DE1929479B2 - Kraftmessanordnung zur bestimmung einer oder mehrerer kraftkomponenten - Google Patents

Description

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Meßelement gewählten Kristallmaterial, so daß es dünnen Metallfolie bestehend. Diese ist über den hinsichtlich der Festigkeit und Kraftübertragung Leiter 8 mit dem Anschlußstecker 9 in Verbindung, genau die gleichen Eigenschaften hat wie das Meß- Der Leiter 8 ist in einer hochisolierenden Masse 10 element. Wie bereits erwähnt, sind für die Erfir- eingebettet. Das Piezoelement 5 mißt in der vorgedung sowohl piezoelektrische als auch piezoresistive 5 sehenen Anordnung Va der Summe der Einzel-Kristalle vei-.vendbar. Von piezoelektrischen Kristal- kräfteP. Vorteilhafterweise werden die beiden Kraftlen werden insbesondere Quarz oder Turmalin be- Übertragungslager 1 und 2 mittels Dehnschraubsn unter vorzugt, weil diese Kristalle eine sehr hohe mechani- elastische mechanische Vorspannung gesetzt. Der sehe Festigkeit aufweisen. Es ist aber auch möglich, Zwischenraum zwischen Blind- und Piezomeßpiezokeramische Materialien für dynamische Kraft- io element wird üblicherweise mit einer hochisolierenmessungen zu verwenden. den Ausgußmasse vollständig dichtend gegen außen

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in ausgegossen.

der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele In Fig. 2 ist eine ähnliche Kraftmeßanordnung

näher erläutert. Es zeigt dargestellt mit dem Unterschied allerdings, daß die

Fig. ] einen Querschnitt durch eine Kraftmeß- 15 KräfteP verschieden groß und in verschiedenen anordnung, bei dem der Kraftfluß in drei Teile auf- Richtungen angreifen. Die Kraftmeßanordnung begeteilt ist, steht wiederum aus dem oberen Kraftübertragungs-

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Kraftmeß- laser 18 und dem unteren Kraftübertragungslager 12.

anordnung, bei welcher die Kräfte in Komponenten Ihre gegenüberliegenden Flächen 13 und 14 sind

verschiedener Kraftrichtung aufgeteilt werden, 20 wiederum optisch plan bearbeitet. An Stelle der

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Kraftmeß- Blindelemente von Fig. 1 sind nun Piezoelemente

anordnung, bei der der Kraftfluß auf eine Mehrzahl eingebaut, deren Empfindlichkeitsrichtungen ver-

von Piezoelementen oder Blindelementen geleitet schiedene Achsen aufweisen. Das Element 15 ist

wird, und wo die Signale der einzelnen Elemente kraftempfindlich in der Z-Achse, das Element 16 ist

gruppenweise durch Metallschichtbeläge, die auf 25 ein Schubelement und lediglich in der Y-Achse

einer Isolatorplatte aufgebracht sind, abgeleitet wer- empfindlich, das Element 17 ist ebenfalls ein Schub-

den, element und in der A'-Achse empfindlich. Beide

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine in Fig. 3 gezeigte Elemente 16 und 17 können auch nach beliebigen

Isolatorplatte mit aufgebrachten Metalleitschichten, anderen Achsen orientiert eingebaut sein. Von Be-

Fig. 5 eine Variante zu Fig. 4, 30 deutung ist, daß sie in der Z-Achse wohl genau

F i g. 6 eine Kraftmeßanordnung im Querschnitt, gleiche Elastizität und Ausdehnungskoeffizienten

bei der das Blindelement aus einer gelochten Me- aufweisen, aber in Z-Richtung kein Meßsignal er-

(allplatte besteht, geben, d. h. in der Z-Richtung als Blindelemente

F i g. 7 das Blindelement nach F i g. 6 mit den wirken. Zweckmäßig sind die verschiedenen EIe-

cingesetzten Piezomeßelementen, 35 mente 15, 16 und 17 miteinander optisch plan be-

F i g. 8 den oberen Teil einer Kraftmeßanordnung arbeitet und weisen somit genau die gleichen Ein-

im Querschnitt kurz vor Montage auf den Unterteil bauhöhen auf. Die Signale der Einzelelemente wer-

dcr Fig. 9, den nach bekannten Methoden zu den SteckernX, Y

Fig. 9 den Unterteil einer Kraftmeßanordnung und Z geleitet. Auch bei dieser Kraftmeßanordnung

mit parallelgeschalteten Piezoelementen im Schnitt. 4° können die Piezoelemente aus zwei Einzelkristall-

Nach Fig. 1 besteht die Kraftmeßanordnung aus platten oder aus einer Kristallplatte und einer gleich dem oberen Kraftübertragungslager 1 und dem großen Isolatorplatte, z.B. aus Aluminiumoxyd, beunteren Kraftübertragungslager 2, welche an den stehen. Wiederum ist es vorteilhaft, die beiden Flächen 3 und 4 optisch plan bearbeitet sind. Zwi- Kraftübertragungslager 11 und 12 durch Dehnschen diesen Flächen ist als Meßelement das Piezo- 45 schrauben oder andere Mittel gegeneinander unter element 5 sowie die beiden Blindelemente 6 und 7 mechanische Vorspannung zu setzen,
kraftschlüssig eingespannt. Diese parallelgeschalte- Es ist nun aber auch im Rahmen der Erfindung ten Blindelemente 6 und 7 sind gleichzeitig mit dem möglich, parallelgeschaltete Piezo- und Blind-Piezoelement5 optisch plan bearbeitet worden, da- elemente so anzuordnen, daß Piezoelemente mit mit sie genau gleiche Höhe aufweisen. Zusätzlich 5° verschieden gerichteten Empfindlichkeitsachsen örtbesitzen diese Blindelemente ähnliche Eigenschaften lieh ganz verschieden im Aufnehmer verteilt sind in bezug auf Elastizität und Ausdehnungskoeffizient; und gruppenweise oder einzeln Signalausführung beauf diese Weise erhält man eine definierbare Kraft- sitzen, so daß eine örtliche Feststellung von Kraftteilung, wodurch die Anwendung des Kraftaufneh- einwirkungen im Aufnehmer meßbar ist, wobei unter niers verschiedenen Anforderungen leicht angepaßt 55 dem Einfluß von Blindelementen nur Teile dieser werden kann. So kann mit dem gleichen Piezo- Komponenten gemessen werden. Die Gestaltung der element ein sehr großer Bereich von Kräften ge- Kraftaufnehmer ist dem Erfindungsgedanken gemäß messen werden, je nach dem Ausmaß der Kraft- völlig freigestellt. Je nach Anwendung kann der teilung. Es ist dies ein ähnlicher Vorgang, wie er in Aufnehmer mit Flächen oder Rundungen begrenzt der Elektrotechnik allgemein bekannt ist; so wird bei 6° sein. Er kann aber auch als Scheibe ausgebildet der Strommessung durch bestimmte Anordnungen sein, bei der die Piezoelemente auf einem mittleren bloß ein Teilstrom gemessen. Die definierbare Tei- Durchmesser angeordnet sind, dabei können die lung mechanischer Kräfte setzt sehr hohe Präzision Empfindlichkeitsachsen der einzelnen Piezoelemente in der Bearbeitung der Aufnehmerteile voraus. so angeordnet sein, daß man mit dem scheibenför-

Das Piezoelement5 der Fig. 1 kann aus zwei 65 migen Aufnehmer sowohl axiale Kräfte, insbeson-

Kristallplatten oder aus einer Kristallplatte und dere auch deren Verteilung bezüglich der symmetri-

einer Isolierplatte bestehen. Zwischen beiden Plat- sehen Achse, wie auch Drehmomente, Schübe in ten ist die Elektrode 11 eingeklemmt, z.B. aus einer beliebigen Achsen und auch Momente messen kann.

Die scheibenförmige Gestaltung eines erfindungsge- Das Meßsignal wird durch die Elektrodenplatte 77

mäßen Aufnehmers ergibt zudem praktische Mög- kapazitiv durch die Isolierfolie 78 abgenommen,

lichkeiten des Einbaues als Maschinenelement. Gegenüber dem unteren Kraftübertragungslager 72

In Fig. 3 ist eine Kraftmeßanordnung in recht- ist die Elektrode77 durch die Isolierplatte80 isoliert,

eckiger Gestalt im Schnitt gezeigt. 41 stellt das obere 5 In F i g. 7 ist die Elektrode und die Blindplatte

Kraftübertragungslager und 42 das untere Kraft- der F i g. 6 nochmals im Schnitt gezeigt. Die Blind-

übertragungslager dar. Die Gegenflächen 43 und 44 platte 75 ist mit Aussparungen versehen, in welche

sind wie bekannt optisch plan bearbeitet. Zwischen die Piezoelemente 76 eingelegt sind. Vorteilhaft ist

denselben befindet sich die Isolatorplatte 45, welche es, Platte und Piezoelemente zu verkitten und beide

zwecks Signalabnahme z. B. einseitig aus dem Auf- io gleichzeitig optisch plan zu läppen. Auf diese Weise

nehmer herausragt. Auf dem Lappen 46 sind die kann ein dem Flächenverhältnis entsprechendes

Leiterbahnen 47 durch aufgebrachte Metallschichten Kraftteilverhältnis erreicht werden. Auch hier wird

dargestellt. Die Piezoelemente 48 und die Blind- dafür gesorgt, daß für die Blindplatte ein Material

elemente 49 sind in der gewünschten Verteilung ent- gewählt wird, welches bezüglich Elastizität und

sprechend den Krafteingriffverhältnissen angeordnet. 15 Ausdehnungskoeffizient ähnlich dem Material der

Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Piezoelemente ist.

Fig. 4 gezeigt, wo 45 die Isolatorplatte darstellt In Fig. 8 ist eine ähnliche Kraftanordnung wie mit dem Anschlußlappen46. Die Isolatorplatte be- in Fig. 6 gezeigt. 91 ist das obere Kraftübertrasteht vorteilhafterweise aus Keramik, z. B. Alumi- gungslager, und 92 ist dessen optisch plan geläppte niumoxyd. Sie ist ebenfalls beidseitig optisch plan 20 Kontaktfläche. 93 ist die Isolierplatte, auf welcher geläppt. Auf der Oberseite sind entsprechend der Metallschichtrondellen 94 und Leiterbahnen 95, z. B. Größe der Piezoelemente Metallschichtrondellen 58 durch Aufdampfen von Edelmetallen, aufgebracht und 59 nach bekannten Verfahren fest haftend auf sind. Dieselben passen zu den in der Blindplatte 105 der Isolatorplatte aufgebracht. Entsprechend der eingelassenen Piezoelementen 106. Diese sind wiegewiinschten Aufteilung werden die Rondellen 58 25 derum vorteilhafterweise in der Blindplatte 105 auf mit der Leiterbahn 47 verbunden. Die Blindelement- dem unteren Kraftübertragungslager 102 eingekittet, rondellen59 dagegen bleiben isoliert. Die Metall- und die beiden Planflächen dieser Platte mit dem schichten an diesen Stellen sind lediglich hier, damit Piezoelement werden gleichzeitig optisch plan bedie Einbauhöhen zwischen Piezoelementen und arbeitet. Damit die Leiterbahnen 95 keine Kontakt-Blindelementen keinen geringsten Unterschied auf- 30 n.^'.i'-.hkeit mit der metallischen Blindplatte 105 beweisen. Die Signalabnahme erfolgt deshalb ähnlich kommen, sind die entsprechenden Verbindungen 107 wie in gedruckten Schaltungen. An Stelle einer und 108 in der Blindplatte breit genug ausgearbeitet, keramischen Isolatorplatte 45 kann in gewissen Fäl- Auf diese Weise wird Kurzschluß auf einfache Weise len auch eine Isolierfolie verwendet werden, auf verhindert.

welcher die dargestellten Leiterschichten ebenfalls 35 Die Erfindung ermöglicht mithin, in einer Kraftaufgebracht werden können. meßanordnung oder einem Meßwertaufnehmer von

In Fig. 5 ist eine Variante von Fig. 3 und außen einwirkende Kräfte in genau definierte Teil-F i g. 4 gezeigt, wobei als Beispiel Piezoelemente kräfte aufzuteilen und gegebenenfalls im gleichen mit verschiedenen Empfindlichkeitsrichtungen ver- Aufnehmer Kräfte beliebiger Richtungen in Komwendet werden. 61 ist wiederum die Isolatorplatte, 40 ponenten zu zerlegen, sowie die Lage, Kraftrichauf welcher entsprechend der gewünschten Vertei- tung und Größe von Kräftesummen, die auf den lung die Metallschichtrondellen 68,69 und 70 auf- Meßkörper eingreifen, zu bestimmen. Die erfingebracht sind. Auf Rondelle 68 kommt ein schub- dungsgemäßen Aufnehmer lassen sich vollständig empfindliches Piezoelement, das in Α-Richtung starr bauen; die Meßobjekte können deshalb ebenorientiert ist, zu liegen, auf Rondelle 69 ebenfalls 45 falls starr mit den Aufnehmern verbunden werden, ein schubempfindliches Piezoelement, das in Y- wodurch sich hohe Eigenfrequenzen des ganzen Meß-Richtung orientiert ist. Auf Rondelle 70 ist ein systems ergeben. In den dargestellten Beispielen Druckpiezoelement, das parallel zur Scheibenachse sind Piezomeßelemente auf Basis von Piezokristallen empfindlich ist, für die Z-Richtung vorgesehen. Die wie Quarz oder Turmalm gezeigt* Für rein dyna-Verteilung der einzelnen Elemente erfolgt gemäß 5° mische Kraftmeßprobleme können aber auch Piezodem zu lösenden Meßproblem und den anfallenden elemente mit piezokeramischen Materialien Anwen-Kräften. Je nach ihrer Orientierung wirken die ein- dung finden. Die Erfindung läßt sich aber auch auf zelnen Piezoelemente für eine bestimmte Kraftrich- die neuen in Entwicklung begriffenen piezoresistiven rung als Meßelement oder als Blindelement Mit Elemente anwenden, welche ebenfalls Kristalle verLeiterbahnen 62,63 und 64 werden die Anschluß- 55 wenden, deren Widerstandswerte sich bei Krafteinstellen für X-, Y- und Z-Komponenten verbunden. fluß verändern. Für solche Anwendungsfälle gestal-Selbstverständlich können auch auf einer solchen ten sich die Ladungszu- und Abführungsprobleme Anordnung weitere Blindelemente zur Kraftteilung etwas schwieriger. Die Elemente können aber als vorgesehen werden, die überhaupt kein Signal er- gleichwertig behandelt werden, da deren Kristalle zeugen. An Stelle von kreisrunden Elementen kön- 60 wie Germanium und Silizium ähnliche Elastizitätsnen aber auch andere geometrische Formen, z. B. und Wänneausdehnungsverhalten wie Piezokristalle Ringe, Vierecke etc. vorgesehen werden. zeigen. Die Erfindung ermöglicht somit, neue Meß-

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei probleme zu lösen, die bis anhin vollständig unzu-

welcher das Blindelement als Lochplatte ausge- verlässig und ungenau nrit einzelnen Meßweitauf-

bildet ist. 71 ist das obere Kraftübertragungslager 65 nehmern der Reihe nach untersucht werden irußten.

und 72 das untere. Die Gegenflächen 73 und 74 sind Die Möglichkeit, komplexe Phenomena in tir"^n

wiederum optisch plan bearbeitet In der Blindplatte Versuch und einem Aufnehmer zu lösen, ergibt völ-

75 sind die einzelnen Piezoelemente 76 eingelegt Bg neue Aspekte in der Meßtechnik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Form einer Unterlegscheibe oder Mutter bekannt, Patentansprüche: die zur Messung der in Schraubverbindungen auf tretenden statischen Kräfte dient und aus zwei

1. Kraftmeßanordnung zur Bestimmung einer scheibenförmigen Teilen besteht, zwischen denen oder mehrerer Kraftkomponenten, bestehend 5 piezoelektrische Kristalle und die Scheiben auf Abaus Kraftübertragungslagern, zwischen denen stand haltende Stützglieder angeordnet sind. Bei aus piezoelektrischen oder piezoresistiven Kri- Bedarf können auf den Umfang der Scheibe mehrere stallen bestehende Meßelemente und parallelge- piezoelektrische Kristalle angeordnet sein, um die schaltete Kraftübertragungsglieder angeordnet Kräfteverteilung auf den Umfang der Scheibe zu sind, dadurch gekennzeichnet, daß io messen. Diese bekannte Kraftmeßanordnung ist nur zwischen den Kraftübertragungslagern (1,2) min- dazu bestimmt, statische Kräfte zu messen, die destens ein Meßelement(5) und wenigstens ein senkrecht zu der Oberfläche der Scheibe oder der zur Erzielung einer der geometrischen Anord- Mutter gerichtet sind.

nung entsprechenden Kraftteilung geeignetes Es sind ferner Kraftmeßanordnungen bekannt,

Ersatzelement (6,7) mit gleichen Abmessungen j 5 die mehrere hintereinandergeschaltete piezoelektri-

wie das Meßelement zur Bestimmung eines ge- sehe Kristalle aufweisen, deren Achsen in verschie-

wünschten Meßbereichs austauschbar eingebaut dene Richtungen weisen, so daß solche Kraftmeß-

sind anordnungen in verschiedenen Richtungen auftre-

2. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- tende Kraftkomponenten messen können. Solche durch gekennzeichnet, daß das Ersatzelement 20 Kraftmeßanordnungen sind noch nicht dazu geeigaus dem für das Meßelement gewählten Kristall- net, alle in der Meßtechnik auftretenden Probleme material besteht. einwandfrei zu lösen. Es sind ferner Kraftmeß-

3. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- anordnungen bekannt, die parallel in den Kraftdurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Er- Schluß geschaltete Glieder aufweisen, die zur Versatzelement (16,17) ebenfalls als Meßelement 25 steifung dienen. Bei anderen bekannten Kraftmeßausgebildet ist, dessen Kristallachsen (X, Y) je- anordnungen sind mehrere Kraftmeßglieder in Serie doch zu denen des ersten Meßelements (15) geschaltet, deren Einschaltpunkt durch mechanische unterschiedlich orientiert sind. Mittel einstellbar ist. Diese bekannte Anordnung

4. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- gestattet das Überstreichen eines aus mehreren durch gekennzeichnet, daß das Ersatzelement 30 Elastizitätsbereichen zusammengesetzten Meßbe-(51) aus einem Werkstoff besteht, welcher an- reiches. Alle diese Anordnungen dienen speziellen nähernd gleiche Elastizitätseigenschaften und Zwecken und haben daher einen begrenzten AnAusdehnungskoeffizienten wie das Meßelement Wendungsbereich. Die letztgenannte Anordnung hat (58) besitzt. noch den Nachteil, daß sie in den verschiedenen

5. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- 35 Elastizitätsbereichen verschiedene Empfindlichkeiten durch gekennzeichnet, daß zwischen den Kraft- aufweist.

Übertragungslagern eine Isolatorplatte (45) ein- Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit

gebaut ist, auf welcher die Auflageflächen der Kraftmeßanordnungen, die insbesondere zur Mes-

Meßelemente (48) wie auch der Ersatzelemente sung dynamischer Kräfte bestimmt sind. Die Mes-(49) getrennte Metallschichten (58) aufweisen, 40 sung dynamischer Kräfte ist dann besonders schwie-

von denen aus Leiterbahnen (47) zu Anschluß- rig, wenn die zu messenden Kräfte sehr groß sind,

klemmen führen. so daß nur ein Teil der einwirkenden Kräfte auf

6. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- das Meßelement geleitel werden kann. Deshalb stellt durch gekennzeichnet, daß eine Elektroden- sich bei solchen Messungen häufig die Aufgabe, die platte (77) zur kapazitiven Abnahme des Piezo- 45 Gesamtkraft in genau definierbare Einzelkräfte aufsignals von den Oberflächen der Meßelemente zuteilen und dabei gegebenenfalls aus einer Summe (76) zwischen zwei Isolierfolien (78, 80) ange- verschieden gerichteter Einzelkräfte lediglich einzelne ordnet ist. Komponenten in verschiedenen Kraftrichtungen zu

7. Kraftmeßanordnung nach Anspruch 1, da- messen.

durch gekennzeichnet, daß eine zur Aufnahme 50 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine der Meßelemente (106) bestimmte, dickenmäßig Kraftmeßanordnung zu schaffen, die solche Messunmit denselben abgestimmte und mit leitenden gen auf einfache Weise zuläßt.
Metallschichten versehene Platte (105) zur Ver- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

meidung von Kurzschlüssen nichtleitende Aus- gelöst, daß zwischen den Kraftübertragungslagern sparungen (107) besitzt. 55 mindestens ein Meßelement und wenigstens ein zur

Erzielung einer der geometrischen Anordnung entsprechenden Kraftteilung geeignetes Ersatzelement

mit gleichen Abmessungen wie das Meßelement zur

Bestimmung eines gewünschten Meßbereichs aus-60 tauschbar eingebaut sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeß- Die erfindungsgemäße Kraftmeßanordnung läßt

anordnung zur Bestimmung einer oder mehrerer sich durch Austausch der Meßelemente und Er-Kraftkomponenten, bestehend aus Kraftüber- satzelemente vielen Meßproblemen optimal anpastragungslagern, zwischen denen aus piezoelektri- sen und gewährleistet mit hoher Genauigkeit die sehen oder piezoresistiven Kristallen bestehende 65 gewünschte Aufteilung der Gesamtkraft in genau Meßelemente und parallelgeschaltete Kraftübertra- definierbare Einzelkräfte.

gungsglieder angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Er-

Es ist bereits eine solche Kraftmeßanordnung in findung besteht das Ersatzelement aus dem für das