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Pyramidenwaage zur Ermittlung von Kräften und Momenten, ins-
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besondere in Windkanälen Die Erfindung betrifft eine Pyramidenwaage
zur Ermittlung von Kräften und Momenten, insbesondere in Windkanälen, mit einer
Momenten- und einer Kraftmeßebene1 einer Stützanordnug zur Abstützung des im virtuellen
Zentrum der Waage angeordneten Prüflings auf den Meßebenen, Gelenkstützen zur Abstützung
der Momentenmeßebene auf der Kraftmeßebene, Abstützungen der Kraftmeßebene auf dem
Fundament oder auf einem Grundrahmen sowie an den beiden Meßebenen angeordneten
Kraftmeßezrichtungen für die Kraft- und Momentenmessung.
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Für Windkanalmessungen sind eine ganze Reihe von Mehrkomponentenmeßeinrichtungen
bekannt, mit denen Kräfte in den drei Raumachsen und die an den Achsen auftretenden
Momente gemessen werden können. Bekannt sind beispielsweise Plattformwaagen, Jochwaagen
und Pyramidenwaagen. Bei sehr genauen Meßeinrichtungen war man bisher bestrebt,
die zu ermittelnden Kräfte und Momente möglichst einzeln zu erfassen, um eine gegenseitige
Beeinflussung auszuschalten und Meßfehler zu vermeiden.
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Bei Pyramidenwaagen werden die zu messenden Kräfte und Momente in
zwei verschiedenen Meßebenen erfaßt, die in weitere Meßebenen aufgeteilt sein können.
Der Prüfling befindet sich hierbei in einem durch die Spitze einer Pyramide gebildeten
virtuellen Zentrum. Er ist durch eine oder mehrere Stützen auf den unterhalb des
Zentrums angeordnien Meßebenen abgestützt. Die erste Meßebene, die Momentenmeßebene
ist durch Gelenkstützen, die in Richtung des virtuellen Zentrums verlaufen, gelenkig
mit der darunter gelegenen zweiten Meßebene für die Kraftmessung verbunden. Die
Gelenkstützen bilden hierbei die Kanten eines Pyramidenstumpfes. Die Kraftmeßebene
ist durch weitere Abstützungen mit dem Fundament oder
einem Grundrahmen
verbunden.
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Die auf den Füfling wirkenden horizontalen Kräfte werden in der Kraftmeßebene
(fUr beide Achsrichtungen) gemessen. Vertikale Kräfte können über die Abstützungen
der Kraftmeßebene ermittelt werden. Die im virtuellen Zentrum wirkenden Momente
werden durch Kraftmessungen in der Momentenmeßebene erfaßt.
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Mit einer Pyramidenwaage können die im virtuellen Zentrum der Waage
wirkenden Kräfte und Momente einzeln gemessen werden.
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Die bekannten Pyramidenwaagen sind in ihrem Aufbau recht aufwendig
und erfordern teilweise komplizierte Hebelanordnungen zur Trennung der einzelnen
Kräfte bzw. Kraftkomponenten. Die Ermittlung der Kräfte erfolgt hierbei mit hochgenauen
Laufgewichtswaagen.
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Bei den bisher bekannten Pyramidenwaagen werden die einzelnen zu messenden
Komponenten mit großem konstruktiven Aufwand mGglichst weitgehend entkoppelt, (z.B.
über ineinander geschachtelte Rahmen, Hebel, Lenker, hydraulische Lager usw.), so
daß jeder Meßkanal nur eine Komponente mißt. Diese Methode ist naturgemäß mit erheblichen
Kosten verbunden. Weitere Nachteile sind z.B. der erforderliche Wartungsaufwand
bei einer hydraulischen Lösung und der Steifigkeitsverlust (Erniedrigung der Eigenfrequenz,
die möglichst hoch sein soll) bei der Entkopplung über Hebel. Nicht unerheblich
sind auch die Arbeiten, die zur Justage eines solchen Systems erforderlich sind,
da ein große- meßtechnischer Aufwand nötig ist, bis die einzelnen Komponenten, bezogen
auf das virtuelle Zentrum, als entkoppelt anzusehen sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfachte Pyramidenwaage
mit einem verformungssteifen Aufbau zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit sowie
eine gute Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Prüflinge aufweist. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
Die Ansprüche enthalten auch Ausgestaltungen der Erfindung.
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Durch die Verwendung von Kraftmeßdosen, die Überlagerung von Meßwerten
und die rechnerische Ermittlung der interessierenden Werte wird bei ir gewählten
Anordnung die Genauigkeit der Pyramidenwaage nicht wesentlich beeinträchtigt. Der
Waagenaufbau wird jedoch sehr vereinfacht. Auf diese Weise ist es möglich, die Waage
für unterschiedliche virtuelle Zentren und Meßbereiche umschaltbar auszuführen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet die Nachteile des Standes
der Technik durch Verzicht auf eine vollständige Entkopplung der Komponenten. Einzige
Kriterien für den konstruktiven Aufbau sind hohe Reproduzierbarkeit, hohe Steifigkeit
und Wartungsfreiheit. Alle diese Punkte werden durch die erfindungsgemäße Anordnung
mit direkter Krafteinleitung in Wägezellen erreicht.
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Weiterhin vorteilhaft bei diesem System ist, daß eine genaue Ausrichtung
der einzelnen Kraftmeßeinrichtungen nicht erforderlich ist, ebensowenig wie die
exakte Ausrichtung der Pyramidenstäbe auf das virtuelle Zentrum. sitzt dessen wird
die Waage mit Hilfe eines hochgenau vermessenen Kalibriermodells mit genau bekannten
Kräften und Momenten einmal kalibriert und die Ergebnisse in einer Recheneinrichtung
gespeichert. Bei dieser Prozedur wird gleichzeitig auch die Entkopplung der Einzelkomponenten
erreicht, die auf diese Weise von der Waage in den Rechner verlagert wurde und damit
unveränderlich geworden ist. Die Einstellungen bei der Kalibrierung der Waage müssen
im späteren Betrieb jeweils mit hoher Genauigkeit reproduzierbar sein.
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Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen dargestellt
und nachfolgend in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Pyramidenwaage
nach der Erfindung in stark vereinfachter schematischer Dars'ellung,
Fig.
2 eine Gelenkstütze mit einem Bauteil zur Änderung der Längssteifigkeit der Stütze.
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Die dargestellte Pyramidenwaage (Fig. 1) dient zur Messung der in
den drei Achsen x, y, z auftretenden Kräfte Fx, Fy und Fz und der Momente Tx, Ty
und Tz. Der Schnittpunkt der Achsen bildet das virtuelle Zentrum der Waage. Ein
Prüfling, beispielsweise ein Flugzeugmodell, wird im virtuellen Zentrum angeordnet
und beispielsweise auf einer Stütze S befestigt.
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Die Stütze S ist starr mit der horizontal angeordneten Momentenmeßebene
M verbunden. Die Momentenmeßebene kann aus einem genügend steif ausgebildeten Rahmen
oder einem ähnlichen konstruktiven Aufbau bestehen. An den Ecken der dreieckig ausgebildeten
Momentenmeßebene sind Gelenkstüen T1 bis T3 angeordnet, die die Momentenmeßebene
M gelenkig mit einer parallelen Kraftmeßebene K verbinden. Die Kraftmeßebene K ist
ähnlich wie die Momentenmeßebene ausgebildet und über vertikale Gelenkstützen G6
bis G8 auf dem Fundament oder auf einem Grundrahmen abgestützt.
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Die Kraftmeßebene K und die Momentenmeßebene M bilden zusammen mit
den Gelenkstützen T1 - T3 den Stumpf einer dreiseitigen Pyramide. Die Gelenkstützen
stellen die Kanten des Pyramidenstumpfes dar. Ihre Verlängerungen schneiden sich
im virtuellen Zentrum der Waage. Anstelle des dreiseitigen Pyramidenaufbaus kann
auch ein vierseitiger Pyramidenaufbau vorgesehen werden.
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Zur Ermittlung der im virtuellen Zentrum auftretenden Kräfte und Momente
sind nur schematisch angedeutete Kraftmeßdosen R1 - R8 für Zug- und Druckkräfte
an der Kraftmeßebene K bzw.
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dem Fundament angeordnet. Die Kraftmeßdosen werden über Gelenkstützen
G1 - G8 beaufschlagt, so daß Beeinflussung8durch Querkräfte weitgehend ausgeschaltet
werden.
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Die Gelenkstützen weisen an ihren Enden allseitig bewegliche
elastische
Gelenke auf, z.B. Kreuzfedergelenke oder ähnlich wirkende Gelenke, z.B. in axialer
Richtung harte, aber biegeweiche Stabteile, (in Fig. 1 durch kleine Kreise angedeutet),
über die sie mit den Meßebenen bzw. dem Fundament oder Grundrahmen verbunden sind.
Die Gelenkstützen T1 - T3 sind gleich oder ähnlich ausgebildet.
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Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 können die Kraftmeßdosen
R1 -R8 jeweils auch am anderen Ende der Gelenkstützen, d.h. unmittelbar an den Meßebenen
M und K, angeordnet werden. Die gelenkige Abstützung kann auch so ausgeführt sein,
daß die Kraftmeßdosen zwischen den Gelenken der Gelenkstützen eingebaut sind.
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Die Kraftmeßdosen R1 - R3, die die in der Momentenmeibene M auftretenden
horizontalen Kräfte aufnehmen, sind in Fig. 1 auf der Kraftmeßebene K abgestützt.
Sie können jedoch (in nicht dargestellter Weise) auch direkt am Fundament oder an
einem Grundrahmen abgestützt werden. Diese Art der Abstützung kann für bestimmte
Einsatzfälle vorteilhaft sein.
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Die Kraftmeßdose R1 dient zur Ermittlung des Momentes Tz um die z-Achse
CRollmoment). Sie ist in einer durch das virtuelle Zentrum gehenden vertikalen Ebene
angeordnet. Das Moment Tz ergibt sich aus der an der Kraftmeßdose R1 angezeigten
Kraft und dem senkrechten Abstand des virtuellen Zentrums von der Wirkungsrichtung
von Ri.
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Die Kraftmeßdosen R2 und R3 sind senkrecht zur Wirkrichtung von R1
und symmetrisch zu der durch das virtuelle Zentrum gehenden Hochachse der Waage
angeordnet. Das Moment Tx um die x-Achse (Nickmoment) ergibt sich aus der Addition
der Meßwerte von R2 und R3 und dem senkrechten Abstand des virtuellen Zentrums von
der Wirkrichtung der beiden Dosen.
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Da die Stütze S starr mit der Momentenmeßebene M verbunden ist, kann
auch das Moment Ty um die Hochachse (Giermoment) aus den Meßwerten von R2 und R3
ermittelt werden. Das Giermoment Ty ergibt sich im dargestellten Beispiel aus der
Subtraktion
der beiden mit Vorzeichen versehenen Meßwerte und dem senkrechten Abstand der Wirkrichtung
der beiden Kräfte von der Hochachse.
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Die Kraftmeßdosen R1 - R3 können auch an beliebigen anderen Punkten
der Momentenmeßebene und auch in beliebigen anderen horizontalen Wirkrichtungen
angeordnet werden, wobei allerdings nicht alle drei Wirkrichtungen parallel sein
dürfen.
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Beispielsweise kann die Kraftmeßdose R1 auch in der Nähe des Anschlußpunktes
der Dose R3 bzw. der Gelenkstütze G3 an der Momentenmeßebene M angeschlossen werden.
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Die Kraftmeßdosen R4 und R5 sind über die Gelenkstu tzen G4 und G5
mit der Kraftmeßebene verbunden und dienen zur Ermittlung der in den horizontalen
Achsen (Längs- oder Du er-Achse) wirkenden Kräfte Fx und Fz. Hierbei muß gsgebenenfalls
das von der Kraftmeßebene auf das Fundament zu übertragende Moment bei der Meßwertermittlung
berücksichtigt werden. Zur Abstützung des Moments auf das Fundament bzw. den Grundrahmen
ist eine Gelenkstütze G4' an der Kraftmeßebene K angeordnet.
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An den Gelenkstützen G6 - G8 sind die Kraftmeßdosen R6 - R8 zur Ermittlung
von vertikalen Kräften angeordnet.
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Zur Ermittlung der interessierenden Kräfte und Momente am Prüfling
sind die Kraftmeßdosen R1 - Rß an eine Recheneinrichtung angeschlossen, die aus
den vorliegenden Meßwerten der Dosen und aus den Maschinenkonstanten die im virtuellen
Zentrum wirkenden Kräfte und Momente errechnet. Hierbei werden auch systembedingte
gegnseitige Beeinflussungen (Übersprechen), die beispielsweise durch die Gelenkstellen,
die Abstützungen usw. entstehen, berücksichtigt. Die Recheneinrichtung mit den Anschlüssen
an die Kraftmeßdosen ist in Fig. 1 aus Gründen der ibersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Zur Einstellung von unterschiedlichen virtuellen Zentren
können
die Gelenkstützen T1 - T3 zwischen der Momentenmeßebene M und der Kraftmeßebene
K an unterschiedlichen Punkten mit den Meßebenen verbunden werden. Die in Fig. 1
angedeuteten Gelenkstützen T1' - T3' ergeben beispielsweise ein virtuelles Zentrum,
das c um t h) untatalb des durch die Gelenkstützen T1 - T3 gebildeten Zentrums liegt.
Es können mehrere Sätze von Gelenkstützen vorgesehen werden, die wahlweise mit den
Meßebenen verbindbar bzw. kuppelbar sind. Die einzelnen Gelenkstützen können hierbei
an einer Anschlußstelle einen gemeinsamen Anschlußpunkt aufweisen, wie in der Darstellung
von Fig. 1 an der Kraftmeßebene K angedeutet. Es können aber auch für jede Gelenkstütze
getrennte Anschlußpunkte vorgesehen werden. Durch solche Anordnungen ist es auf
einfache Weise möglich, die erfindungsgemäße und andere Pyramide waagen z.B. von
Flugzeugmodelluntersuchungen auf die Untersuchung von Kraftfahrzeugmodellen umzustellen.
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Die Kalibrierung einer Pyramidenwaage erfordert einen verhältnismäßig
hohen Aufwand wobei insbesondere die Lage des virtuellen Zentrums von großer Bedeutung
ist. Schon kleinste Abweichungen von der eingestellten Lage, bei der die Waage kalibriert
wurde, führen zu unzulässigen Meßfehlern. Bei ir Umschaltung der Waage auf ein anderes
virtuelles Zentrum müssen daher besondere Genauigkeitsanforderungen eingehalten
werden. Insbesondere muß die Länge der Gelenkstützen und die Lage der Gelenkpunkte
mit hoher Genauigkeit den Werten entsprechen, bei d-r die Waage kalibriert wurde.
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Durch Änderung der Längssteifigkeit einer Gelenkstutze von annähernd
null auf annähernd unendlich oder starr bzw. auf die Nachgiebigkeit eines normalen
Stabes, kann eine Ab-oder Zuschaltung der Stütze bewirkt werden. Bei einer derartig
ausgebildeten Stütze müssen die Anschlußpunkte der Stütze im Betrieb nicht mehr
gelöst werden. Die Gelenkpunkte behalten dadurch ihre einmal festgelegte Lage bei.
Die Beibehaltung der Kraftrichtung wird durch eine geeignete Längsführung gewährleistet.
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7ur Änderung der Längssteifigkeit einer Gelenkstütze sind eine ganze
Reihe von beispielsweise mechanischen oder hydraulischen Anordnungen möglich. Ein
Ausführungsbeispiel ist in Fig 2 dargestellt.
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Die Gelenkstütze mit den Gelenkpunkten 20, 21 ist an ihren Enden ständig
fest mit der Momentenmeßebene M und der Kraftmeßebene K verbunden. Zwischen den
Gelenkpunkten 20, 21 besteht die Gelenkstütze aus einem äußeren rohrförmigen Bauteil
22 und einem inneren stabförmigen Teil 23. Das stabförmige Bauteil 23 ist über die
Wellmembranen 24 und 25 axial beweglich und reibungsfrei bzw. hysteresefrei im äußeren
rohrförmigen Bauteil 22 geführt. Die beiden Stabteile 22 und 23 weisen einander
gegenüberliegende Flansche 26 und 27 auf, an denen sie über herausnehmbare Distanzstücke
28 und 29, beispielsweise mit Schrauben 30 fest miteinander verbunden werden können.
Durch die Verschraubung wird die Gelenkstütze zugeschaltet. Die Flansche 26, 27
und die Distanzstücke 28, 29 sind an den Verbindungsflächen sehr genau bearbeitet.
Die Stützlänge ist daher nachdem Einfügen der Distanzstücke und der Verschraubung
der Flansche mit hoher Genauigkeit reproduzierbar. Nach Lösen der Verschraubung
und Herausnehmen der Distanzstücke 28, 29 sind die beiden abteile 22, 23 reibungsfrei
gegeneinander bewegbar. Die Stütze ist damit abgeschåltet.
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Die schaltbaren Gelenkstützen nach Fig. 2 können in Verbindung mit
Kraftmeßdosen vorteilhaft auch für die Umschaltung von Meßbereichen wrwendet werden.
Bei Pyramidenwaagen oder anderen Waagen, z.B. Plattformwaagen für Windkanäle, bei
denXhohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, sind vielfach umschaltbare Meßbereiche
vorgesehen. Bei der Meßbereichsumschaltung müssen jedoch auch kleine Fehler möglichst
weitgehend ausgeschaltet werden.
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Wenn an einer Meßstelle zwei Kraftmeßdosen über Gelenkstützen angeschlossen
sind, kann die Einschaltung eines Meßbereiches bzw. die Umschaltung mit Hilfe der
in Fig. 2
beschriebenen schaltbaren Gelenkstütze-n erfolgen. In
Fig. 1 ist an der Meßstelle für die Kraftmeßdose R3 eine solche Anordnung von zwei
Uber Gelenkstützen beaufschlagten Kraftmeßdosen beispielsweise angegeben. Neben
der uber die Gelenkstütze G3 beaufschlagten Kraftmeßdose R3 ist eine weitere über
die Gelenkstütze G3' beaufschlagte Kraftmeßdose R3' angeschlossen. Durch Zuschaltung
der jeweils zugehörigen Gelenkstütze G3 oder G3' kann entweder die Kraftmeßdose
R3 oder die Dose R3' eingeschalift werden. Hierbei kann die ursprüngliche Einstellung
der Anordnung mit hoher Genauigkeit reproduziert werden.