Устройство для измерения деформации конструктивного элемента (варианты)

 

Изобретение используется в измерительных приборах для уменьшения затрат труда. В устройстве для измерения деформации конструктивного элемента предлагаются конструкции из передаточного звена и одного или двух датчиков. Датчик выполнен по типу датчика, имеющего измерительную поверхность и подающего зависимый от деформации измерительной поверхности электрический сигнал. Передаточное звено опирается с одной стороны на датчик, а с другой стороны на конструктивный элемент или другой датчик. При деформации конструктивного элемента изменяется расстояние между опорными местами передаточного звена. Это изменение расстояния производит деформацию измерительной поверхности датчика, оцениваемую как меру деформации конструктивного элемента. Изобретение позволяет уменьшить затраты на создание устройства. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к устройству для измерения деформации конструктивного элемента.

Известны датчики обычной конструкции, часто используемой в качестве датчика давления или усилия (см. "Технический паспорт датчика давления D9/D7 фирмы "WIKA").

При использовании устройств такого рода обычно на конструктивный элемент помещаются наклеенные или по-иному закрепленные (например, "aufgespatterte" - микро-точечная варка) измерительные элементы, например, на основе тензометрических полосок. Закрепление этих измерительных элементов должно осуществляться с большой тщательностью, что требует больших затрат труда.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для измерения деформации конструктивного элемента, содержащее передаточное звено, расположенное в выемке конструктивного элемента (см. D E, N 2424487, G 01 B 7/16, 1976).

Недостатком данного устройства являются большие затраты труда.

В основу изобретения положена задача создания с помощью простых средств устройства названного вида, которое осуществимо с наименьшими затратами.

Эта задача решается за счет изобретения, приведенного в пп. 1 и 7 формулы изобретения. Предпочтительные дальнейшие осуществления приведены в дополнительных пунктах формулы изобретения.

Закрепление измерительных элементов в известных устройствах, несмотря на тщательное осуществление, не всегда обеспечивает устойчивость, требующуюся для долговременной эксплуатации серийных изделий. В то же время изобретение без проблем обеспечивает эту устойчивость.

Изобретение может использоваться во всех технических областях, в которых возникает решаемая им проблема.

Изобретение обеспечивает практически независимый от температурных воздействий результат измерения, когда для конструктивного элемента и передаточного звена используются материалы с одинаковым коэффициентом теплового расширения, следовательно, например, одинаковый материал для них обоих.

Дальнейшие преимущества изобретения можно видеть из их пояснения с помощью изображенных на чертежах примеров осуществления: на фиг. 1 - первый принципиальный пример осуществления; на фиг. 2 - второй принципиальный пример осуществления; на фиг. 3, 4 - третий принципиальный пример осуществления; на фиг. 5 - четвертый принципиальный пример осуществления; на фиг. 6, 7 - следующий принципиальный пример осуществления; на фиг. 8 - пример осуществления с помощью случая применения в дышловом сцепном устройстве; на фиг. 9 - пример осуществления с помощью случая применения в опорносцепном устройстве.

На фиг. 1 конструктивный элемент 4 произвольным и поэтому не описываемым более подробно образом установлен в структуре 5, 6, 7, 8 так, что он должен воспринимать силы и по меньшей мере изгибающие моменты.

Конструктивный элемент 4 имеет внутреннюю, проходящую в его продольном направлении выемку 2. Выемка на концах 2 закрыта. На одном конце закрытие осуществляется за счет датчика 9. Датчик 9 произвольным обычным и надлежащим образом закреплен в конструктивном элементе 4. Датчик 9 выполнен по типу датчика, имеющего измерительную поверхность и подающего зависимый от деформации этой измерительной поверхности электрический сигнал. Такого рода датчики имеются на рынке в многочисленных модификациях. Они часто используются и обозначаются как датчики давления или усилия.

В выемке 2 расположено передаточное звено 3, которое с одной стороны опирается на измерительную поверхность датчика 9, а с другой стороны - на другой закрытый конец выемки 2. Боковое положение передаточного звена 3 может фиксироваться неизображенным образом за счет обычных мероприятий по центрированию в зоне концов выемки 2 или за счет надлежащих обычных мероприятий по установке в выемке 2.

Передаточное звено 3 изображено центрально по отношению к конструктивному элементу, но оно также может находиться вне центра.

Если конструктивный элемент 4 нагружается силами, соответственно компонентами сил, в его продольном направлении, как это обозначено с помощью двойной стрелки F-F', то являющееся результатом этого изменение расстояния между опорными местами передаточного звена 3 и тем самым изменение длины конструктивного элемента 4 переносится с передаточного звена 3 на измерительную поверхность датчика 9, после чего эта поверхность деформируется и датчик 9 подает соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал, далее называемый сигналом деформации, может также оцениваться как силовой сигнал, характеризующий результирующую силу.

В упомянутом случае, когда передаточное звено 3 и тем самым конструкция из датчика 9 и передаточного звена 3 расположены в конструктивном элементе 4 нецентрально, пример осуществления является пригодным также для измерения деформаций от сил, соответственно компонентов сил, в поперечном направлении, как это обозначено с помощью двойной стрелки Q-Q', соответственно самих сил и соответствующих изгибающих моментов. В этом случае передаточное звено 3 и датчик 9 находятся вне нейтрального волокна конструктивного элемента 4, так что передаточное звено 3 передает на датчик 9 соответствующие его положению в конструктивном элементе 4 изменения длины за счет этих сил, соответственно изгибающих моментов.

Для обеспечения возможности измерений в обоих направлениях двойной стрелки F-F' и/или двойной стрелки Q-Q' является целесообразным осуществление опоры передаточного звена 3 таким образом, чтобы оно уже при свободном от сил конструктивном элементе 4 создавало предварительное напряжение датчика 9, то есть конкретно: предварительно деформировало его измерительную поверхность. Тогда датчик 9 при свободном от сил конструктивном элементе подает основной сигнал, который модулируется в соответствии с воспринимаемыми конструктивным элементом силами и/или изгибающими моментами.

Предварительное напряжение датчика 9 предпочтительно простым образом может быть достигнуто и сделано регулируемым за счет того, что противолежащий датчику 9 конец выемки 2 закрыт резьбовой пробкой 1, на которую опирается передаточное звено 3 на этом конце. С помощью резьбовой пробки 1 может регулироваться положение передаточного звена 3 по отношению к датчику 9 и тем самым его предварительное напряжение. Если от преимущества регулируемости отказываются или если это преимущество может быть достигнуто по-другому, закрытие соответствующего конца выемки 2 также может осуществляться любым другим образом.

В примере осуществления в соответствии с фиг. 2 выемка на противолежащем датчику 9 конце закрыта такого же вида датчиком 10, на который на этом конце опирается передаточное звено 3.

На основании сигналов деформации обоих датчиков 9, 10 в этом случае может получаться усиление сигналов за счет суммирования или за счет усреднения образования средней величины сигнала.

Датчик 10 установлен в резьбовой пробке 11, ввинченной на соответствующем конце выемки 2 в конструктивный элемент 4. С помощью резьбовой пробки 11 является возможной регулировка положения передаточного звена 3 по отношению к датчикам 9, 10 и тем самым достижение и регулировка предварительного напряжения обоих датчиков 9, 10 для названной выше цели.

В примере осуществления согласно фиг. 3 и 4 конструктивный элемент 4 и опорные части 15, 16 образуют контропору. Через места ввода силы 13, 14 в одной опорной части 15 в контропору вводятся силы так, как показано с помощью двойных стрелок Q₁ - Q₁' и Q₂ - Q₂', в двух перпендикулярных друг другу поперечных направлениях, которые нагружают конструктивный элемент 4 на изгиб.

В конструктивный элемент 4 помещены две конструкции из передаточных звеньев 3 и датчиков 9, аналогичных передаточным звеньям и датчикам в соответствии с первым примером осуществления. Отличие этих конструкций от конструкций в соответствии с первым примером осуществления состоит в том, что для достижения и регулировки предварительного напряжения датчик 9, как и датчик 10 примера осуществления в соответствии с фиг. 2, установлен в резьбовой пробке 11 и противолежащий конец выемки прочно закрыт.

Конструкции из передаточного звена 3 и датчика 9 находятся в конструктивном элементе 4 нецентрально со смещением на 90^o друг рядом с другом, причем передаточные звенья 3 расположены параллельно продольной оси (А-А) конструктивного элемента, но соответственно центрально по отношению к одному из поперечных направлений Q₁ - Q₁' и Q₂ - Q₂'. За счет этого каждая конструкция из передаточного звена 3 и датчика 9 является эффективной лишь для той силы в поперечном направлении, по отношению к которой она расположена центрально.

В отношении силы соответственно в другом поперечном направлении каждая конструкция расположена в нейтральном волокне.

При оценке сигналов деформации датчиков 9 как силовых сигналов эта конструкция обеспечивает возможность определения направления результирующей силы, соответственно плоскости результирующего изгибающего момента. Наоборот, эта конструкция в тех случаях, в которых сила или результирующая сила в произвольном направлении или изгибающий момент в произвольной плоскости действуют на конструктивный элемент 4, обеспечивает возможность определения их компонентов в поперечных направлениях Q₁ - Q₁' и Q₂ - Q₂'.

На фиг. 5 предусмотрены две конструкции из датчиков 9 и передаточных звеньев 3 под одинаковыми по величине углами α и αʹ относительно продольной оси (А-А) обозначенного здесь ссылочной позицией 20 конструктивного элемента, однако с противоположным друг к другу наклоном.

Этот пример осуществления обеспечивает возможность измерения напряжений сдвига, вызываемых за счет изгибающих моментов в конструктивном элементе 20. Сигналы деформации обоих датчиков 9 подводятся к схематически обозначенному суммирующему устройству 21. Суммирующее устройство 21 взаимно уничтожает доли сигналов деформации, обусловленные напряжениями изгиба, и выдает доли сигналов деформации, вызванные напряжениями сдвига.

В примере осуществления согласно фиг. 6 и 7 конструктивный элемент 30, показанный на фиг. 6 в виде сверху, неподвижно по вращению зажат в позиции 31. На фиг. 6 далее приведена наклоненная к продольной оси (А-А) конструктивного элемента 30 линия разреза. Эта линия разреза является линией проникновения (В-В) плоскости, расположенной вертикально на чертеже.

На фиг. 7 показан разрез конструктивного элемента 30 в плоскости, охарактеризованной линией проникновения (В-В). Из фиг. 7 можно видеть, что в этой плоскости помещены две конструкции из датчиков 9 и передаточных звеньев 3. Каждая из этих конструкций расположена под одинаковым по величине углом β , соответственно βʹ , по отношению к поперечной оси конструктивного элемента 30, однако с противоположным друг к другу наклоном.

При этой конструкции опорные места передаточного звена 3 находятся в поперечных сечениях конструктивного элемента 30, различным образом расширяемых под воздействием вращающих моментов. Различия в растяжении в этих поперечных сечениях передаточные звенья 3 переносят на соответствующий датчик 9. Поэтому сигналы деформации датчиков 9 в этом примере осуществления являются особенно пригодными для измерения действующих на конструктивный элемент 30 вращающих моментов, соответственно вращающих сил.

Устройство согласно этому примеру осуществления действует описанным образом также в том случае, когда предусмотрена лишь одна конструкция из датчика 9 и передаточного звена 3.

В примере осуществления плоскость, охарактеризованная линией проникновения В-В, пересекает конструктивный элемент 30 и плоскость чертежа под прямым углом. Это не должно быть обязательным. Соответствующая плоскость может пересекать конструктивный элемент 30 и плоскость чертежа также под другими углами.

В примере осуществления согласно фиг. 8 схематически показано в качестве примера осуществления дышловое сцепное устройство. В технической области дорожных транспортных средств такого рода дышловые сцепные устройства используются, например, для соединения дышлового прицепа с тяговым вагоном.

Конструктивный элемент 4 в этом случае неподвижно соединен с тяговой серьгой 40 и переносит исходящие от нее силы на структуру 5, 6, 7, 8, которую в этом случае следует рассматривать как составную часть тягового вагона. Для уменьшения ударов в нормальном случае некоторые составляющие 6, 7 этой структуры состоят из эластомера.

В конструктивном элементе 4 вне центра помещены две конструкции из датчиков 9 и передаточных звеньев 3 согласно примеру осуществления в соответствии с фиг. 1. Сигнал деформации в этом случае оценивается как силовой сигнал, характеризующий результирующую дышловую силу, соответственно результирующий дышловой изгибающий момент.

В примере осуществления согласно фиг. 9 в качестве случая применения схематически показано опорно-сцепное устройство. В технической области дорожных транспортных средств такое опорно-сцепное устройство используется на тяговом транспортном средстве для соединения этого транспортного средства с седельным прицепом.

Этот пример осуществления соответствует примерам осуществления согласно фиг. 3 и 4. Одна опорная часть 15, имеющая там места ввода силы 13 и 14, развита здесь далее до плиты сцепного устройства 50 и соответственно неподвижно соединена с такой плитой.

В этом примере осуществления седельная плита 50 переносит на конструктивный элемент 4 результирующую силу, соответственно результирующий изгибающий момент, чьи компоненты в поперечных направлениях Q₁ - Q₁' и Q₂ - Q₂' определяют конструкции из датчиков деформации 9 и передаточного звена 3. Это определение требуется в связи с тем, что компоненты оцениваются для различных целей. Компонента в вертикальном направлении Q₁ - Q₁' может оцениваться, например, для зависимого от нагрузки регулирования тормозного давления, компонента в горизонтальном направлении Q₂ - Q₂' может оцениваться, например, для так называемого регулирования силы сцепки.

В том случае, если из приведенных выше пояснений не следует ничего противоречащего, то пояснения, данные к одному примеру осуществления, являются непосредственно или при соответствующем применении действующими также для других примеров осуществления. Примеры осуществления и соответственно вытекающие из них принципы изобретения также могут использоваться при их комбинировании.

Специалист может видеть, что область охраны настоящего изобретения не описывается исчерпывающим образом за счет примеров осуществления и охватывает все те осуществления, признаки которых подпадают под пункты формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения деформации конструктивного элемента, содержащее передаточное звено, расположенное в выемке конструктивного элемента, отличающееся тем, что в него введен расположенный с возможностью закрытия выемки датчик с измерительной поверхностью, выполненный с возможностью выдачи зависимого от деформации измерительной поверхности электрического сигнала, причем передаточное звено с одной стороны расположено с возможностью опоры на измерительную поверхность датчика, а с другой стороны - на другой закрытый конец выемки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введена по меньшей мере одна конструкция из датчика с измерительной поверхностью и передаточного звена.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительными поверхностями и передаточных элементов размещены в конструктивном элементе под одинаковыми по величине углами α, αʹ по отношению к продольной оси конструктивного элемента и с противоположным друг другу наклоном.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конструкция из датчика с измерительной поверхностью и передаточного звена расположена в наклоненной по отношению к продольной оси конструктивного элемента плоскости под углом β к поперечной оси конструктивного элемента.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительными поверхностями и передаточных звеньев расположены в наклоненной по отношению к продольной оси конструктивного элемента плоскости под одинаковыми по величине углами β, βʹ по отношению к поперечной оси конструктивного элемента и с противоположным друг другу наклоном.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительными поверхностями и передаточных звеньев расположены нецентрально в конструктивном элементе со смещением на 90^o друг рядом с другом, причем передаточные звенья расположены параллельно продольной оси конструктивного элемента.

7. Устройство для измерения деформации конструктивного элемента, содержащее передаточное звено, расположенное в выемке конструктивного элемента, отличающееся тем, что в него введены расположенные в конструктивном элементе два датчика с измерительной поверхностью, выполненные с возможностью выдачи зависимых от деформаций их измерительных элементов поверхностей электрических сигналов, причем передаточное звено расположено между датчиками с возможностью опоры на их измерительные поверхности.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в него дополнительно введена по меньшей мере одна конструкция из датчиков с измерительной поверхностью и расположенного между ними передаточного звена.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительными поверхностями и расположенного между ними передаточного звена размещены в конструктивном элементе под одинаковыми по величине углами α, αʹ по отношению к продольной оси конструктивного элемента и с противоположным друг другу наклоном.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что конструкция из датчиков с измерительными поверхностями и расположенного между ними передаточного звена размещена в наклоненной по отношению к продольной оси конструктивного элемента плоскости под углом β к поперечной оси конструктивного элемента.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительными поверхностями и расположенного между ними передаточного звена расположены в наклоненной по отношению к продольной оси конструктивного элемента плоскости под одинаковыми по величине углами β, βʹ по отношению к поперечной оси конструктивного элемента и с противоположным друг другу наклоном.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что две конструкции из датчиков с измерительной поверхностью и расположенного между ними передаточного звена расположены нецентрально в конструктивном элементе со смещением 90^o друг рядом с другом, причем передаточные звенья расположены параллельно продольной оси конструктивного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9