DE10109121A1 - Kraftaufnehmer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zur Erfassung von Schubspannungsverformungen in Längsbohrungen, der eine zylinderförmige Baueinheit bildet und in die Längsbohrung eines kraftübertragenden Bauteils einpreßbar ist. Der Kraftaufnehmer besteht aus einem zylinderförmigen Anschlußteil (1), einem hülsenförmigen Mittelteil (2) mit einer Zwischenwand (4) als Verformungskörper und einem Endstück (3), die als Verschlußkappe ausgebildet ist. Das Anschlußstück (1), das Mittelstück (2) und das Endstück (3) bestehen aus Edelstahl und sind luftdicht miteinander verschweißt, wobei mindestens das Mittelteil (2) als kraftübertragendes Bauteil vorgesehen ist, an dessen Zwischenwand (4) und Verformungskörper Dehnungsmeßstreifen (5) zur Erfassung von Schubspannungsverformungen appliziert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zur Messung von Schubspannungsverformungen gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei Kräften, die durch Zug- oder Druckbelastungen an Rollen, Wellen oder Achsen auftreten, ist es häufig notwendig, diese Belastung zur Gewichtsermittlung oder Höchstlastbegrenzung zu erfassen. Dazu werden meist aufwendige Lagerungen ausgeführt, die sich auf Wägezellen oder Kraftmeßvorrichtungen abstützten und so die Belastung erfassen.

Aus der DE-OS 27 25 559 ist ein Kraftmeßsystem zur Messung der Belastung an Wellen und Achsen bekannt. Dazu ist insbesondere zur Erfassung der Gewichtsbelastung an einer Seilrolle vorge­ sehen, an dessen Lagerachse Schubspannungsaufnehmer zu appli­ zieren. Hierzu wurden am Übergangsbereich zwischen der Seil­ rolle und dessen seitlicher Lagerung vier quergerichtete hori­ zontale Sacklöcher angebracht, an dessen senkrechter Zwischen­ wand jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen zur Schubspannungsmes­ sung appliziert sind. Da die Dehnungsmeßstreifen auf der Quer­ schnittsfläche der Bohrungen angeordnet werden müssen, sind verhältnismäßig große Bohrungen durch die Lagerachse notwen­ dig, die die Belastbarkeit der Lagerachse erheblich schwächen.

Aus der EP 0 154 728 A1 ist ebenfalls ein Kraftaufnehmer be­ kannt, der längs in einer Lagerachse angeordnet ist. Dazu sind in die Lagerachse von jeder Seite zentrale Längsbohrungen im Übergangsbereich bis zur Lastaufhängung vorgesehen, in die von jeder Seite je ein Biegespannungsaufnehmer eingesetzt ist. Da dieser Biegespannungsaufnehmer in einer zentralen Bohrung angeordnet ist, die gleichzeitig eine neutrale Faser der Achse darstellt, in der die geringsten Biegespannungen bei einer Scherbelastung auftreten, entstehen auch nur verhältnismäßig geringe Biegespannungssignale. Diese Biegespannungssignale sind meist nur mit hohem Aufwand auswertbar, da deren Abstand zu den Störanteilen sehr gering ist und daher für Gewichtsmes­ sungen meist ungeeignet sein dürften.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kraft­ aufnehmer zur Erfassung der Schubspannungsverformungen oder Scherbelastungen zu schaffen, dessen Einsatz nur zu einer ge­ ringen Schwächung der kraftübertragenden Bauteile führt und nur mit geringem Montageaufwand einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Nutzung des Schubspannungsprinzips in Längsbohrungen mit verhältnismäßig kleinen Durchmessern relativ große Meßsignale erzielbar sind. Dadurch wird gleichzeitig erreicht, daß die Kraftaufnehmer sehr kompakt ausführbar sind und in den einzusetzenden kraft­ übertragenden Bauteilen nur zu einer geringen Schwächung der Belastungsgrenze führen.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß der Aufnehmer durch Anordnung in einfache Bohrungen leicht montierbar und auch in vorhandene Bauteile durch nachträgliche Bohrungen ein­ fach nachrüstbar ist.

Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, daß der Auf­ nehmer durch seine zylinderförmige kompakte Ausführung leicht gegen beschädigende Umwelteinflüsse abdichtbar ist und somit auch unter ungünstigen Umweltbedingungen einen störungsfreien Betrieb und eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Durch die längliche Ausbildung des Aufnehmers sind auch schon bei geringen Bohrungsquerschnitten verhältnismäßig große Meß­ signale erreichbar, so daß vorteilhafterweise auch bei gerin­ gen Aufnehmerdurchmessern verhältnismäßig hohe Meßgenauigkei­ ten erzielbar sind, die nicht nur zur Überlastfeststellung, sondern auch zur Wägung der Achslasten und dergleichen ein­ setzbar sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Schnittbild in Längsrichtung durch einen Auf­ nehmer zur Schubspannungsmessung;

Fig. 2: ein Schnittbild in Querrichtung durch einen Auf­ nehmer zur Schubspannungsmessung, und

Fig. 3: eine Explosionsdarstellung der wesentlichen Auf­ nehmerteile.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein länglicher zylinderförmiger Kraftaufnehmer zur Erfassung der Schubspannungen im Längs­ schnitt dargestellt, der eine gerade kraftübertragende Zwi­ schenwand 4 besitzt, an der die Dehnungsmeßstreifen 5 appli­ ziert sind. Dabei sind der Querschnitt des Kraftaufnehmers durch das Schnittbild in Querrichtung nach Fig. 2 und die we­ sentlichen Bauteile durch die Explosionszeichnung nach Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. In den Fig. 1 bis 3 sind für die selben Bauelemente auch die gleichen Bezugsziffern angegeben.

Nach Fig. 1 bis 3 der Zeichnung besteht der Kraftaufnehmer im wesentlichen aus einem Anschlußstück 1, einem Zwischenstück 2 und einem Endstück 3, die alle zylinderförmig ausgebildet sind. Deshalb ist dieser Kraftaufnehmer zum Einsatz in Längsbohrungen vorgesehen, in der er zu einer kraftschlüssigen Ver­ bindung eingepreßt wird. Das eigentliche Funktionsbauteil des Aufnehmers stellt das Zwischenstück 2 dar. Dieses ist als Hül­ se mit einer geraden Zwischenwand 4 ausgeführt, die das Rohr­ stück der Hülse in zwei gleich große Teile unterteilt und ei­ nen Verformungskörper des Aufnehmers darstellt. Das Zwischen­ stück 2 ist einteilig ausgeführt und stellt im wesentlichen eine kraftschlüssige Verbindung zu dem die Bohrung umgebenden kraftübertragenden Bauteil dar. Deshalb sind am Umfang des Zwischenteils 2 Rillen 7 angebracht, die nach der Einpressung des Aufnehmers den Kraftschluß herstellen. An der Zwischenwand 4 sind mindestens an einer oder vorzugsweise aber an beiden Oberflächen herkömmliche Foliendehnungsmeßstreifen 5 zur Schubspannungsmessung appliziert. Die Oberflächen der Zwi­ schenwand besitzen dabei vorzugsweise eine Länge von ca. 15 mm und eine Breite bzw. Höhe von ca. 8 mm. Die Dehnungsmeßstrei­ fen 5 sind in Längsrichtung und zu einer Mittellinie 10 unter einem Winkel von 45° angeordnet, um die Schubspannungen erfas­ sen zu können. Auf jeder Seite der Zwischenwand 4 sind minde­ stens zwei entgegengerichtete Dehnungsmeßstreifen 5 angeord­ net, die als Halbbrücke oder mit den auf der zweiten Seite an­ geordneten auch als Wheatstone'sche Vollbrücke verschaltbar sind.

Zum Anschluß der Dehnungsmeßstreifen 5 ist in dem Anschluß­ stück 1 ein Anschlußkabel 6 eingesetzt, das mit einer Zugent­ lastung 11 versehen ist, die in eine Bohrung des Anschluß­ stücks 1 eingepaßt wurde. Die über das Anschlußkabel 6 hinaus­ ragenden Anschlußdrähte 9 sind mit den Anschlußpunkten 12 der Dehnungsmeßstreifen 5 verlötet und bilden so eine galvanische Verbindung. Das Anschlußstück 1 ist am inneren Umfang mit zwei gegenüberliegenden Nuten 8 versehen, in die ein überragender Teil 13 der Zwischenwand 4 eingreift, die zum Zusammenfügen von Anschlußteil 1 und Zwischenstück 2 dienen. Sowohl das An­ schlußteil 1 als auch das Zwischenstück 2 werden vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt und mittels einer Schweißverbindung luftdicht miteinander verbunden.

Zur rückseitigen Abdichtung des Aufnehmers ist das Endstück 3 vorgesehen, das als Verschlußkappe ausgebildet ist. In diese Verschlußkappe taucht ein nach hinten überragender Teil 14 der Zwischenwand 4 hinein und dient gleichzeitig zur Führung beim Verbindungsvorgang. Die Verschlußkappe 3 wird vorzugsweise auch aus Edelstahl gefertigt und mit dem Zwischenstück 2 ver­ schweißt.

Der Aufnehmer wird vorzugsweise in einer Länge von ca. 20 mm und einem Durchmesser von ca. 10 mm gefertigt, so daß sich da­ durch auch Anwendungsmöglichkeiten in verhältnismäßig dünnen Achsen oder Wellen ergeben, deren Schubspannungsverformung sonst kaum mit in Gehäusen abgeschlossenen Kraftaufnehmern er­ faßbar ist. Vorzugsweise werden diese Kraftaufnehmer in Meß­ achsen für Räder (Kettenräder, Fahrzeugräder), Scheiben (Rie­ menscheiben) oder in scherkraftbelasteten Armen (Kragarmen) eingesetzt, deren Belastung ermittelt werden soll. Dabei wer­ den die Aufnehmer vorzugsweise in entgegengerichtete zentrale Längsbohrungen der Achsenstümpfe paarweise eingesetzt, deren Belastung an den Übergangsstellen festgestellt oder überwacht werden soll.

Claims (8)

1. Kraftaufnehmer, bei dem an einer Zwischenwand Dehnungs­ meßstreifen zur Erfassung der Schubspannungsverformung appliziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­ schenwand (4) als Längsfläche ausgebildet ist, wobei an der Zwischenwand (4) mindestens zwei Dehnungsmeß­ streifen (5) symmetrisch zu einer Mittellinie (10) ange­ ordnet sind.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß deren kraftübertragendes Bauteil zylinderförmig aus­ gebildet ist und als Verformungskörper eine längsge­ streckte Zwischenwand (4) enthält, deren Verhältnis von Länge zur Breite größer als 1 ist.

3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das kraftübertragende Bauteil als eine zy­ linderförmige Hülse ausgebildet ist, deren Zwischenwand (4) die Hülse in zwei gleich große langgestreckte Hül­ senteile unterteilt und ein Zwischenstück (2) darstellt.

4. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus mindestens einem Anschlußstück (1), einem Mittelstück (2) und einem End­ stück (3) besteht, die fest miteinander verbunden sind und eine zylinderförmige geschlossene Einheit bilden.

5. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (1) eine Bohrung enthält, in die ein Anschlußkabel mit Anschluß­ stutzen (6) und Zugentlastung (11) eingepaßt ist, das die elektrische Verbindung zu den Dehnungsmeßstreifen (5) herstellt.

6. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (3) als Ver­ schlußkappe ausgebildet ist und daß dieses, das Mittel­ stück (2) und das Anschlußstück (1) aus Edelstahl gefer­ tigt und durch eine Schweißverbindung eine luftdichte verrottungsfeste Verbindung miteinander bilden.

7. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (2) am Um­ fang Rillen (7) oder andere Rauhigkeitskonturen auf­ weist, durch die in einer Bohrung eine kraftschlüssige Verbindung herstellbar ist.

8. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mindestens einen Au­ ßendurchmesser von 8 mm und eine Länge von mindestens 15 mm aufweist und mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen (5) enthält.