DE10040287A1 - Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung von Scherkraftbeanspruchungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung der Scherkraftbeanspruchung eines Meßwertaufnehmers. Dabei sind auf einer rechteckigen Trägerschicht (14) zwei mäanderförmige Dehnungsmeßstreifen (10, 12; 11, 13) mit parallel zueinander angeordneten Meßgitterstegen (18) angebracht. Jeder Dehnungsmeßstreifen (10, 12; 11, 13) besteht dabei aus zwei Meßgitterteilen (10, 12; 11, 13), die auf der Trägerschicht (14) diagonal gegenüberliegend angeordnet sind und die gleiche Ausrichtung der Meßgitterstege (18) besitzen. Die einander gegenüberstehenden Dehnungsmeßstreifenteile (10, 11, 12, 13) sind so angeordnet, daß sie gegeneinander einen Winkel von 90 DEG und gegenüber den Außenkanten (19) der Trägerschicht (14) einen Winkel von 45 DEG bilden. Alle Meßgitterteile (10, 11, 12, 13) sind so auf der Trägerschicht (14) angeordnet, daß sie doppelspiegelbildlich ausgerichtet sind und dadurch alle meßwertverfälschenden Dehnungen kompensieren, die durch Biegespannungen und andere parasitäre Kräfte und Momente hervorgerufen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung von Scherkraftbeanspruchungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dehnungsmeßstreifen werden vorzugsweise in Meßgrößenaufnehmern zur Messung physikalischer Größen eingesetzt. Dabei werden sie auf einem Meßfederkörper appliziert und erfassen die Meßfeder­ dehnungen, die dieser aufgrund der Einwirkung von physikali­ schen Größen erfährt. Mit derartigen Meßgrößenaufnehmern wer­ den vorzugsweise Kräfte und Momente erfaßt. Dabei werden Deh­ nungsmeßstreifen eingesetzt, bei denen ein mäanderförmiges Meßgitter aus einer Widerstandsfolie auf einer Trägerschicht aufgebracht ist. Dieses Meßgitter besteht aus parallel neben­ einander angeordneten Meßgitterstegen, die entsprechend der zu erfassenden Materialspannungen am Meßfederkörper appliziert werden.

Für die verschiedensten Materialspannungserfassungen sind un­ terschiedliche Meßgitteranordnungen vorbekannt. So werden Scherspannungen an schubspannungsbelasteten Teilen in Höhe der neutralen Faser häufig mit einzelnen Dehnungsmeßstreifen er­ faßt, deren Meßgitterstege in einem Winkel von 45° zu einer neutralen Faser angeordnet werden. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß hierdurch parasitäre Kräfte (alle nicht in Hauptmeßrichtung verlaufenden Kräfte) mit in das Meßergebnis eingehen und die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Für genauere Meßergebnisse sind auch Doppeldehnungsmeßstreifen bekannt, mit denen die Scherspannungen spiegelbildlich zur neutralen Faser erfaßt werden. Bei diesen Doppeldehnungsmeß­ streifen sind auf einer rechteckigen Trägerschicht zwei Meß­ gitter spiegelbildlich und parallel zueinander angeordnet, wo­ bei die Meßgitterstege gegenüber den Außenkanten der Träger­ schicht einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90° bilden. Diese Dehnungsmeßstreifenanordnung wird dabei so auf der Meßfeder appliziert, daß die beiden Meßgitter sym­ metrisch zur neutralen Faser angeordnet sind. Deshalb werden durch diese Anordnung der Dehnungsmeßstreifen die meßwertver­ fälschenden Biegespannungen kompensiert, wodurch ein Meßsignal erzeugt wird, das der Meßfederbelastung durch die scherkraft­ verursachende Schubspannung und damit der zu messenden Kraft oder des zu messenden Momentes proportional ist. Allerdings kann es durch Herstellungs- und Meßtoleranzen vorkommen, daß die Dehnungsmeßstreifen unsymmetrisch zur neutralen Faser ap­ pliziert werden, so daß durch die Dehnungsmeßstreifen noch Biegespannungen oder andere parasitäre Kräfte und Momente im Meßsignal in Erscheinung treten, so daß Meßfehler entstehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Deh­ nungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung von Scherkraftbela­ stungen zu schaffen, die weitgehend unempfindlich gegen para­ sitäre Kräfte und Momente ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungs­ beispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die doppelspiegel­ bildliche Anordnung zweier Dehnungsmeßstreifen sich Positions­ verschiebungen beim applizieren gegenüber den idealen Positio­ nierachsen weitgehend kompensieren, so daß insbesondere bei Kraft- und Drehmomentbelastungen keine meßwertverfälschenden parasitären Kräfte in das Meßergebnis einwirken.

Die Erfindung der doppelspiegelbildlichen Anordnung zweier Dehnungsmeßstreifen hat weiterhin den Vorteil, daß insbesonde­ re beim applizieren weniger Aufwand und Genauigkeit erforder­ lich ist, um genaue Meßergebnisse zu erzielen. So ist es ins­ besondere bei Scherkraftaufnehmern aufwendig die idealen Posi­ tionierachsen festzulegen und zu markieren, da sich diese häu­ fig in runden Bohrungen oder an runden Wellenabschnitten be­ finden.

Die Erfindung der doppelspiegelbildlichen Anordnung der Dop­ peldehnungsmeßstreifen hat insbesondere bei schnell laufenden Drehmomentmeßwellen den Vorteil, daß dadurch gleichzeitig auch fliehkraftbedingte Zwangsverformung und Unwuchten an der Meß­ welle nicht in das Meßergebnis einwirken, sondern sich durch die vorteilhafte Anordnung kompensieren.

Weiterhin wird der nachträgliche elektrische Kompensationsauf­ wand insbesondere an Drehmomentmeßwellen verringert, da sich die meisten parasitären Belastungen bereits durch die vorteil­ hafte Anordnung kompensieren. So kann insbesondere bei den Drehmomentmeßwellen eine nachträglich Kompensation der Fehlpo­ sition der um 180° gegenüberliegenden Doppeldehnungsmeßstrei­ fen an jeder einzelnen Anordnung erfolgen, ohne daß eine Kom­ pensation der Fehlpositionen zu erhöhten Axialkrafteinflüssen führen würde.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung eines Doppeldehnungsmeßstreifens nach dem Stand der Technik, und

Fig. 2 eine doppelspiegelbildliche Anordnung eines Dop­ peldehnungsmeßstreifens.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Anordnung eines Doppeldeh­ nungsmeßstreifen nach dem Stand der Technik dargestellt, der aus zwei spiegelbildlich angeordneten Dehnungsmeßstreifen 3, 5 besteht. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 ist zur Erfassung von Scherkräften bei Kraft- oder Drehmomentaufnehmern vorgese­ hen. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 besteht aus einer Trä­ gerschicht 1 auf der zwei mäanderförmige Meßgitter aus einer Widerstandsfolie aufgebracht sind. Die Trägerschicht 1 ist rechteckig ausgebildet, wobei die beiden Meßgitter und deren Stege 4 spiegelbildlich zu einer längsgerichteten Mittellinie 2 der Trägerschicht 1 angeordnet sind. Die Meßgitter bzw. die Meßgitterstege 4 bilden dabei zur längs gerichteten Mittelli­ nie 2 oder den Außenkanten der Trägerschicht 1 einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90°. Die beiden Meßgitter 4 der Dehnungsmeßstreifen 3, 5 stellen einen elek­ trischen Widerstand dar, der vorzugsweise 350 Ohm beträgt und sich bei einer mechanischen Belastung des Meßfederkörpers pro­ portional zur Dehnung ändert und somit ein entsprechendes elektrisches Signal liefert.

Zur Erfassung der Dehnung wird der Doppeldehnungsmeßstreifen 3, 5 so auf dem Meßfederkörper appliziert, daß die längs ge­ richtete Mittellinie 2 mit der neutralen Faser des Meßfeder­ körpers übereinstimmt. Dazu wird die Position des Doppeldeh­ nungsmeßstreifes 3, 5 zuvor durch Festlegung der idealen Posi­ tionskoordinaten bzw. -achsen auf der Meßfeder markiert. Durch die spiegelbildliche Anordnung der beiden Meßgitterwiderstände 3, 5 zur neutralen Meßfederfaser und der dazu quer verlaufen­ den Mittelachse 6 kompensieren sich bei einer Meßfederbela­ stung die Meßfederdehnungen, die aufgrund der Biegespannung und anderer parasitärer Kräfte und Momente hervorgerufen wur­ den.

Die beiden Meßgitterwiderstände 3, 5 sind in einer Wheatsto­ ne'schen Meßbrücke als Brückenwiderstände einer Halb- oder mit einem weiteren Doppeldehnungsmeßstreifen zu einer Vollbrücke verschaltbar, um ein entsprechendes Meßsignal zu erhalten. Bei einer ungenauen Festlegung der idealen Positionskoordinaten oder einer unsymmetrischen Applikation der Doppeldehnungsmeß­ streifen zur neutralen Faser der Meßfeder würden sich insbe­ sondere die meßwertverfälschenden überlagernden Biegespannun­ gen nicht vollständig kompensieren, sondern von den Doppeldeh­ nungsmeßstreifen 3, 5 erfaßt.

In Fig. 2 der Zeichnung ist ein doppelspiegelbildlich ange­ ordneter Doppeldehnungsmeßstreifen dargestellt, durch den na­ hezu alle meßwertverfälschenden Dehnungen kompensiert werden, die durch Biegespannungen und andere parasitäre Kräfte und Mo­ mente entstehen. Dieser erfinderische doppelspiegelbildlich ausgebildete Doppeldehnungsmeßstreifen besteht im wesentlichen aus vier mäanderförmigen Meßgitterteilen 10, 11, 12, 13 einer Widerstandsfolie, die auf einer rechteckigen Trägerschicht 14 angeordnet sind. Dabei verteilen sich die vier Meßgitterteile 10, 11, 12, 13 auf vier gleichgroße Flächenabschnitte der Trä­ gerschicht 14, die durch zwei senkrecht aufeinander stehende Mittellinien 15, 16 gebildet werden. Zwei diagonal gegenüber­ liegende Meßgitterteile 11, 13; 10, 12 bilden jeweils einen Dehnungsmeßstreifen 10, 12; 11, 13 und sind über einen An­ schluß- und Verschaltungssteg 20 miteinander verbunden. Dabei verlaufen die Gitterstege 18 eines Dehnungsmeßstreifens 10, 12; 11, 13 in der gleichen Richtung.

Die Meßgitterteile 10, 11, 12, 13 bestehen aus einer Vielzahl paralleler Stege 18 aus Widerstandsmaterial, die gegenüber den Stegen der angrenzenden Meßgitter 10, 11, 12, 13 im Winkel von 90° und gegenüber den Außenkanten der Trägerschicht 14 einen Winkel von 45° bilden. An einer unteren schmalen Außenkante 19 sind vier nebeneinander angeordnete Anschlußpunkte 17 zur wei­ teren Verschaltung mit anderen Brückenwiderständen oder Ver­ stärkerelementen vorgesehen. Dabei sind auch die Anschluß- und Verschaltungsstege 20 so auf den vier Trägerschichtabschnitten angeordnet, daß sich deren Dehnungswirkung nahezu aufhebt und somit vernachlässigbar ist.

Die doppelspiegelbildlich ausgebildeten Doppeldehnungsmeß­ streifen 10, 11, 12, 13 werden mit Hilfe der beiden senkrecht aufeinander angeordneten Mittellinien 15, 16 symmetrisch auf einer Meßfeder eines Meßwertaufnehmers appliziert. Dabei wird die Doppeldehnungsmeßstreifenanordnung so auf der Meßfeder ausgerichtet, daß die in Längsrichtung verlaufende Mittellinie 15 mit der neutralen Faser in der Meßfeder zusammenfällt. Hin­ gegen wird die quer gerichtete Mittellinie 16 so auf der Meß­ feder ausgerichtet, daß der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 symmetrisch auf der Meßfeder plaziert ist.

Wird dabei der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 durch Toleranzen beim Positionieren zu diesen Idealen Positionsach­ sen verschoben, so kompensiert die doppeltspiegelbildliche An­ ordnung die in den beiden Achsrichtungen orientierten parasi­ tären Dehnungseinflüsse, da jeweils der im Vorzeichen entge­ gengesetzte Dehnungsmeßstreifenteil die gleiche Fehlpositio­ nierung erfährt. Der Doppeldehnungsmeßstreifen 10, 11, 12, 13 kann damit an einer einzigen Stelle die unerwünschten parasi­ tären Dehnungseinflüsse kompensieren und muß beispielsweise bei einer Drehmomentmeßwelle die Gegenkompensation bei uner­ wünschten Biegemomenten nicht an den gegenüberliegenden Dop­ peldehnungsmeßstreifen in Anspruch nehmen. Damit muß auch die Plazierungsgenauigkeit an den gegenüberliegenden Doppeldeh­ nungsmeßstreifen nicht die Genauigkeit aufweisen wie bei einer Dehnungsmeßstreifenanordnung nach dem Stand der Technik.

Claims (5)

1. Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung der Scher­ kraftbelastungen, die aus mindestens zwei spiegelbildlich angeordneten mäanderförmigen Dehnungsmeßstreifen (10, 12; 11, 13) besteht, deren Meßgitterstege (18) einen Winkel von 90° zueinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dehnungsmeßstreifen (10, 12; 11, 13) aus zwei Meß­ gitterteilen (10, 11, 12, 13) besteht, die auf einer Trä­ gerschicht (14) diagonal gegenüberliegend angeordnet sind und die gleiche Ausrichtung der Meßgitterstege (18) be­ sitzen.

2. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Dehnungsmeßstreifenwider­ stände (10, 12; 11, 13) auf einer rechteckigen oder qua­ dratischen Trägerschicht (14) angeordnet sind und wobei die Meßgitterstege (18) zu den Außenkanten (19) einen Winkel von 45° aufweisen.

3. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß jede der vier Dehnungsmeßstrei­ fenteile (10, 11, 12, 13) auf einem gleich großen Ab­ schnitt der Trägerschicht (14) angeordnet ist, der durch zwei um 90° versetzte Mittellinien (15, 16) gebildet ist.

4. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der vier Dehnungsmeßstreifenteile (10, 11, 12, 13) die gleiche Meßgitterstruktur aufweist und daß diese auf einer Trä­ gerschicht (14) doppelspiegelbildlich angeordnet sind, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Dehnungs­ meßstreifenteile (10, 12; 11, 13) elektrisch zu einem Wi­ derstandselement miteinander verbunden sind.

5. Dehnungsmeßstreifenanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Dehnungsmeßstreifenteile (10, 11, 12, 13) so angeordnet sind, daß sie spiegelbildlich zu der jeweiligen idealen Positionierachse einer Meßfeder applizierbar sind.