DE3240713C2

DE3240713C2 - Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten

Info

Publication number: DE3240713C2
Application number: DE3240713A
Authority: DE
Inventors: Hans W. 8890 Aichach Häfner
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1981-11-07
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1987-02-26
Also published as: GB2113854A; DE3240713A1; GB2113854B

Abstract

Beim Messen mehrerer auf ein Meßobjekt wirkende Kraftkomponenten, die auf Kräften eines strömenden Mediums beruhen, ist es erforderlich, daß alle auf das Meßobjekt wirkenden Kräfte rückwirkungsfrei erfaßt und ermittelt werden, um dadurch Meßungenauigkeiten weitestgehend auszuschalten. Ferner soll die Meßvorrichtung, insbesondere der Meßobjektträger im konstruktiven Aufbau einfach und kompakt, das heißt raumsparend ausgebildet sein. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Führung des Meßobjektträgers (3) als Zylinder (1) ausgebildet ist, der im Lagersystem (5, 6) in der Z-Achse dreh- und längsbeweglich hydrostatisch geführt ist, und daß der Zylinder (1) sowohl mit einem Drehantrieb (8, 9, 10, 11) als auch mit einer Drehwinkelmeßeinrichtung in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 26 24 647 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten bekannt, welche ein Lagerungssystem für Objekträger aufweist, das aus drei Führungsanordnungen besteht. Zwischen diesen drei Führungsanordnungen sind hydrostatische Lager vorgesehen, die eine Bewegung des Objektträgers nach allen Richtungen hin zulassen. Da sowohl Objektträger als auch die Führungsanordnungen von Kraftmeßeinrichtungen gehalten werden, können alle Kraftkomponenten der auf das Meßobjekt einwirkende Kräfte erfaßt und ermittelt werden. Der Objektträger ist in der zylindrischen ersten Führung in Z-Richtung beweglich geführt und wirkt auf ein erstes Kraftmeßelement. Die zylindrische erste Führung ist über waagrechte Flansche in hydrostatischen Lagern in horizontaler Richtung beweglich geführt und mit in dieser Richtung wirkenden Kraftmeßelementen verbunden. Die zweite Führung ist wiederum schwenkbeweglich um eine vertikale und eine horizontale Achse gelagert und durch Kraftmeßelemente an einer derartigen Bewegung gehindert. Die Anordnung ist verhältnismäßig platzaufwendig, außerdem kann das Meßobjekt im Strömungskanal um die vertikale Achse nur gegenüber dem Objektträger verdreht werden, was eine komplizierte Koordinatenumrechnung auf das Koordinatensystem der Meßanordnung erforderlich macht. Es ist also nur eine objektbezogene Messung möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, bei der neben der objektbezogenen Messung auch eine auf die Meßvorrichtung bezogene Kraftmessung möglich ist und ferner trotz dieser weiteren Meßmöglichkeit der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung platzsparender ausgestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kraftmeßvorrichtung ermöglicht ein Verdrehen der zylindrischen ersten Führung zusammen mit dem Objektträger, so daß ein Großteil der Kraftkomponenten bzw. -momente im Koordinatensystem der Meßvorrichtung gemessen wird.
Von erfindungsgemäßer Bedeutung ist ferner die Weiterbildung der Krafmeßvorrichtung gemäß Anspruch 5, die zu einer sehr gedrängten Bauweise führt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten im Längsschnitt
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-B in Fig. 1.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten besteht aus einem als Führung ausgebildeten Zylinder 1, der an seinem oberen Ende ein kastenförmig ausgebildetes Gehäuse 2 aufweist, in dem ein kugelförmiger Objektträger 3 zwischen hydrostatischen Lagern 4 dreh- und schwenkbeweglich gelagert ist. Der Zylinder 1 ist seinerseits wiederum in Schwenklagern 5 und 6 in der Z-Achse dreh- und längsbeweglich hydrostatisch geführt. Das Schwenklager 5 ist seinerseits ebenfalls in hydrostatischen Lagern 7 in horizontaler Richtung beweglich geführt. Am Führungszylinder 1 ist ein Zahlradkranz 8 befestigt, der über ein Zahnrad 9 und Getriebe 10 mit einem Antriebsmotor 11 in Verbindung steht. Dieser aus den Antriebselementen 8, 9, 10 und 11 bestehende Drehantrieb in unter Zwischenschaltung eines Lagers 12 auf einen Drehmomentenarm 13 angeordnet, der, wie Fig. 2 zeigt, seinerseits in einem hydrostatischen Lager 14 vertikal, d. h. parallel zur Z-Achse beweglich geführt ist. Das hydrostatische Lager 14 ist an einem zylindrischen Gehäuse 15 außen angeordnet, das die beiden hydrostatischen Schwenklager 5 und 6 miteinander verbindet.
Nach unten hin ist der Führungszylinder 1 durch einen Deckel 16 abgeschlossen, der sich über ein hydrostatisches Lager 17 mit Fortsatz 18 auf einem Querträger 19 abstützt, welcher an seinem rechten Ende mit einem Steg 20 nach unten hin schwenkbeweglich gehalten ist.
Um die im Bereich der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung auf das mit dem Objektträger 3 fest verbundene, in der Zeichnung nicht dargestellte Meßobjekt wirkenden Kraftkomponenten bzw. Momente MX, MY, MZ rückwirkungsfrei erfassen und messen zu können, sind am Gehäuse 2 Meßwertgeber 21, 22 und 23 angeordnet, die mit dem Objektträger 3 über Übertragungselemente 24, 25 und 26 und Momentenarme 27, 28 in Verbindung stehen. Mit Hilfe der Meßwertgeber 21, 22 und 23 können sehr vorteilhaft die Momente MX, MY um die vertikale Achse und das Moment MZ um die horizontale Achse genau erfaßt und ermittelt werden. Als Meßwertgeber können hierfür sehr vorteilhaft an sich bekannte, auf Druck oder Zug wirkende elektromechanische Dehnungsmeßstreifenkraftaufnehmer und piezo-elektrische Druckkraftaufnehmer verwendet werden.
Um auch die in vertikaler Richtung auf das Meßobjekt und damit auf den Objektträger 3 wirkenden Kräfte genau erfassen bzw. messen zu können, ist am unteren linken Ende der in der Zeichnung dargestellten Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ein Meßwertgeber 29 vorgesehen, der über ein Verbindungselement 30 mit dem Querträger 19, Fortsatz 18, Lager 17 und Deckel 16 mit dem Führungszylinder 1 in Verbindung steht. Da der über den Drehantrieb mit dem Führungszylinder 1 in Verbindung stehende Drehmomentenarm 13 im hydrostatischen Lager 14 parallel zur Z-Achse reibungsfrei geführt ist, können mit Hilfe des Meßwertgebers 29, die auf das Meßobjekt in vertikaler Richtung wirkenden Kräfte sehr genau gemessen bzw. ermittelt werden. Der Meßwertgeber 29 kann hierbei gegebenenfalls auch sehr vorteilhaft unmittelbar unterhalb des Fortsatzes 18 vorgesehen werden, so daß Querträger, Verbindungselemente etc. entfallen können. Zur Messung der auf das Meßobjekt in horizontaler Richtung wirkenden Kräfte sind wenigstens zwei Meßwertgeber 31 vorgesehen, die über Verbindungselemente 32 am Schwenklager 5 (vorzugsweise um einen Winkel von 90° gegeneinander versetzt) angreifen, in dem der Zylinder 1 mit Objektträger 3 geführt ist.
Ferner kann mit Hilfe des aus den Elementen 8, 9, 10 und 11 bestehenden Drehantriebes sehr vorteilhaft der Führungszylinder 1 mit dem Objektträger 3 und dem daran befestigten Meßobjekt um die Z-Achse beliebig gedreht werden. Um auch die auf das Meßobjekt wirkenden Kräfte erfassen und messen zu können, welche auf den Führungszylinder 1 übertragen werden und in Drehrichtung um die Z-Achse wirken, ist sehr vorteilhaft im Drehantrieb eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Drehwinkelmeßeinrichtung integriert. Auch für die Messung der Kräfte, die über den Führungszylinder 1 und Drehantrieb auf den Drehmomentenarm 13 übertragen werden, ist eine Kraftmeßeinrichtung 33 vorgesehen, die, wie Fig. 2 zeigt, im Drehmomentenarm 13 integriert ist.
Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung dient vor allem zum Ermitteln aerodynamischer Kräfte, die beispielsweise auf ein in einem Windkanal geprüftes Meßobjekt wirken, das beispielsweise ein Flugmodell, ein Bauelement der Luft- und Raumfahrt, sowie ein Modell von Kraftfahrzeugen, Hochbauten und/oder Teilen davon sein kann.
Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie insbesondere in der Zeichnung dargestellt ist, ermöglicht somit einerseits sehr vorteilhaft eine sehr genaue, insbesondere rückwirkungsfreie Messung aller auf das Meßobjekt wirkenden Kräfte und zeichnet sich darüberhinaus auch durch die kompakte und damit raumsparende Bauweise besonders aus.

Claims

Vorrichtung zum Messen mehrerer Kraftkomponenten, insbesondere von Kraftkomponenten, die auf Kräften eines strömenden Mediums beruhen, welche auf ein Meßobjekt wirken, mit einem Objekträger, der beweglich in einer zylinderförmigen ersten Führung angeordnet ist, die wiederum beweglich in einer zweiten Führung angeordnet ist, wobei Kraftmeßelemente für die Kraftkomponenten den Objektträger und die beiden Führungen an einer Bewegung zueinander hindern, obwohl sie durch hydrostatische Lager zueinander praktisch reibungsfrei gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zylindrische Führung (1) in Z-Richtung in der zweiten Führung beweglich auf ein erstes (29) der Kraftmeßelemente wirkt.
daß der Objektträger (3) über mindestens ein weiteres Kraftmeßelement (21, 22, 23) mit der ersten Führung (1) verbunden ist, und
daß die erste Führung (1) mit der zweiten Führung (5, 6, 15) über einen Drehantrieb (8, 9, 10, 11) in Verbindung steht, mit dem die erste Führung (1) gegenüber der zweiten Führung (5, 6, 15) um die Z-Achse verdrehbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (8, 9, 10, 11) über einen mit ihm verbundenen Drehmomentenarm (13) versehen ist, der in Z-Richtung in einem an der zweiten Führung (5, 6, 15) angebrachten hydrostatischen Lager (14) geführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Drehmomentenarm (13) eine Kraftmeßeinrichtung (33) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Führung horizontal in hydrostatischen Lagern (7) geführt und mit mindestens einer in einer horizontalen Richtung wirkenden Kraftmeßeinrichtung (31) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektträger (3) kugelförmig ausgebildet und in einem kastenförmigen Gehäuse (2) am oberen Ende der ersten Führung (1) in hydrostatischen Lagern (4) dreh- und schwenkbeweglich gelagert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehantrieb (8, 9, 10, 11) eine Winkelmeßeinrichtung zugeordnet ist.