DE2909164A1

DE2909164A1 - Measuring longitudinal forces in vehicle steering track rods - using sprung body with strain gauge plates between rings

Info

Publication number: DE2909164A1
Application number: DE19792909164
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing Grad Burckardt
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1979-03-08
Filing date: 1979-03-08
Publication date: 1980-09-11

Abstract

A force sensor, esp. for measuring the stress and strain forces in vehicle steering system track rods using a spring body with strain gauges attached to the tested element, achieves very high measurement accuracy using a very short constructional length and a simple design. The spring body has a ring at either end eah with one or more peripheral pins projecting towards the other ring. The pins are connected together via measurement plates placed between them in the direction of action of the force and extending over the length of the pins. Each ring may have four pins equally spaced about its circumference. Each strain gauges may be mounted at an angle of 45 degrees to the direction of force.

Description

Kraftaufnehmer zur Messung von auf einenForce transducer for measuring from to one

Prüfkörper einwirkenden Kräften.Forces acting on the test body.

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zur Messung von auf einen Prüfkörper einwirkenden Kräften, insbesondere zum Messen der auf eine Spurstange einer Kraftfährzeuglenkung einwirkenden Zug- und Druckkräfte, mit einem mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Federkörper, der mit dem Prüfkörper verbunden ist.The invention relates to a force transducer for measuring on one Forces acting on test specimens, in particular for measuring the forces acting on a tie rod a motor vehicle steering acting tensile and compressive forces, with a strain gauge provided spring body, which is connected to the test body.

Derartige Kraftaufnehmer sind Meßgrößenumformer, die die auf sie einwirkende Last Uber Dehnungsmeßstreifen in ein analoges elektrisches Signal umformen. Diese Umformurg erfolgt mit einem Federkörper, der sich unter Einwirkung der zu messenden Belastung verformt und dessen Verformung mit Hilfe der Dehnungsrnekstreifen erfaßt wird.Such force transducers are transducers that act on them Transform the load into an analog electrical signal using strain gauges. These Umformurg takes place with a spring body, which is under the action of the to be measured Deformed load and its deformation detected with the help of the stretch marks will.

Die DEhnung au* der Oberfläche des Federkörpers muß dabei -proportional der Belastung sein. Im Dehnungsmeßstreifen wird die Dehnung praktisch ohne Verlust und ohne Einbuße an Genauigkeit direkt in eine elektrische Widerstands änderung umgeformt. Durch die Dehnungsmeßstreifen wird das dynamische Verhalten des Kraftaufnehmers nicht verändert.The idea on the surface of the spring body must be proportional be the burden. In the strain gauge, the elongation is practically without loss and directly into a change in electrical resistance without any loss of accuracy reshaped. The dynamic behavior of the force transducer is determined by the strain gauges not changed.

Für die Gestaltung eines Federkörpers, der, zur Messung an oder zwischen dem entsprechend geteiltem Prüfkörper angeordnet werden muß, sind verschiedene Gesichtspunkte maßgebend, so u. a. Belastungsrichtung und - Größe, Meßgenauigkeit und geometrische Forderungen (z. B.For the design of a spring body, for measuring on or between must be arranged according to the divided test specimen, are different aspects authoritative, so inter alia. Load direction and size, measurement accuracy and geometric Claims (e.g.

winbaumaße) In vielen Flln steht nun in Längsrichtung nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung. Dies ist z. B.winbaumaße) In many cases there is now only a limited lengthways Installation space available. This is e.g. B.

bei bestimmten Spurstangentypen der Fall. Dadurch ergeben sich u. h. Probleme hinsichtlich der Meßgenauigkeit des Kraftaufnehmers.the case with certain types of tie rods. This results in u. H. Problems with the measurement accuracy of the force transducer.

Der vorliegende Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftaufnehmer zu schafen, der eine möglichst kurze Baulänge mit einfachem Aufbau bei sehr guter Meßgenauigkeit aufweist.The present invention is therefore based on the object To create force transducers that are as short as possible and with a simple structure with very good measurement accuracy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Federkörper a) zwei sich gegenUberli egende Basisringe auSweist; b) jeder Basisring mit mindestens einem am Umfang angeordneten, zum anderen Basisring gerichteten Steg versehen ist; c) die Stege über dazwischenliegende in Kraftflußrichtung angeordnete und sich im wesentlichen über die Steglänge erstreckende Meßplatten miteinander verbunden sind; d) auf den NeßpiaL-ten ungefähr in der Mitte zwischen zwei Steten Dchnungsmebstreifen zur Schubspannungsmessung angeordnet sind.This object is achieved according to the invention in that the spring body a) has two opposing base rings; b) each base ring with at least one arranged on the circumference, facing the other base ring Web is provided; c) the webs are arranged over intervening in the direction of force flow and measuring plates extending essentially over the length of the web with one another are connected; d) on the NeßpiaL-th approximately in the middle between two steps Strain strips are arranged for shear stress measurement.

Erfindungsgemäß werden nun die auf den Federkörper ein wirkenden Zug-und Druckkräfte in Schubspannungen in den Meßplatten umgewandelt. Die Höhe der Schubspannung wird jeweils über die Dehnungsmeßstreifen gemessen. Die einwirkenden Kräfte werden nämlich jeweils von den beiden Basisringen auf die Stege übertragen. Da nun die Stege jedes Basisringes nur über die Meßplatten miteinander verbunden sind, kommt es in diesen zu Schubspannungen.According to the invention, the tension and tension acting on the spring body Compression forces converted into shear stresses in the measuring plates. The amount of shear stress is measured in each case using the strain gauges. The forces acting will be namely transferred from the two base rings to the webs. Since now the Bars of each base ring are only connected to one another via the measuring plates shear stresses occur in these.

Der erfindungsgemäße Federkörper ist somit einfach im Aufbau und benötigt auch keine große Baulänge.The spring body according to the invention is therefore simple in structure and required also not a great length.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform besteht darin, daß jeweils zwei am Umfang eines Basisringes angeordnete einander gegenüberliegende Stege vorgesehen sind, die jeweils beidseitig über die Meliplatten mit den Stegen des anderen Basisringes verbunden sind.An embodiment of the invention is that each two on the circumference of a base ring arranged opposite webs are provided are, each on both sides over the Meliplatten with the webs of the other base ring are connected.

Soll der Prüfkörper zum Bestimmen von hohen Druck- oder Zugkräften verwendet werden, so ist es hingegen von Vorteil, wenn jeder Basisring vier im Abstand von 900 am Umfang angeordnete Stege aufweist, zwischen die jeweils die vier Stege des anderen Basisringes ragen, wobei die Stege Jeweils beidseitig über die Meßplatten mit den Stegen des anderen Basisrlnges verbunden sind.Should the test body determine high compressive or tensile forces are used, on the other hand it is advantageous if any base ring has four webs arranged at a distance of 900 on the circumference, between each the four bars of the other base ring protrude, the bars on both sides are connected to the webs of the other base length via the measuring plates.

Auf diese Weise verteilen sich die Kräfte auf insgesamt acht MeX+Dlatten.In this way, the forces are distributed over a total of eight MeX + battens.

Von Vorteil ist es, wenn die Dehnungsmeßstreifen Jeweils in einem Winkel von 450 zur Kraftflußrichtung liegen.It is advantageous if the strain gauges are each in one Angle of 450 to the direction of force flow.

Da die größte Schubspannung stehts in einem Winkel von 450 zur Kraftrlußrichtung auftritt, wird durch diese Anordnung der Dehnungsmeßstreifen die höchste Meßgenauigkeit erzielt.Since the greatest shear stress is at an angle of 450 to the direction of force flow occurs, this arrangement of the strain gauges ensures the highest measurement accuracy achieved.

Eine einfache konstruktive Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Basisring die Stege und die Meßplatten als hUlsenartiger Körper ausgebildet sind und zwar derart, daß die Stege und die Xeßplatten die Hülsenwand bilden, wobei die Trennung zwischen den Stegen und Meßplatten durch Aussparungen in der Hülsenwand gebildet ist.A simple structural development of the invention consists in that the base ring, the webs and the measuring plates are designed as a sleeve-like body are in such a way that the webs and the Xeßplatten form the sleeve wall, wherein the separation between the webs and measuring plates through recesses in the sleeve wall is formed.

Durch diese Ausbildung läßt sich der Prüfkörper ohne hohen Aufwand auf einfache Weise herstellen. Im wesentlichen ist lediglich dafür zu sorgen, daß in den hülsenartigen Körper entsprechend Aussparungen quer zur Kraftflußrichtung so anzuordnen sind, daß sich die gewünschte Schubspannung in den Meßplatten einstellt. Bei einer derartigen Ausbildung des Prüskörpers ist der uebergang zwischen den Stegen und Meßplatten somit fließend.With this training, the test specimen can be carried out without great effort manufacture in a simple way. Essentially, it is only necessary to ensure that in the sleeve-like body corresponding recesses transversely to the direction of force flow are to be arranged so that the desired shear stress in the Measuring plates adjusts. With such a design of the test body, the transition is thus flowing between the webs and measuring plates.

Von Vorteil ist es dabei, wenn die Meßplatten an ihren äußeren Umfangswänden im mittleren Bereich jeweils zwischen zwei Stegen abgeflacht sind und die Dehnungsmeßstreifen jeweils an den äußeren Umfangswänden angeordnet sind.It is advantageous if the measuring plates on their outer circumferential walls are flattened in the middle area between two webs and the strain gauges are respectively arranged on the outer peripheral walls.

Auf diese Weise ergibt sich in der Meßzone eine Materialschwächung, wodurch die Meßgenauigkeit erhöht wird.This results in a material weakening in the measuring zone, whereby the measurement accuracy is increased.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Basisringe zur Verbindung mit dem Prüfkörper mit Innengewinden versehen sind.According to the invention it is also provided that the base rings for connection are provided with the test body with internal threads.

Statt mit Innengewinden können die Basisringe selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auch mit einem Flansch versehen sein, über den die Befestigung mit dem Prüfkörper erfolgt.Instead of internal threads, the base rings can of course be in The scope of the invention can also be provided with a flange via which the attachment takes place with the test body.

Je nach dem zu :rwartenden KräÍten, kamin der Prüfkörper mit mehr oder weniger Stegen und Meßplatten versehen sein.Depending on the forces to be expected, the test specimen came with more or less bars and measuring plates may be provided.

Nachfol;end ist; ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung dargestellt.Successor; end is; an embodiment of the invention on the basis of Drawing shown.

Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen PrU£-körpers; Fig. 2 Schnitt II - II nach der Fig. 1; Fig. 5 Schnitt III - III nach der Fig. 1,' Fig. 4 Schnitt IV - IV nach der Fig. 1; Fig. 5 ausschnittsweise eine Abwicklung der Umfangswand; Fig. 6 Schubspannungs - und Biegemomentenverlauf.1 shows a side view of the test body according to the invention; Fig. 2 section II - II according to FIG. 1; Fig. 5 Section III - III according to Fig. 1, 'Fig. 4 section IV - IV according to FIG. 1; 5 shows a detail of a development of the peripheral wall; Fig. 6 Shear stress and bending moment curve.

Der Prüfkörper w&ist vier Stege 1, 2, 7 und 4 auf.The test body w & has four webs 1, 2, 7 and 4.

Die Stege 1 und 2 sind direkt mit einem Basisring 6 und die Stege 5 und 4 mit einem Basisring 5 verbunden.The webs 1 and 2 are directly with a base ring 6 and the webs 5 and 4 connected to a base ring 5.

Die vier Steg sind nun beidseitig Jeweils Uber dazwischenliegend Meßplatten 7, 8, 9 und 10 miteinander verbunden. Die Meßplatten 7 - 10 besitzen dabei keine direkte Verbindung mit den Basisringen 5 bzw. 6. Dies wird insbesondere aus der Fig. 1 durch die Aussparungen 11, 12 und 13 ersichtlich.The four webs are now on both sides via measuring plates in between 7, 8, 9 and 10 connected to each other. The measuring plates 7-10 do not have any direct connection to the base rings 5 and 6, respectively. This is particularly evident from the 1 through the recesses 11, 12 and 13 can be seen.

Der Federkörper ist wie Körper aufgebaut. Die Menplatten 7 - 10 sind jeweils am Außenumfang ubgeflacht, wobei sich die dürtrste Stelle Jeweils in der Mltte zwischen zwei Stegen befinden.The spring body is constructed like a body. The menu plates 7-10 are each flattened on the outer circumference, with the thinnest point in each case in the Should be between two piers.

An dieser Stell sind auch jeweils am Außenumfang Dehnungsmeßstreifen 14 angeordnet. Der Grund hierfür liegt darin, ddb in diesem Bereich keine Biegemomente auftreten, die das Meßergebnis verfalschen könnten. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Dehnungsmeßstreifen in einem Winkel von 45° zur Kraftflußrichtung angeordnet, weil hierbei der Schubspannungsverlauf am größten ist.At this point there are also strain gauges on the outer circumference 14 arranged. The reason for this is that there are no bending moments in this area occur that could falsify the measurement result. As can be seen from Fig. 1, are the strain gauges at an angle of 45 ° to the direction of force flow arranged because this is where the shear stress curve is greatest.

Zur Verbindung mit einem Prüfkörper sind die beiden Basisringe 5 und 6 jeweils mit Innengewinden 15 bzw.For connection to a test body, the two base rings 5 and 6 each with internal thread 15 resp.

16 versehen.16 provided.

Zur Stromversorgung sowie zum Abgrciffen der Meßspannung dient eine Steckdose 17 (strichliert dargestellt), die an einem mit dem Basisring 5 verbundenen Befestigungsstab 18 angeordnet ist.A is used for power supply and for tapping the measuring voltage Socket 17 (shown in dashed lines) connected to one of the base ring 5 Fastening rod 18 is arranged.

Die Wirkungsweise des Federkörpers wird aus den Fig. 5 und 6 am besten ersichtlich. Die Fig. 5 zeigt ausschnittsweise die Abwicklung des Federkörpers.The operation of the spring body is best from FIGS. 5 and 6 evident. Fig. 5 shows a detail of the development of the spring body.

Wie ersichtlich verteilen sich die Zug- oder Druckkräfte über die Stege 1, 2 und 3, 4, wobei sie jeweils über die Meßplatten 7, 8 und 9 übertragen werden. Auf diese Weise kommt es in den Meßplatten 7> 8 und 9 zu Schubspannungen (siehe Fig. 6 obere Hälfte). In der Fig.As can be seen, the tensile or compressive forces are distributed over the Bars 1, 2 and 3, 4, whereby they are transferred via the measuring plates 7, 8 and 9, respectively will. In this way, shear stresses occur in the measuring plates 7> 8 and 9 (see Fig. 6 upper half). In Fig.

6 ist in der unteren Hälfte auch der Biegemomentenverlauf in den Meßplatten dargestellt. Wie ersichtlich, liegt in der Mitte kein Biegemoment vor, weshalb, wie angegeben, in diesem Bereich die Dehnungsme?Bstreifnn 14 angeordnet sind.6 shows the bending moment curve in the measuring plates in the lower half shown. As can be seen, there is no bending moment in the middle, which is why, As indicated, the strain gauges 14 are arranged in this area.

Im allgemeinen wird man zur Meßung jeweils zwei sich spiegelbildlich ;egenfiber lieg;encle Dehnungsmeßstreifen zu einer Wheatstone-Brücke zusanrncnschalten. Derartige Schaltungen sind hinreichend bekannt (z. B. aus der DE-OS 21 04 00)) weshalb nachfolgend nicht näher darauf eingegangen wird Durch eine derartige Schaltung werden äußere Rinwirksungen, insbesondere Temperaturanderungen sowie ungleich Belastung der Stege kompensiert und haben somit keinen Einfluss auf die Meßspannung.In general, two mirror images of each other are used for the measurement ; on the other hand, connect the strain gauges to form a Wheatstone bridge. Such circuits are well known (e.g. from the DE-OS 21 04 00)), which is why it will not be discussed in more detail below Switching are external effects, in particular temperature changes and unequal The load on the webs is compensated and therefore has no influence on the measuring voltage.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Force transducer for measuring acting on a test body Forces.

P a t es n t a ii s p r u c h e: 1) Force transducer for measuring forces acting on a test body, in particular for measuring the forces acting on a Pulling and pushing forces acting on the tie rod of a vehicle steering system, with a spring body provided with strain gauges, which is connected to the test body is that the spring body a) two itself having opposing base rings (5, 6); b) any base ring (5, 6) with at least one circumferentially arranged and directed towards the other base ring Web is provided; c) the webs (1-4) over intermediate ones in the direction of force flow measuring plates arranged and essentially extending over the length of the web (7-10) are connected to one another; d) on the nut plates (7-10) approximately in the middle between two webs, strain gauges (14) for shear stress measurement are arranged.

2) Force transducer according to claim 1, d a d u r c n g e k e n n z e i c h n e t that in each case two on the circumference of a base ring (6) arranged one another Opposite webs (1, 2) are provided, each on both sides over the Measuring plates (7-10) connected to the webs (), 4) of the other base ring (5) are.

3) Force transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that each base ring (5, 6) four arranged at a distance of 90 ° on the circumference Has webs, between which the four webs of the other base ring protrude, the webs each on both sides over the measuring plates with the webs of the other Base ring are connected.

4) force transducer according to claim 1, 2 or 3, d a d u r a h g e k e n n z e i c h n e t that the strain gauges (14) each at an angle of 450 lie to the direction of force flow.

5) Krartautnehmer according to claim 1, 2, 5 or 4, a a d u r o h g e It is not indicated that the base rings (5, 6), the webs (1 - 4) and the measuring plates (7-10) are designed as a sleeve-like body in such a way that the webs (1 - 4) and the meplattan (7 - 10) form the sleeve wall, with the separation between the webs (1-4) and measuring plates (7-10) through recesses (11, 12, 13) in the Sleeve wall is formed.

6) Kraftaufne..mer according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the measuring plates (7 - io) on their outer circumferential walls in the middle Area between two webs are flattened and the strain gauges (14) Are arranged on the outer peripheral walls, respectively.

7) Force transducer according to one of claims 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n n n e i c h n e t that the base rings (5, 6) for connection to the test body are provided with internal threads (15, 16).