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Drehkomponmennten-Kraftmeßdose Die Erfindung betrifft eine Dreikomponenten-Kraftmeßdose
mit einem im wesentlichen eckigen- bzw. kreisförmigen, mit Dehnmeßstreifen oder
ähnlichen Wandlerelementen versehenen Meßelement zum gleichzeitigen Messen der drei
senkrecht aufeinanderstehenden Komponenten einer beliebig gerichteten Kraft.
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Es sind zahlreiche Formen von Kraftmeßgliedern vor allem zur Messung
von Kräften mit genau definierter Richtung (Einkomponentenmessung) bekannt geworden,
die eine durch Kräfte hervorgerufene Verformung mit Dehnmeßstreifen in proportionale
elektrische Meßsignale umwandeln. Solche Einkomponenten-Kraftmeßglieder, deren Meßelemente
z, B. aus einem Ring, ringähnlichem Körper, Zylinder, einseitig oder beidseitig
eingespannten Biegebalken oder anderen Federkorpern bestehen, erfordern besondere,
aufwendige Krafteinleitungskonstruktionen, wenn nicht sichergestellt; werden kann,
daß die Richtung der zu messenden Kraft der Meßrichtung entspricht. Es entstehen
sonst durch die Komponenten der Neßkraft oder andere Querkräfte unkontrollierbare
Verfälchungen des Meßergebnisses. Bei bekannten Ausführungsformen werden die unerwünschten
Querkräfte
z. B. durch Membranen auf das massive Kraftmeßdosengehäuse abgestützt Eine Vorrichtung
zum Messen von in derselben Ebene liegen den Kräften (Zweikomponentenmessung) besteht
aus einem Halter, der so mit Schlitzen versehen ist, daß federnde Zungen entstehen.
Die Kräfte werden mit druckempfindlichen Organen, die in die Schlitze eingebaut
sind, gemessen.
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Bei einer anderen Meßvorrichtung zum Messen der orthogonalen Kraft-und
Drehmomentkomponenten sind in den drei orthogonalen Meßrichtungen zwei parallele
mit je vier Dehnmeßstreifen versehene Metallbänder angebracht, welche an ihren Enden
und ihren Mitten beansprucht werden Diese Vorrichtungen erfordern einen großen Bauaufwand,
sind teuer und ihre Abmessungen sind nicht unter eine bestimmte Baugröße zu verkleinern.
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Eine Vorrichtung für Dreikomponenten-Kraftmessungen verwen det drei
Quarzkristallaufnehmer, die in einem Gehause so angebracht sind, daß ein Aufnehmer
auf Druck, die beiden anderen auf Schub empfindlich sind. Die Verwendung von drei
teuren Qaurzaufnehmern anstelle von wesentlich biliiegeren Dehnmeßstreifen ein Nachteil
dieser Vorrichtung. Außerdem müssen für die Messung Langsverstärker verwendet werden,
während für Messungen mit Dehnmeßstreifen die auch für andere Meßaufgaben verwendbaren
Trägerfrequenz- oder Gleichspannungsverstärker benutzt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dreikomponenten-Kraftmeßdose
mit einem Meßelemnt zu schaffen, mit der beliebig gerichtete Kräfte gemessen werden
können. Das Meßelement nach der Erfindung soll leicht herzustellen und billig sein
und vor allem den bau sehr flacher und im Durchmesser sehr kleiner Meßdosen ermöglichen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch errreicht, daß es für jede Kraftkomponente
auf
mindestens einem der verschiedenenßstarr zusammenhängenden Abschnitte des einseitig
eingespannten Meßelements Linien gibt, derart, daß die Anderung der Deformation
längs dieser Linien nur von der zu messenden Kraftkomponente abhängt und die Deformation
längs dieser Linien nicht konstant ist bzw. daß es Punkte gibt, derart, daß die
Biegedeformation durch die zu messende Kraftkomponente in diesen Punkten dem Betrag
nach gleich, dem Vorzeichen nach aber ungleich ist, durch die beiden anderen Komponenten
betrags-und vorzeichengleich oder Null ist und daß die Dehnmeßstreifen mit ihrer
Sruuuetrieachse auf diesen Linien bzw. in diesen Punkten angebracht sind. Gemäß
der Erfindung ist es zweckmäßig, die einzelne Abschnitte des Meßelements rechtwinklig
zueinander anzuordnen und die Kraft über eine biegesteife Druckplatte im Schnittpunkt
der Halbierungslinien der MeB-abschnitte einzuleiten, so daß die in die Ebene des
Meßelements verschobenen Wirkungslinien zweier Komponenten mit diesen Halbierungslinien
zusammenfallen. Beim kreisförmigen Meßelement werden die Kräfte im Mittelpunkt des
kreisförmigen Teils eingeleitet. Auf diese Weise wird erreicht, daß für jede zu
messende Kraftkomponente auf den für die Messung vorgesehenen Linien bzw. Punkten
zwei, nach Vorzeichen verschiedene, gleich große Biegemomentenmaxima entstehen,
nahe denen die Dehnmeßstreifen angebracht sind.
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Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Steigerung der Meßeffektleistung
bei vorgegebener Baugröße, weil wegen der Vorzeichenumkehr des Biegemoments die
gedehnten und die gestauchten Dehnmeßstreifen in benachbarten Zweigen einer Wheatstone'
schen Halb- oder Volibrücke liegen, sich ihre Widerstandsänderungen addieren, und
deshalb alle Dehnmeßstrei-' fen als aktive Streifen wirken. Zugleich kompensieren
sie konstante gleichsinnige Biege- und Torsionsmomente, und diese haben deshalb
keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Temperaturkompensationsdehnmeßstreifen können
entfallen.
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Das Meßelement nach der Erfindung ermöglicht den Bau sehr flacher
und kleiner Kraftmeßdosen. Besondere Krafteinleitungskonstruktionen sind nicht notwendig,
da aus den gemessenen Kraftkomponenten die Größe und Richtung der angreifenden Kraft
bestimmt werden kann. Die Dreikomponenten-Kraftmeßdose nach der Erfindung ist wegen
ihrer geringen Baugröße besonders geeignet zum Einbau in die Oberfläche eines pneumatischen
Reifens zur Bestimmung der Druck- Tangentialschub- und Querschubverteilung in der
Berührungsfläche zwischen Reifen und Fahrbahn eines gezogenen oder angetriebenen
schräglaufenden Reifens und kann mit Vorteil überall da eingesetz.t werden, wo Kräfte
gemessen werden sollen, deren Größe und Richtung nicht bekannt ist.
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Die Erfindung wird an Hand von fünf Figuren, drei Schemazeichnungen
und zwei Zeichnungen von ausgeführten Dreikomponenten-Kraftmeßdosen näher erläutert.
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Fig. 1,2 und 3 zeigen in sEhematischer Weise drei mögliche prinzipielle
Ausführungen des Meßelements.
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Fig. 4,5 und 6,7 zeigen zwei ausgeführte Dreikomponenten-Kraftmeßdosen
mit verschieden geformten Meßelementen.
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Fig.l zeigt in schematischer Weise die Anordnung der £ünf sich aneinander
anschließenden, gegeneinander abgewinkelten Abschnitte (7,8,9,10,11) des einseitig
eingespannten Meßelements.
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Die drei Komponenten P,T und Q einer angreifenden Kraft werden mit
den Dehnmeßstreifen (1,2;3,4 und 5,6) auf zwei Abschnitten (7,8) gemessen. Die weiteren,
sich anschließenden Abschnitte (9,10,11), sind notwendig, um die Komponenten im-Schnittpunkt
der Halbierungslinien der Meß2bscEnitte (7,8) und damit in der Mitte des zu einem
Vier»y geschlossen gedachtenMeßelements einzuleiten. Die Meßabshnitte haben gleichbleibenden
Querschnitt. Damit sind längs jedes Abschnitts die Widerstandsmomente für Biegung
und Torsion konstant. Es genügt daher für eine Beschreibung des Meßprinzips eine
Betrachtung des Momentenverlaufs. Durch die am Abschnitt (11) angreifenden
Komponenten
(P,T,Q) einer beliebig gerichteten Kraft entstehen im Abschnitt (7) folgende Biegemömente:
In der xy-Ebene des Abschnitts (7) verursacht die Komponente Q das längs des Abschnitts
mit dem Hebelarm y sich ändernde Biegemoment Mb = Q#y mit den beiden nach Vorzeichen
verschiedenen Biegemomentenmaxima Mbmax =#Q#e, die Komponenete T eien konstantes
Biegemoment Mb = Te. In der yz-Ebene des Abschnitts (7) ergeben sich ähnliche Verhältnisse
mit dem sich ändernden Biegemoment Mb = P#y, den maxima Mbmax = P#e und dem konstanten
Biegemoment Mb = T-h. Außerdem überlagern sich im Abschnitt (7) noch konstante Torsionsmomente
Mt = P"e und Mt = Q#h, die in der xz-Ebene wirken. Diese Torsionsmomente entstehen
durch den oberhalb der Ebene des Meßelements liegenden Kraftangriffspunkt, der durch
die konstruktive Ausbildung der Dreikomponenten-Kraftmeßdose bedingt ist. Diese
Biege- und Torsionsmomente bewirken eine Deformation der zur xy- und'yz-Ebene parallelen
Seitenflächen des Abschnitts (7), die gleichzeitig Meßflächen sind. Auf diesen Seitenflächen
sind Linien vorhanden, bei der die Änderung der Deformation längs dieser Linien
nur von dem sich ändernden Biegemoment der zu messenden Kraftkomponente abhängt,
während die Momente der anderen Komponentennureine konstante Deformation längs dieser
Linien hervorrufen. Solche Linien, bei der die Biegedeformation nur von der Komponente
P geändert wird,sind die Mittellinien der zur xy-Ebene parallelen unteren und-oberen
Seitenfläche des Abschnitts (7), während es für die Komponente Q die Mittellinien
der zur yz-Ebene parallelen vorderen und hinteren Seitenfläche sind, Diese Linien-für
die Komponente P sind gleichzeitig biegeneutrale Fasern für Q, die Linien für die
Komponente Q biegeneutrale Fasern für P. Die Dehnmeßstreifen (DMS) (l,2 und 3,4)
für die Messung der Komponenten P und Q sind mit ihrer Syonmetrieach5e auf diesen
Linien angebracht und zwar so) daß die DMS (1,2) für die Komponente P auf der oberen,die
DMS
(3,4) für die Komponente Q auf der vorderen Seitenfläche nahe den jeweiligen Biegemomentenmaxima
aufgeklebt sind. Durch die Wirkung der Komponente P wird DMS (l) gedehnt, DMS (2)
gestaucht, während das konstante Biegemoment der Komponente T eine gleichsinnige
und betragsgleiche Dehnung der beiden DMS (1,2) bewirkt. Dadurch, daß die DMS (1,2)
mit ihrer Symmetrieachse auf die zur Komponente Q gehörenden neutralen Faser geklebt
sind, gleicht sich die aus dem Biegemoment von Q entstehende Widerstandsänderung
innerhalb der Dehnmeßstreifen aus. Die Torsionsmomente bewirken in den DMS (1,2)
keine Widerstandsänderungen. Die DMS (1,2) sind in die benachbarten Zweige einer
Halbbrücke, und wenn auch die untere Seitenfläche des Abschnitts (7) mit Dehnmeßstreifen
beklebt ist, in die benachbarten Zweige einer Vollbrücke geschaltet. Dadurch werden
die Widerstandsänderungen durch das Biegemoment der Komponenten P addiert, die gleich
großen Widerstandsänderungen, die sich aus dem konstanten Biegemoment von Komponente
T ergeben, werden subtrahiert. Der Brückenstrom in der Meßbrücke, hervorgerufen
durch die Widerstandsänderungen der DMS (1,2), ist demnach allein proportional der
Komponenten P.
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Die Anordnung der Dehnmeßstreifen in benachbarten Zweigen einer Meßbrücke,
die durch die Messung der zwei nach Vorzeichen verschiedenen Biegemomentenmaxima
möglich ist, bringt einen weiteren wesentlichen Vorteil für die Messung mit sich.
Ein exzentrischer Rraftangriff bewirkt eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes
der Komponenten P, T und Q. Diese Exzentrizität der Komponente P verschiebt die
Biegemomentenlinie; die beiden Biegemomentenmaxima sind nicht mehr betragsmäßig
glei&n groß ihre Gesamtsumme und damit die Widerstandsänderung bleibt jedoch
gleich. Die Verschiebung der Rvomponenten T und Q verändert nur den Betrag der konstanten
Biege- und Torsionsmomente, Der exsentrische Kraftangriff hat deshalb keinen Einfluß
auf das Meßergbnis der Kraftkomponte P, Die vorhergehenden Überlegungen
gelten
auch für die DMS (3,4) zur Messung der Komponente Q und in Erweiterung für die DMS
(5,6) auf dem Abschnitt (8) für die Messung der Komponenten T. Die Dreikomponenten-Kraftmeßdose
nach der Erfindung mit einem Meßelement nach Fig. 1 erlaubt die Messung der Kraftkomponenten
einer beliebig gerichteten Kraft unabhängig von ihrem Angriffspunkt.
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Die gegenseitige Beeinflussung der Kräfte durch die Uberlagerung der
verschiedenen Spannungszustände ist klein. Eine gegebenenfalls notwendige Korrektur
kann über das Eichdiagramm oder-direkt über einen nachgeschalteten Kompensator auf
elektrischem Wege erfolgen. Diese Korrektur ist sehr einfach, weil wegen der statisch
bestimmten Auflagerung nicht nur das MeBsignal, sondern auch das Fehlersignal in
linearem Zusammenhang zur entsprechenden Kraftkomponente steht.
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Fig.2 zeigt bei gleichem Meßprinzip eine andere Ausführung des Meßelements.
Bei diesem Meflelement sind zwei der Abschnitte zu einem kreisförmigen Teil (l3)
für die Messung der Komponenten T und Q zusammengefaßlt. Die Komponene P wird auf
dem rechtwinklig an Teil (13) anschließenden Abschnitt (12) mit den DMS (15,16)
nach dem in Fig. 1 beschriebenen Prinzip gemessen. Entlang dem kreisförmigen Abschnitt
(13) des Meßelements ändern sich die Biegehebelanne mit dem umlaufenden Winkel y.
Dadurch ändert sich entlang des Abschnitts (13) sowohl das Biegemoment,hervorgerufen
durch die Komponente T, als auch das von der Komponente Q. Die DMS (17,18 und 19,20)
sind in diagonal gegenüberliegenden Punkten angebracht, in denen däs Biegemoment
der zu messenden Komponente gleichen Betrag, aber verschiedenes Vorzeichen, das
Biegemöment der anderen Komponente gleichen Betrag und gleiches Vorzeichen hat Die
Dehnmeßstreifen werden nahe der Biegemomentenmaxima der Komponenten T und Q, die
um 900 gegeneinander versetzt sind, angebracht. Die Dehnmeßstreifen werden, wie
unter Fig. 1 beschrieben1 in der Meßbrücke so angeordnet, daß Beträge mit verschiedenen
Vorzeichen
addiert, mit gleichen subtrahiert werden. Die konstante
Biegedeformation durch die Komponente P entlang des kreisförmigen Abschnitts (13)
hat auf die DMS (17,18 und 19,20) keinen Einfluß, da diese in der neutralen Faser
für P angebracht sind.
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Eine Verschiebung des Angriffspunktes der Kraftkomponenten hat ebenso
wie die Torsionsmomente aus dem erhöhten Angriffspunkt keinen Einfluß auf die Messung.
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Fig. 3 zeigt eine weitere prinzipielle Ausbildung des Meßelements.
Die Komponenten P, T und Q werden bei gleichem Meßprinzip wie in Fig. 1 auf je einem
der drei Meßabschnitte des Meßelements gemessen. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß die Empfindlichkeit für jede Komponente individuell gesteigert und die gegenseitige
Beeinflussung verkleinert werden kann, weil der Querschnitt der einzelnen Abschnitte
in Richtung der Meßkraft biegeweich in Richtung der unerwünschten Kräfte biegesteif
ausgebildet werden kann.
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In Fig. 4 und 5 ist eine ausgeführte Dreikomponenten-Kraftmeßdose
dargestellt, in der ein Meßelement nach Fig. 1 verwendet wurde. Das Meßelement (27)
ist mit drei Schrauben(32) auf dem Boden des Dosengehäuses (28) starr befestigt.
Eine biegesteife Druckplatte (29) leitet die Kräfte am freien Ende des Meßelements
ein. Die Druckplatte (29) greift mit einer Nut über das freie Ende des Meßelements
und ist mit der Schraube (31) befestigt. Die Druckplatte (29) nach Fig. 4 entspricht
dem Abschnitt (11) in Fig. 1. Die Dose ist mit einem ringförmigen Deckel (30) verschlossen.
Die Dehnmeßstreifen sind nach dem in Fig. 1 beschriebenen Prinzip aufgeklebt.
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Fig. 6 und 7 zeigt eine Dreikomponenten-Kraftmeßdose, bei der ein
Meßelement nach Fig.2, des einen kleineren Durchmesser der Meßdose enmöglichtX verwendet
wurde. Das Meßelement (21) ist mit den Schrauben (26) im Dosengehäuse befestigt.
Die Druckplatte (23) ist pilzförmig ausgeführt und mit der Schraube (25) am freien
Ende des Meßelements befestigt. Durch die pilzförmige
Ausführung
der Druckplatte wird der Spalt zwischen ringförmigen Deckel (24) und Druckplatte
(23) verdeckt. Die Dehnmeßstreifen sind,wie in Fig. 2 gezeigt wurde, auf das Meßelement
(21) aufgeklebt.
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Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind
nicht die einzig denkbaren. So können die verschiedenen Abschnitte des Meßelements
so aneinandergereiht werden, daß die Wirkungslinien der Kräfte die Meßabschnitte
nicht schneiden. Dadurch nimmt die Meßeffektleistung ab und die Baugröße zu, das
Meßprinzip bleibt aber unverändert.