DE1573701C - Vorrichtung zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung an einem Körper mit einer schwingfähig gespannten, durch die Belastung des Körpers in ihrer Frequenz veränderten Meßsaite und einer entsprechenden Vergleichssaite. ,__..· ;-.

Zum Stand der Technik bezüglich der Messung von Kraft- oder Drehmomentübertragung aus der resultierenden Dehnung bzw. Torsion eines Körpers gehören Vorrichtungen, die die Frequenzänderung einer schwingfähig gespannten Saite auswerten. Diese Saite ist in geeigneter Weise mit dem Körper verbunden, um in Abhängigkeit von seiner geometrischen Formänderung eine möglichst große. Spannkraftänderung und daraus bedingte große Eigenfrequenzänderung zu erhalten. Da die Spannkraftänderung der Saite dem Quadrat der Eigenfrequenzänderung proportional ist, ist es sinnvoll, die Eigenfrequenz nicht direkt auszuwerten, sondern einen Frequenzvergleich mit. einer, zweiten Saite durchzuführen, deren physikalische Eigenschaften denjenigen der Meßsaite angepaßt sind. Bei den üblichen Vorrichtungen läßt sich die Dehnung der Vergleichssaite durch eine geeichte Spindel verstellen, und somit ist nach Frequenzabstimmung die Spannungsänderung der Meßsaite einer bestimmten Spindelverstellung der Vergleichsaite proportional.

Dies sei an Hand von Drehmomentmessungen an einer umlaufenden Welle ausführlicher erläutert. Auf die ungeteilte Welle sind in einem bestimmten Abstand voneinander zwei Klemmringe aufgespannt, zwischen denen senkrecht zur Wellenachse und tangential zum Wellenumfang die Meßsaite schwingfähig gespannt ist. Um ihren mittleren Teil ist eine enge Spirale als Anker gewickelt. Erschütterungen bewirken eine Elongation der Meßsaite, die dadurch über eine elektronische Rückkopplung mit Magnetkreisen in Dauerschwingungen in ihrer Eigenfrequenz versetzt wird. Die Schwingungsamplitude der Saite wird dabei so groß, daß ihre mechanischen Verluste gerade der elektrisch zugeführten Energie entsprechen. Die Saitenschwingungen induzieren in einer Spule eine Wechselspannung, die in geeigneter, geometrischer Addition mit der Wechselspannung der Vergleichssaite auf einem Oszillographen sichtbar gemacht wird. Man variiert die Frequenz der .Vergleichsaite so lange, bis beide Schwingungen eine bekannte Lissajous-Figur erzeugen und eine frequenzmäßige Übereinstimmung erkennen lassen.

Aus »VDI-Zeitschrift«, 1956, S. 1541 S. ist eine der eben gegebenen Darstellung im wesentlichen entsprechende Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur optischen Messung quasistatischer Saitendehnungen bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind eine Meßsaite und.eine Vergleichsaite schwingfähig gespannt und über elektronische Bauteile an eine Kathodenstrahlröhre zur Zuführung der durch Saitenschwingungen induzierten Ströme angeschlossen. Zur Anpassung des Schwingungszustands der Vergleichssaite an denjenigen der Meßsaite wird die mechanische Spannung der Vergleichssaite unter Beobachtung der Schwingungsbilder auf der Kathodenstrahlröhre manuell verstellt. An der manuellen Verstellvorrichtung ist über eine zugehörige Skala das Maß der Verstellung und damit die Größe der Dehnung bzw. der diese auslösenden Kraft ablesbar. Nachteilig ist hierbei die manuelle Abstimmung der Vergleichssaitenfrequenz auf die der Meßsaite nach der subjektiven Beurteilung eines Oszillographenbildes. Dieser Frequenzvergleich läßt sich nicht mit der erforderlichen Genauigkeit und nur nach einiger Übung realisieren;, dies gilt besonders, wenn das zu messende Wellendrehmoment und damit die Frequenz der Meßsaite nicht stationär ist und sich infolge von Drehschwingungen der Welle periodisch ändert. Eine Automatisierung einer solchen Messung ist nicht möglich. _

Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 729 894 eine Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit eines Wasser- oder Luftfahrzeugs über Grund bekannt, bei der in Hinblick auf die vorliegende Erfindung durch Beschleunigungen oder Verzögerungen Druck- oder Zugkräfte auf zwei einander entgegengesetzt arbeitende Saiten als schwingfähige Kupplungsglieder zwischen dem Fahrzeug und einem Körper relativ größer Masse ausgeübt" werden." Die Schwingungsfrequenzen .der beiden Saiten werden je einem Kegelrad eines Differentialgetriebes zugeführt, mit dessen Hauptrad eiii Zeiger verbunden ist, der bei Frequenzdifferenzen vom Haüptrad verstellt wird und die jeweilige Geschwindigkeit anzeigt. Es wird bei dieser Anordnung also ein von den Frequenzen zweier Schwingungen beaufschlagtes Differentialgetriebe als differenzauswertendes Stellaggregat für einen nachgeschalteten Zeiger verwendet. Im übrigen bestehen keine Gemeinsamkeiten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Des weiteren ist aus der deutschen Auslegeschrift 1202 025 eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Kräfte, insbesondere ein auf Trägheitskräfte

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ansprechender Beschleunigungsmesser, bekannt, bei· die vorgeschlagene · Vorrichtung unmaßgeblich: ist; dem Paare schwingfähiger Saiten zur Schwingung-an- wie groß die Differenz der .Frequenzen der.,beiden" geregt werden und ihre Schwingungen in Form indu- Saiten ist und in weichem .absoiuten Bereich .Hie. zierter Ströme in sehr 'aufwendigen ^elektronischen Frequenzen liegen;-für das Tätigwerden der Vomch-. Einrichtungen verarbeitet ündi ausgewertet werden 5 tung ist statt dessen lediglich die Tatsache.des,Vorzur Erzielung des angestrebten:Meßwertes. Über .die. liegens oder -Nichtvorliegens einer Frequenzdifferenz Verwendung von durch die.. Schwingungen-yerur-. maßgeblich: -.:,·. ;/·. .' \ ■-·-;<;-- -='·■-> ■■ ■-■'■ sachten induzierten.Strömen hinausgehend bestehen" ;..Die.erfmdungsgemäße Vorrichtung läßt sich noch auch hieir keine weiteren Gemeinsamkeiten mit der dadurch verbessern, daß ein zweites-Saitenpaar,mit erfindungsgemäßen Vorrichtung. I :;.-> -τ.¹::::::;.·.·.":.;,!» einer; gegenüber; der Meßsaite-des entgegengesetzt

Schließlich üst noch äiis der-USA.-Patentschrift- arbeitenden:-Meßsaite," ein Fre^enzvergleicher und 3 071974 eine Vorrichtung zum Messen von. Kräften_; ein Stellmotor und daß zur Bestimmung der Einstel-. bekannt,^:die-sich-schwmgender^Saiten und -einer hingen der'Vergleichssaiten beider Saitenpaäre/ein Kompensation :der zu messenden;. Kraft- am -Geber. Differenzglied; vorgesehen ist. Auch für den im Rahbedient. Da keine Nachbildung des. zu messenden 15 men. dieser; Weiterbildung vorgesehenen ,Frequeiiz-Zusfänds einer:Saite auf einer anderen-Säite,:sondern vergleicher und Stellmotor gilt das oben; Gesagte lediglich eine Kompensation stattfindet, sind mittels ohne Einschräntomg; .Zur.:Verringerung synstematidieser bekannten Vorrichtung zum-einen keine .be- scher Meßfehler, sollten die dem Meßwert Null zuge^ sonders genauen; Ergebnisse und .zum .anderen-,ledig- ·> ordneten Frequenzen der Meß- und Kompensationslich zeitlich stets nachhinkende Ergebnisse erzielbar. ao saite gleich groß gewählt werden. ■■ ,;■■; ■;:.;,; _;-Ganz besonders nachteilig ist.aber.das-Auftreten von-, Eine besondere Form der erfindungsgemäßen VOr--Resonanzschwingungen durch Selbsterregung infolge richtung kann dadurch gekennzeichnet sein, daß das von Störschwingungen hoher Frequenzen. Differenzglied ein Differentialgetriebe ist.

In Anbetracht des erörterten Standes der Technik 7. "Im übrigen ist ein Differentialgetriebe selbstverliegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vor-- 25 - ständlich auch als Frequenzvergleicher verwendbar, richtung zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung wie dies oben sinngemäß bereits zum Ausdruck geder eingangs genannten Gattung zu schaffen, die die bracht wurde; in diesem Fall wird das Differential-Nachteile einer subjektiven Beurteilung der Schwin- getriebe von den von den Frequenzen angetriebenen gungszustände der verwendeten Saiten vermeidet und Stellmotoren entsprechend synchron bewegt. Andeausschließlich korrekte Meßergebnisse, und zwar in 30 rerseits kann aber auch an Stelle dieser Nachschalmöglichst kurzer Zeit, liefert, so daß auch nicht- tung des als Frequenzvergleicher eingesetzten Diffestationäre Kräfte und/oder Drehmomente mit hoher rentialgetriebes hinter den Stellmotoren eine VorGenauigkeit meßbar sind. schaltung des Frequenzvergleichers, beispielsweise

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- bei Verwendung elektronischer Frequenzvergleicher, löst, daß ein den beiden schwingenden Saiten nach- 35 vorgesehen sein, um den Stellmotor hinsichtlich geschalteter, durch die von den Saiten erzeugten Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit zu steuern. Wechselstromsignale beaufschlagter Frequenzver- Schließlich ist die im Rahmen der erfindungsgleicher vorgesehen ist und daß diesem Frequenz- gemäßen Vorrichtung vorgesehene Anzeigevorrichvergleicher ein die Vergleichssaite in ihrer Spannung tung nicht etwa ausschließlich als Skala/Zeigereinbis zur Frequenzgleichheit beider Saiten beeinflussen- 40 richtung zu verstehen, sondern kann beispielsweise der Stellmotor und zur Erfassung der notwendigen durchaus auch in einem Meßpotentiometer oder Stellgröße dem Stellmotor eine Anzeigevorrichtung einer Registriereinrichtung bestehen, zugeordnet sind. Die erfindungsgemäß vorgesehene Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise

Verwendung eines Frequenzvergleichers als Ersatz an Hand eines Blockschaltbilds einer bevorzugten für eine Bedienungsperson gestattet die Erreichung 45 Ausführungsform noch weiter erläutert, von Meßergebnissen, deren Genauigkeit derjenigen, Die von einer Meßsaite 51 und einer Vergleichs-

die unter Mitwirkung auch einer sehr geübten und saite Sl induzierten Wechselspannungen werden in routinierten Bedienungsperson erreichbar sind, bei bekannter Weise, und daher in der Zeichnung nur weitem überlegen ist, da jede subjektive Wertung angedeutet, verstärkt, frequenzuntersetzt und in Imdurch die Bedienungsperson ausgeschlossen ist. Des 50 pulse umgeformt. Diese Impulse steuern über elekweiteren wird die Meßzeit ganz erheblich verkürzt, ironische Schalter Schrittmotoren Ml und MZ. da die bisher von der Bedienungsperson benötigte Von jedem Schrittmotor wird über eine elastische Zeit für eine Entscheidung in Fortfall kommt. Die Kupplung Wl bzw. W 2 ein Differentialgetriebe D1 von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bean- angetrieben, dessen Ausgangsdrehzahl der Differenz spruchte.Meßzeit ist ausschließlich eine Funktion der 55 der Motorendrehzahlen entspricht. Der Ausgang des Reaktion des im Einzelfall verwendeten Stellmotors. Differentialgetriebes verstellt eine geeichte Spindel Dabei kommen für die Verwendung im Rahmen der und damit die Spannkraft der Vergleichssaite, deren erfindungsgemäßen Vorrichtung als Stellmotoren aus- Frequenz dabei automatisch so lange verändert wird, nahmslos alle zum Stand der Technik gehörigen bis sie mit der der Meßsaite übereinstimmt. Stellmotoren in Betracht; insbesondere können im 60 Dann nämlich haben beide Schrittmotoren gleiche Takt der Frequenzen angetriebene Schritt- oder Syn- Drehgeschwindigkeiten, und die resultierende Drehung chronmotoren verwendet werden. Auch für den vor- des Differentialgetriebes ist gleich Null. Bei periodisch gesehenen Frequenzvergleicher kommen alle zum schwankenden Drehmomenten der Welle (Torsions-Stand der Technik gehörigen Frequenzvergleicher in schwingungen) mittelt dieses Abgleichverfahren zeit-Betracht, die den Frequenzvergleich selbst und ohne 65 lieh die zugeordneten Frequenzwerte der Meßsaiten, subjektives Mitwirken einer Bedienungsperson aus- Für das Drehmomentprinzip werden zwei Deh-

zuführen in der Lage sind. Bemerkenswert ist bei der nungsmeßsaiten verwendet, deren physikalische Beurteilung der Erfindung insbesondere, daß es für Eigenschaften (Temperaturausdehnungskoeffizient,

Eichkonstante) gleich groß sind. Da diese beiden Saiten in bezug auf die Dehnung entgegengesetzt arbeiten, lassen sich mit der Differenz ihrer Meßwerte alle gleichsinnig laufenden Fehler, z.B. Temperatur- und Fliehkraftfehler, kompensieren.

Mit einem automatischen Frequenzabstimmsystem der geschilderten Ausführung wird eine Kompensationsmeßsaite 53 auf Frequenzgleichheit mit einer ihr zugeordneten, zweiten Vergleichssaite 5 4 über Schrittmotoren M 3 bzw. M 4 und ein Differentialgetriebe D 2 in der eben angegebenen Weise eingestellt. Die resultierenden Drehungen der beiden Differentialgetriebe Dl und Dl wirken auf ein drittes Differentialgetriebe D 3, dessen Ausgangsstellung einem Mittelwert der jeweiligen Meßsaitenfrequenzen proportional ist. .

Es ist zweckmäßig, die Frequenzuntersetzung und somit die Absolutfrequenz der Meß- und Kompensationssaite beim Nullabgleich gleich groß zu wählen, da in diesem Fall der Meßwertfehler verschwindet, der durch den Unterschied einer zeitlichen Frequenzmitteilung zur Mitteilung der Frequenzquadrate entstehen kann. - · .. .. ...

Das Differentialgetriebe D 3 treibt einen Meßwertzeiger A, der die Torsion der.Welle bei bekanntem Gleitmodul des Wellenwerkstoffes und bekannten Wellendimensionen direkt in Drehmomenteinheiten geeicht angibt. Es entfällt somit bei diesem Verfahren eine nachträgliche rechnerische Auswertung der Meßwerte. Außerdem kann analog zum Meßwertzeiger ein Potentiometer P verstellt werden, das für eine automatische Registrier- oder Rechenanlage eine drehmomentproportionale elektrische Spannung liefert. Das Drehmomentvorzeichen läßt sich durch eine konstante Vorspannung des Nullpunktes realisieren. ...:;.--.'-. ■'-..;:-..:.. .. ... C ..:::;..:

Natürlich kann die beschriebene mechanische Frequenzabstimmung der Saiten auch elektronisch vorgenommen werden, wenn an Stelle der Differential-, getriebe je eine elektronische Frequenzvergleichsschaltung angewendet wird, die direkt die Einstellung der Spindel für die Vergleichssaitenspannkraft steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kraft- und/oder Drehmomentmessung an einem Körper mit eiiier schwingfähig gespannten, durch die Belastung des Körpers in ihrer Frequenz veränderten Meßsaite und einer entsprechenden Vergleichssaite, dadurch gekennzeichnet, daß ein den beiden schwingenden Saiten nachgeschalteter, durch die von den Saiten erzeugten Wechselstromsignale beaufschlagter Frequenzvergleicher vorgesehen ist und daß diesem' Frequenzvergleicher ein die Vergleichssaite_; in ihrer. Spannung bis zur Frequenzgleichheit beider Saiten beeinflussender Stellmotor und zur Erfassung der not- , wendigen Stellgröße dem Stellmotor eine Anzeigevorrichtung zugeordnet sind. -

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ige-, kennzeichnet, daß ein zweites Saitenpaar (S3, 54) mit einer gegenüber der Meßsaite (51) des ersten Saitenpaares (51, 52) entgegengesetzt arbeitenden Meßsaite (53), ein Frequenzvergleicher und ein Stellmotor und daß zur Bestimmung der Einstellungen der Vergleichssaiten (52, 54) beider Saitenpaare ein Differenzglied (D 3) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzglied (D 3) ein Differentialgetriebe ist.