CH420664A

CH420664A - Dehnungs- und Kraftmesser

Info

Publication number: CH420664A
Application number: CH1019264A
Authority: CH
Inventors: Wirth Armin
Original assignee: Wirth Armin
Priority date: 1964-08-04
Filing date: 1964-08-04
Publication date: 1966-09-15
Also published as: SE308035B

Description

Dehnungs- und Krafünesser
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungs- und Kraftmesser.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass ein Bedürfnis für ein Messinstrument besteht, welches entweder eine kleine Längenänderung oder eine verhältnismässig kleine Kraft in eine praktisch proportionale Drehung eines in bezug auf eine Skala beweglichen Teiles umsetzt.

Der erfindungsgemässe Dehnungs- und Kraftmesser ist gekennzeichnet durch mindestens zwei eine gemeinsame Rotationsachse aufweisende, mit Bezug aufeinander drehbare Organe, die durch mindestens einen an ihren Rändern befestigten, windschief zur Achse angeordneten Stab verbunden sind, so dass die Relativdrehung der beiden Organe als Mass für die Kraft oder die Dehnung dient.

In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt:
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dehnungsmessers,
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Geometrie der Fig. 1,
Fig. 3 ein Kugelgelenk,
Fig. 4 die Charakteristik eines Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 für verschiedene Werte zweier Parameter,
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5,
Fig. 7 ein drittes sowohl als Dehnungs- als auch als Kraftmesser dienendes Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 eine Variante zu Fig. 7,
Fig. 9 eine weitere Ausbildung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 8,
Fig. 10 eine Variante zu Fig. 1,
Fig. 11 eine Variante zu Fig. 6,
Fig. 12 das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 mit Zeiger und Skala.

Die in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Achse 1, an welcher ein Arm 2 und ein Arm 3 drehbar und axial verschiebbar angeordnet sind. Diese beiden Arme 2, 3 sind durch einen mit Bezug auf die Achse 1 windschief angeordneten Stab 4 verbunden. Die Verbindung zwischen den Enden des Stabes 4 und denjenigen der Arme 2, 3 erfolgt mittels Kugelgelenk 5.

Fig. 3 zeigt beispielsweise ein spielfreies Kugelgelenk. Am Arm 3 (oder 2) ist eine Kugel 5a angebracht, welche in eine Bohrung 5b der Stange 4 mit wenig Spiel eingreift. Ein konischer Teil 5c der Bohrung ist in Kontakt mit der Kugel 5a, von einer, mittels der Schraube 5e an der Stange 4 befestigten Feder, leicht angedrückt. Andere Kugelgelenke, auch solche mit Spiel, sind möglich, wenn z. B. (nicht gezeichnet) mittels einer Feder der Stab 4 immer in einer Richtung, z. B. auf Druck, beansprucht wird.

Die Geometrie dieser Vorrichtung ist in Fig. 2 näher erläutert. Die Länge O1D des Armes 2 ist mit C1, die Länge 02C des Armes 3 mit r2, die Länge des Stabes 5 mit 1 bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Arm 3 und der achsenparallelen Projektion 02B des Armes 2 auf die Rotationsebene des Armes 3 ist mit ç bezeichnet. Ferner wird der Abstand der Punkte 0102 voneinander Z genannt.

Es sei noch:
1 1 r2 Z r1 r1 r1
Wird der Arm 3 von oben nach unten versetzt, so erfährt eine gewisse Drehung, die als Mass für die Veränderung des Abstandes Z gilt.

Wie es eine elementare Ableitung zeigt, ist m2 = las - a2 + 2a cos g, - 1
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von ç in Funktion von m für verschiedene a. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, hat jede Kurve einen Wendepunkt w (für alle II > 2), die bei ç etwas grösser als 900 (für alle n > 3) liegt.

Die Drehung des Stabes 3 gegenüber dem Stab 2 um den Winkel < phat zur Folger dass sich auch der Stab 4 gegenüber mindestens einem der Arme 3 bzw.

4 um eine Längsachse drehen muss. Ausserdem erfolgt eine Drehung der Stäbe 4 um die Achse je der Kurbel 2 bzw. 3. Es sind somit zur Verbindung der Kurbeln 2 bzw. 3 mit dem Stab 4 Kugelgelenke notwendig.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Arme 2, 3 sind durch Scheiben 6, 7 ersetzt. Diese Scheiben 6, 7 sind durch eine Anzahl von windschief angeordneten Stäben 8 verbunden. Die Stäbe 8 sind zweckmässig regelmässig verteilt und weisen Verjüngungen 9 auf, die als elastische Drehund Biegegelenke dienen.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei welcher eine Scheibe 6' und eine zweite Schar von Stäben 8' mit Bezug auf die Scheibe 7 spiegelsymmetrisch zur Scheibe 6 angeordnet sind.

In beiden Ausführungen bilden die Verjüngungen 9 virtuelle Gelenke, deren effektiver Gelenkpunkt etwa in der Mitte der Verjüngungen liegt. Die Verjüngungen sollen mit Bezug auf die Stäbe klein genug bemessen sein, so dass die Charakteristik des Messers nicht wesentlich beeinträchtigen. Mit elastischen Gelenken wird sowohl eine Abnützung als auch ein Spiel vermieden.

Fig. 7 ist t ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein zwischen zwei Scheiben 6 und 7 angeordneter Hohlzylider durch windschiefes Schlitzen eine Stabschar 10 bildet.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem zwischen den Scheiben 6, 6' und 7 zwei Hohlzylinderflächen 10 und 11 angeordnet sind, welche gegengleich windschief geschlitzt zwei Stabscharen 12 bilden. Wird die Messstrecke, d. h. der Abstand zwischen den Scheiben 6 und 6' lage- oder kraftschlüssig verändert, so erfährt die Scheibe 7 eine Verdrehung gegenüber den Scheiben 6, 6', wobei diese Verdrehung ein Mass für die Abstandsänderung der Scheiben 6, 6' bildet.

Die Charakteristik der Ausführungsbeispiele 7 und 8 weicht verhältnismässig stark von den Kurven der Fig. 4 ab. In der Tat wird jeder Stab der Stabscharen über eine ganze Länge verdreht, und an den Enden gegengleich gebogen. Ferner werden die Stäbe einem Längsdruck ausgesetzt, so dass ihre Länge verkürzt wird. Diese Verkürzung hat eine Verminderung der Verdrehung der Scheibe 7 gegenüber der Scheibe 6 bzw. den Scheiben 6, 6' zur Folge. Der Wendepunkt der Charakteristik wird hierdurch in
Richtung der kleineren Werte von ç verlegt.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das aus Scheiben 6, 7 und einer windschiefen Stabschar 10 besteht. Ferner ist eine weitere Scheibe 13 vorgesehen, die mittels einer achsparallelen Stabschar 14 mit der Scheibe verbunden ist. Die Stäbe 15 dieser Stabschar bilden ein reibungs- und spielfreies Gegenlager der Scheibe 7. Ein solches oder andersartiges Gegenlager (Axiallager) ist immer notwendig, wenn nicht zwei gegen-windschiefe Stabscharen angeordnet sind.

Man nehme zunächst an, dass die Stäbe 15 durch ideelle Gelenke mit den Scheiben 7 und 13 verbunden seien. Es ist einleuchtend, dass die Scheibe 7 bei kleinen Verdrehungen um die Längsachse ihren Abstand gegenüber der Scheibe 13 nicht wesentlich ändert, jedenfalls viel weniger als die gewollte Abstandsänderung zwischen den Scheiben 6 und 7 bei gleicher Verdrehung. Somit wirkt die Stabschar 15 wie ein reibungs- und spielfreies Axiallager, das allerdings in einem gewissen Ausmass die Charakteristik der Obersetzung beeinflusst, was deshalb bei der Forderung genauer Proportionalität der Obersetzung berücksichtigt werden muss.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1, 5 und 6 sind als Dehnungsmesser gedacht. Man kann sie aber auch als Kraftmesser verwenden. Hierzu genügt es, eine lineare Feder (hier angedeutet als Spiralfeder 16) an den Scheiben 6, 6' (Fig. 11) anzuschliessen. Der prinzipiell mit Fig. 10 dargestellte Kraftmesser hat eine Charakteristik, die ziemlich genau derjenigen der Fig. 4 entspricht, wobei jetzt M eine normierte Kraft bedeutet.

Beim ebenfalls prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist die Charakteristik nur dann ähnlich derjenigen der Fig. 4, wenn die Steifheit der durch die Verjüngung 9 gebildeten Gelenke, mit Bezug auf diejenigen der Feder 16, vernachlässigbar ist.

Hingegen kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 oder 8 ohne weiteres direkt auch als Kraftmesser dienen. Seine Gestaltung erlaubt ihm eine axiale Kraft aufzunehmen und sich entsprechend zu deformieren. Da die axialen Federkräfte mit zunehmenden q > abnehmen, ist die Charakteristik dieses Kräfte messers verschieden von derjenigen als Dehnungsmesser.

Die Nichtlinearität der Axial-Federkonstante hat zur Folge, dass der Wendepunkt der Kurve bei einem vorhanden ist, der kleiner ist als im Falle des Gebrauches als Dehnungsmessung.

In der obigen Beschreibung sind alle Ausführungsbeispiele ohne Zeiger und ohne Skala dargestellt worden. In Fig. 12 ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 mit Zeiger und Skala dargestellt.

In einem massiven Federkörper 20 mit einem Langlodhschlitz 21 ist in der Längsachse ein Messe element nach Fig. 8 befestigt. Ein Zeigerarm 22 mit einer Spitze 22a befestigt an der Scheibe 7 bestreicht eine Skala 23, welche am Federkörper 20 mittels der Arme 24 befestigt ist.

Die Skala 23 kann auch am Zeigerarm 22 befestigt sein. Die Arme 24 tragen in diesem Fall eine Ablesemarke und können eine optische Vcrgrösse- rungs einrichtung tagen.

An der Scheibe 7 kann zweckmässig ein Gegengewicht 25 zum Zeigerarm 22 befestigt werden, was die Messeinrichtung lageunempfindlich macht.

Es können auch technisch äquivalente Mittel verwendet werden, um die Drehung der Scheibe 7 anzuzeigen, und zwar sowohl für dieses als auch für die anderen Ausführungsbeispiele.

Claims

PATENTANSPRUCH Kraft- und Dehnungsmesser, gekennzeichnet durch mindestens zwei eine gemeinsame Rotationsachse aufweisende, mit Bezug aufeinander drehbare Organe, die durch mindestens einen, an ihren Rän dem befestigten, windschief zur Achse angeordneten Stab verbunden sind, so dass die Relativdrehung der beiden Organe als Mass für die Kraft oder die Dehnung dient.

UNTERANSPRÜCHE 1. Kraft- und Dehnungsmesser nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Organe koaxiale Scheiben sind, dass die erste Scheibe auf einer Achse fest angeordnet ist, und dass die zweite Scheibe auf dieser Achse drehbar und axial verschiebbar montiert ist.

2. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab mittels Kugelgelenken an den Scheibenrändern angebracht ist.

3. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Radien der Scheiben zwischen 1 und 10 liegt.

4. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 2, dadurch ge-kennzeichlnet, dass 1 mehrere Stäbe vorgesehen sind, die unmittelbar an den als koaxiale Scheiben ausgebildeten Organen angebracht sind.

5. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine mittlere Scheibe aufweist, die je durch eine Stabschar mit zwei anderen Scheiben verbunden ist.

6. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe an ihren Enden verjüngte Teile aufweisen, die als elastische Gelenke dienen.

7. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stabscharen spiegelsymmetrisch, mit Bezug auf die mittlere Scheibe, angeordnet sind.

8. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben gleichen Durchmessers durch eine geschlitzte zylindrische Mantelfläche verbunden sind.

9. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stabscharen durch geschlitzte Mantelflächen gebildet sind.

10. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stabscharen spiegelsymmetrisch angeordnet sind.

11. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Scheiben durch eine Stabschar verbunden sind, und dass eine der Scheiben mittels einer weiteren, als Lager dienenden Stabschar mit einer dritten Scheibe verbunden ist, wobei die Stäbe dieser zweiten Schar nicht windschief, sondern parallel zur Symmetrieachse der Scheiben liegen.

12. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Scheiben eine lineare Feder angeordnet ist.

13. Kraft- und Dehnungsmesser nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden äusseren Scheiben eine lineare Feder angeordnet ist.