kraft- und Drehmomentkomponenten zwischen beiden Systemen auf, so ist es vorteilhaft, die Brücken mit Wechselstrom der Frequenz, mit der sich die Kräfte und Drehmomente ändern, zu speisen. In diesem Fall kann die Anzeige an den Brückendiagonalen mit Drehspulinstrumenten erfolgen, denen fremdgesteuerte Meßgleichrichter vorgeschaltet sind, die mit zwei um 90⁰ phasenverschobenen Strömen wahlweise erregt werden können.

Zur vollständigen Bestimmung der Wechselwirkung zwischen beiden Systemen ist die Kenntnis von drei orthogonalen Kraftkomponenten und drei orthogonalen Drehmomentkomponenten erforderlich. Um diese sechs Größen einzeln gleichzeitig ablesen zu können, werden zwei Brückenschaltungen mit sechs Anzeigeinstrumenten benötigt.

In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert. Der Fig 1 ist ein rechtwinkliges Koordinatensystem x, y, ζ zugrunde gelegt. Es sei angenommen, daß die Komponenten der Kräfte und Drehmomente in diesen drei Riehtungen zu bestimmen sind, die von einem starren System auf ein anderes übertragen werden. Das eine System ist dabei nur durch seine parallel zu den Koordinatenachsen liegenden Teile 1 bis 6 angedeutet, während das zweite System in der Kugel 7 vereinigt gedacht wird. Die achsenparallelen Teile des ersten Systems sind dabei durch Metallbänder 8 bis 13 verbunden. An den Mitten dieser Metallbänder greifen die Verbindungsstücke 14 bis 17 an, die zu der das zweite System darstellenden Kugel 7 führen. Die Metallbänder 8 bis 13 übertragen dabei die in ihrer Längsrichtung wirkenden Kräfte von dem einen System auf das andere. Zur Messung dieser Kräfte werden auf den Metallbändern Dehnungsmeßstreifen angebracht, und zwar befinden sich auf jedem Metallband vier Dehnungsmeßstreifen, so daß zwischen zwei Einspannstellen auf beiden Seiten des Metallbandes je ein Dehnungsmeßstreifen liegt. Die Dehnungsmeßstreifen sind mit 18 bis 41 bezeichnet. Ihre Zusammenschaltung zu Brücken zeigt die Fig. 2. Die Schaltungen sind dabei im einzelnen so getroffen, daß die Anzahl der Instrumente 51 bis 53 die Kraftkomponenten P_x, P_y und P₂ anzeigen und die Anzeigeinstrumente 54 bis 56 die Drehmomentkomponenten M_x, M_y und M₂ messen. Die Schaltungen für die Kraftkomponenten und die Drehmomentkomponenten unterscheiden sich darin, daß in den Brücken zur Messung der Kraftkomponenten die Dehnungsmeßstreifen, die auf parallelen Metallbändern in räumlich sonst gleicher Lage liegen, sich in gegenüberliegenden Brückenzweigen befinden, während sie in den Schaltungen zur Messung der Drehmomentkomponenten in parallelen Brückenzweigen liegen. Die Speisung der iao Brückenschaltungen gemäß Fig. 2 erfolgt dabei durch eine Gleichspannungsquelle 44. Der für jede Brücke im einzelnen erforderliche Abgleich kann über die Potentiometer 45 bis 50 erfolgen.

Fig. 3 zeigt die Speisung einer der. Fig. 2 ent- i»5 sprechenden Schaltung, wenn die zwischen beiden

Systemen wirkenden Kräfte und Drehmomente sich periodisch ändern. In diesem Fall treibt ein Motor 57 einen Generator 58 an, der eine Spannung mit einer Frequenz liefert, die der Frequenz, mit der sich die Kräfte bzw. Drehmomente ändern, entspricht. Von den zur vollständigen Bestimmung der Kraft- und Drehmomentkomponenten erforderlichen sechs Brückenschaltungen ist nur eine Brückenschaltung, die mit 59 bezeichnet- ist, in Fig. 3 dargestellt. Die übrigen fünf Brücken werden in entsprechender Weise gespeist. In der Brückendiagonalen liegt ein Drehspulinstrument 60, dem ein fremdgesteuerter Meßgleichrichter 61 vorgeschaltet ist. Die Steuerung des Meßgleichrichters erfolgt über ein als Steuerspule dargestelltes Steuerorgan 62, das über einen Umschalter 64 mit einer Phasendrehschaltung 63 verbunden ist. Die Phasendrehschaltung 63 wird ebenfalls von dem Generator 58 gespeist. Sie ist so ausgelegt, daß sie zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ströme liefert, mit denen wahlweise die Steuerwicklung erregt werden kann. Durch Änderung der Phasenlage des Erregerstromes wird es möglich, die auftretenden Kraft- und Drehmomentkomponenten zu verschiedenen Zeitpunkten zu untersuchen. Selbstverständlich kann die Untersuchung, des zeitabhängigen Verhältnisses dieser Komponenten auch mit Hilfe anderer bekannter phasenabhängiger Meßeinrichtungen in der Brückendiagonalen erfolgen.

Fig. 4 endlich zeigt als Ausführungsbeispiel zwei vollständig dargestellte starre Systeme 65 und 66, die über Metallbänder 67 miteinander verbunden sind. Die Metallbänder 67 tragen dabei in der oben beschriebenen Weise Dehnungsmeßstreifen, die, wie angegeben, zu Meßbrücken zusammengeschaltet werden. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die von dem System 65 auf das System 66 übertragenen Kraft- und Drehmomentkomponenten zu messen und die verschiedenartigsten statischen und dynamischen Untersuchungen durchzuführen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Vorrichtung zur Messung der nach orthogonalen Komponenten zerlegten Kräfte und Drehmomente, die zwischen zwei in sich starren Systemen übertragen werden, mittels elektrischer Kraftmeßelemente, die die in ihrer . Längsrichtung auftretenden Kraftkomponenten messen und auf Brücken- oder Kompensatorschaltungen geben, in denen durch additive bzw. subtraktive Kombination die orthogonalen Kraft- und Drehmomentkomponenten zur Anzeige kommen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Systemen in drei aufeinander orthogonalen Richtungen wenigstens je zwei parallele Kraftmeßelemente angeordnet sind, die auf unter konstanter Zugvorspannung stehenden Metallbändern aufgebracht sind, welche zur Aufnahme der Kräfte zwischen beiden Systemen an ihren Enden mit dem einen System und ihren Mitten mit dem anderen System verbunden werden und· nur Kräfte in Längsrichtung von den äußeren Einsparinstellen des einen Systems auf das in ihrer Mitte eingespannte andere System übertragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Einspannstelle des Metallbandes auf jeder Seite als Kraftmeßglied ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und. 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brücken zur Messung der Kraftkomponenten die Dehnungsmeßstreifen gleicher räumlicher Lage auf parallel liegenden Metallbändern in gegenüberliegenden Zweigen und die Dehnungsmeßstreifen in Längsrichtung auf einem Metallband in benachbarten Zweigen der Brücke liegen.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brücken zur Messung der Drehmomentkomponenten die Dehnungsmeßstreifen gleicher räumlicher Lage auf parallel liegenden Metallbändern und in Längsrichtung auf einem Metallband in benachbarten Zweigen der Brücke liegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch go gekennzeichnet, daß zur Messung zeitlich periodisch veränderlicher Kraft- und Drehmomentkomponenten die Brücken mit Wechselstrom der gleichen Frequenz gespeist werden und die Anzeige mittels Drehspulinstrumenten erfolgt, denen fremdgesteuerte Meßgleichrichter vorgeschaltet sind, die mit zwei um 90⁰ phasenverschobenen Strömen wahlweise erregt werden können.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 890727, 722579; Zeitschrift: »Werkstattstechnik und Maschinenbau«, 43. Jahrgang, Heft 12, S. 553 bis 560.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

θ «09 979/245 8.56 (609 797 2. 57)