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Die
Erfindung betrifft eine bolzenförmige Kraftmesseinrichtung
mit einer Hülse
und mit einem einseitig in der Hülse
eingespannten Messstab, die eine Kraft, mit der die Messeinrichtung
beaufschlagt ist, in eine der Kraft entsprechende elektrische Größe umformt.
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Eine
derartige Kraftmesseinrichtung ist als bolzenförmiges Verbindungsteil ausgebildet,
das z. B. ein Arbeitsgerät
mit einem landwirtschaftlichen Schlepper verbindet und dabei die
Kraft misst, die das Arbeitsgerät
auf den Schlepper ausübt.
Derartige Kraftmesseinrichtungen werden auch als Kraftmessbolzen
bezeichnet.
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Aus
der
DE 35 15 125 A1 ist
eine derartige bolzenförmige
Kraftmesseinrichtung bekannt. In der Bohrung einer biegeelastischen
Hülse ist
ein biegesteifer Messstab einseitig gehalten. Der Messstab ist dabei
so angeordnet, dass sein freies Ende sich im unbelasteten Zustand
der Kraftmesseinrichtung in der Längsachse der Hülse erstreckt.
Die zu messende Kraft verläuft über die
Hülse und
biegt die Hülse entsprechend
der Größe dieser
Kraft mehr oder weniger stark durch. Im Gegensatz hierzu erfolgt
keine Durchbiegung des Messstabs. Die Durchbiegung der Hülse führt zu einer
Auslenkung des freien Endes des Messstabs gegenüber der Hülse. Die Auslenkung des Messstabs
gegenüber
der Hülse
ist somit ein Maß für die Größe der auf
die Kraftmesseinrichtung wirkenden Kraft. Ein Wegaufnehmer formt
die Auslenkung des freien Endes des Messstabs gegenüber der
Hülse in
eine der Auslenkung entsprechende elektrische Größe um. Die elektrische Größe ist somit
auch ein Maß für die auf
die Kraftmesseinrichtung wirkende Kraft. Wird die zu übertragende
Kraft zu groß,
kommt das freie Ende des Messstabs mit der Innenfläche der
Hülse in
Berührung.
Der Messbereich der Kraftmesseinrichtung muss deshalb so gewählt werden,
dass er kleiner als dieser Grenzwert ist. Beim Auftreten einer diesen
Grenzwert übersteigenden
Kraft, die zu einer Berührung
der Innenfläche der
Hülse durch
den Messstab führt,
besteht die Gefahr einer Beschädigung
des Messstabs oder des Wegaufnehmers.
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Sorgt
man, z. B. durch einen großen
Materialquerschnitt der Hülse
dafür,
dass die maximale Kraft, die ohne eine Beschädigung des Messstabs oder des
Messaufnehmers übertragen
werden kann, groß ist,
so ist die Signalausbeute der Kraftmesseinrichtung bei kleinen Kräften nicht
mehr groß genug, d.
h. die Messempfindlichkeit verschlechtert sich durch diese Maßnahme.
Durch eine Verringerung des Materialquerschnitts der Hülse lässt sich
zwar eine bessere Messempfindlichkeit erreichen, jedoch vergrößert diese
Maßnahme
die Gefahr einer mechanischen Überlastung
der Kraftmesseinrichtung bei der Übertragung von großen Kräften. Dazu kommt,
dass beim Betrieb einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine der
nicht zu vermeidende Verschleiß im
Laufe der Zeit zu einer Vergrößerung des Durchmessers
der die Hülse
aufnehmenden Bohrungen gegenüber
den Werten im Neuzustand führt. Wird
die Hülse
mit einer bestimmten Kraft beaufschlagt, führt eine Vergrößerung des
Durchmessers der die Hülse
aufnehmenden Bohrungen zu einer größeren Durchbiegung der Hülse als
im Neuzustand. Die vergrößerte Durchbiegung
der Hülse
ergibt eine vergrößerte Auslenkung
des Messstabs bezüglich
der Hülse
und damit ein entsprechend vergrößertes elektrisches
Signal gegenüber
dem Neuzustand, wenn dieselbe Kraft auf die Hülse wirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmesseinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere eine Übertragung von
Kräften
erlaubt, die deutlich größer als
der maximale Messbereich der Kraftmesseinrichtung sind, ohne dass
eine mechanische Beschädigung
der Kraftmesseinrichtung erfolgt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftmesseinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch
die Erfindung lassen sich Messbereich und Überlastfestigkeit getrennt
voneinander dimensionieren. Damit ist es einerseits möglich, die Hülse so auszulegen,
dass die im Betrieb maximal auftretenden Kräfte übertragen werden, ohne dass – insbesondere
bei stoßförmiger Belastung – die Kraftmesseinrichtung
mechanisch beschädigt
wird, und dass andererseits trotzdem Kraftmessbereiche realisiert
werden können,
die kleiner als die maximal im Betrieb auftretenden Kräfte sind.
Somit ist es möglich,
unabhängig
von der Höhe
der maximal auftretenden Kräfte
die gewünschte
Messempfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung frei festzulegen.
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Eine
verschleißbedingte
Vergrößerung der die
Hülse aufnehmenden
Lagerbohrungen vergrößert zwar
das Spiel zwischen den durch die Hülse verbundenen Teilen, beeinflusst
aber nicht die Größe der Durchbiegung
des innerhalb der Hülse
angeordneten Messstabs bei gleichen Kräften und wirkt sich daher auch
nicht auf die Größe des elektrischen
Ausgangssignals bei gleichen Kräften
aus.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Unteransprüche
betreffen konstruktive Ausgestaltungen der Kraftmessanordnung, insbesondere
hinsichtlich der eingesetzten Messwertaufnehmer, sowie Ausgestaltungen
der Kraftmessanordnung, die eine getrennte Erfassung von in verschiedenen
Richtungen wirkenden Kräften
erlaubt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand
von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Schnitt durch eine erste Kraftmesseinrichtung im unbelasteten Zustand,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie A-A aus 1,
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3 einen
Schnitt durch die in der 1 dargestellte Kraftmesseinrichtung
bei Belastung mit einer den Maximalwert des Messbereichs übersteigenden
Kraft,
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4 einen
Schnitt durch eine zweite Kraftmesseinrichtung im unbelasteten Zustand
und
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5 einen
Schnitt durch die in der 4 dargestellte Kraftmesseinrichtung
bei Belastung mit einer den Maximalwert des Messbereichs übersteigenden
Kraft.
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In
der 1 ist ein Kraftmessbolzen als eine erste beispielhafte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung
dargestellt. Der Kraftmessbolzen 10 stellt eine Verbindung
zwischen zwei Schenkeln 12, 13 eines nicht näher dargestellten
mehrteiligen Schleppergehäuses
und einem Lenker 16 her. Die Gehäuseschenkel 12, 13 sind
mit Lagerbohrungen versehen, die den Kraftmessbolzen 10 aufnehmen.
Eine Lagerschale 18, die am Lenker 16 angebracht
ist, ist als Kugelbuchse ausgebildet. Sie weist eine Bohrung 20 zur
Aufnahme des Kraftmessbolzens 10 auf und ist zwischen den
Gehäuseschenkeln 12, 13 angeordnet.
Die Bohrungen in den Gehäuseschenkeln 12, 13 und
der Lagerschale 18 haben den gleichen Durchmesser. Der
Kraftmessbolzen 10 ist in die Bohrungen der Gehäuseschenkel 12, 13 und
der Lagerschale 18 eingesetzt. Ein plattenförmiges Halteelement 22 fixiert
den Kraftmessbolzen 10 in Richtung seiner Längsachse
und hinsichtlich seiner Drehlage gegenüber den Gehäuseschenkeln 12, 13.
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Der
Kraftmessbolzen 10 besitzt eine äußere, biegesteife Hülse 30.
Innerhalb der Hülse 30 ist
ein Messstab 32 befestigt. Der Messstab 32 weist
einen unteren Abschnitt 33 mit kreisförmigen Querschnitt auf. Ein
mittlerer Abschnitt 34 des Mess stabs 32 verjüngt sich
ausgehend von der Querschnittsfläche
des unteren Abschnitts konisch. Auf dem konischen Abschnitt 34 des
Messstabs 32 sind Dehnungsmessstreifen 46 angeordnet,
um eine Verformung des Messstabs 32 zu erfassen. An den
mittleren Abschnitt 34 setzt ein quaderförmiger oberer
Abschnitt 35 mit quadratischer Radialquerschnittsfläche an. Der
Messstab 32 ist in der Hülse 30 einseitig befestigt.
Dazu ist der untere Abschnitt 33 des Messstabs 32 in
die Hülse 30 eingepresst.
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Im
Bereich der Lagerschale 18 ist die Hülse 30 senkrecht zur
Hülsenlängsachse
mit vier Bohrungen 37, 38, 39, 40 versehen.
Benachbarte Bohrungen 37, 38, etc. schließen gegeneinander
jeweils einen Winkel von 90° ein.
Die Bohrungen 37 bis 40 sind jeweils auf der gleichen
Höhe hinsichtlich
der Hülsenlängsachse
angeordnet. Die Bohrungen sind hinsichtlich der Lagerschale 18 in
Axialrichtung etwa mittig vorgesehen.
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Im
Bereich der Lagerschale 18 besitzt die Hülse 30 zudem
einen geringeren Außendurchmesser
als im Bereich der Gehäuseschenkel 12, 13,
so dass die Lagerschale 18 unter Einwirkung einer Kraft 49 gegenüber der
Hülse 30 aus
ihrer zentrierten Lage radial verschiebbar ist. Die Hülsenumfangsfläche bildet
im Bereich der Lagerschale 18 eine Anschlagsfläche 24,
die die maximale Auslenkung begrenzt. Die maximale Auslenkung a
entspricht dem Unterschied zwischen dem Außenradius der Hülse 30 an
der Anschlagsfläche 24 und
dem Innenradius der Lagerschalenbohrung 20.
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Die
Verschiebung der Lagerschale 18 wird durch Stößel 41, 42, 43, 44 auf
den Messstab 32 übertragen.
Die Stößel 41 bis 44 sind
in den Bohrungen 37 bis 40 jeweils radial verschiebbar
gelagert. Im unbelasteten Zustand des Kraftmessbolzens 10 stehen
die Stößel 41 bis 44 aus
der Anschlagsfläche 24 vor
und liegen mit ihrem außenseitigen,
kuppenförmigen
Ende an der Innenumfangsfläche
der Lagerschalenbohrung 20 an. Das innenseitige Ende der Stößel 41 bis 44 liegt
am oberen Abschnitt 35 des Messstabs 32 an. Der
obere Abschnitt 35 ist so ausge richtet, dass die Stößel 41 bis 44 jeweils
an einer senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung orientierten Fläche des
Abschnitts 35 zur Anlage kommen. Dadurch treten am Messstab
keine Torsionskräfte
sondern nur Biegekräfte
entlang der zwei senkrecht aufeinanderstehenden Bewegungsachsen
der Stößel 41 bis 44 auf.
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Die
Summe der Längen
gegenüberliegender Stößel 41, 43 und
der Kantenlänge
des oberen Abschnitts 35 in Radialrichtung entspricht im
Wesentlichen dem Innendurchmesser der Lagerschalenbohrung 20,
so dass die Lagerschale 20 durch die Stößel 41 bis 44 mit
möglichst
geringen Spiel geführt
ist. Die Stößel 41 bis 44 stehen
im unbelasteten Zustand des Kraftmessbolzens 10 jeweils
um eine Länge
aus der Anschlagsfläche 24 vor,
die der maximalen Auslenkung der Lagerschale 18 entspricht.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Lagerschale 18 und den Kraftmessbolzen 10 entlang
der in 1 gezeigten Achse A-A. Zu erkennen sind die Lagerschale 18,
die Hülse 30,
die Bohrungen 37 bis 40 sowie die darin verschiebbaren
Stößel 41 bis 44. Ebenso
ist der quadratische Querschnitt des oberen Abschnitts 35 ersichtlich.
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Anhand 1 und 2 sowie
der 3, die den Kraftmessbolzen 10 unter Einwirkung
einer den Messbereich übersteigenden
Kraft zeigt, wird im Folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung
erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen
den Kraftmessbolzen 10 unter Einwirkung einer geringen
Kraft, die keine sichtbare Verformung des Messstabs 32 hervorruft.
Die über
den Lenker 16 einwirkende Kraft wird durch den Kraftpfeil 49 symbolisiert.
Die an den Gehäuseschenkeln 12, 13 aufgebrachte
Gegenkraft ist jeweils durch Pfeile 54 dargestellt. Der
Pfeil 48 markiert die Lage des Messstabs 32 in
diesem schwach belasteten Zustand.
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Die über den
Lenker 16 einwirkende Kraft 49 wird über die
Lagerschale 18 und den Stößel 43 auf den Messstab 32 übertragen.
Der Kraftfluss verläuft vom
oberen Abschnitt 35 weiter über den unteren Abschnitt 33 des
Messstabs 32 in die Hülse 30 und
wird von den Gehäuseschenkeln 12, 13 aufgenommen.
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Die
auf den Messstab 32 einwirkende Kraft bewirkt eine der
Kraft entsprechende Durchbiegung des Messstabs 32. Die
Hülse 30 ist
biegesteif ausgeführt.
Die Durchbiegung des Messstabs 32 wird von den Dehnungsmessstreifen 46 in
ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Dehnungsmessstreifen 46 sind
an der gleichen Umfangsposition wie die Stößel 41 bis 44 angeordnet.
Das Signal eines Dehnungsmessstreifens 46 ist somit jeweils
im Wesentlichen der Krafteinwirkung über einen der Stößel 41 bis 44 zugeordnet.
Durch die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 46 auf dem
Messstab 32 hängt
das Messergebnis nur von der Durchbiegung des Messstabs 32 ab.
Eine bei großen
Kräften
eventuell auftretende Durchbiegung der Hülse 30 wird nicht
erfasst.
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Der
Messstab 32 ist hinsichtlich seines Durchmessers und Materials
so dimensioniert, dass die aufgenommene Kraft zu einer elastischen,
reversiblen Durchbiegung führt.
Mit zunehmender Stärke der
einwirkenden Kraft 49 nimmt auch die Durchbiegung des Messstabs 32 und
somit die Verschiebung der Lagerschale 18 gegenüber der
Hülse 30 zu.
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Wie
aus 3 ersichtlich, ist die maximale Verschiebedistanz
a der Lagerschale 18 gegen die Hülse 30 begrenzt, da
die Lagerschale 18 bei zunehmender Krafteinwirkung 50 gegen
die Anschlagsfläche 24 der
biegesteifen Hülse 30 zum
Anschlag kommt. Die maximale Verschiebedistanz a und das Elastizitätsmodul
des Messstabs 32 geben eine Kraft F1, die der Messstab 32 höchstens
aufnimmt, vor. Die Kraft F1 ist somit auch die obere Grenze des Messbereichs
des Kraftmessbolzens 10. Die darüber hinaus auf den Lenker 16 beaufschlagte
Kraft wird direkt von der Lagerschale 18 auf die Hülse 30 geleitet.
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Somit
können
der Messbereich des Kraftmessbolzens, insbesondere die obere Messbereichsgrenze
F1, sowie die maximal zulässige
Krafteinwirkung F2 auf den Kraftmessbolzens getrennt voneinander
festgelegt werden. Die Kraft F2 ist dabei durch die Belastbarkeit
der Hülse
vorgegeben.
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Der
Kraftmessbolzen 10 ist für die in Landwirtschaftsmaschinen üblicherweise
auftretenden Kraftbelastungen bis über 200 kN dimensionierbar. Der
Messbereich lässt
sich alleine durch die Dimensionierung des Messstabes 32 festlegen
und erlaubt bei Verwendung einer niedrigen Materialstärke des Messstabes 32 eine
sehr gute Auflösung
und Signalausbeute bei geringen Kräften. Dazu wird z.B. eine Kraft
von 25 kN als Höchstgrenze
F1 für
die vom Messstab 32 aufgenommene Kraft gewählt.
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Der
Kraftmessbolzen 10 erlaubt eine gleichzeitige Messung zweier
senkrecht aufeinander stehender, entlang der Stößelbewegungsachsen einwirkenden
Kräfte.
Die Durchbiegung des Messstabs 32 entlang der zwei senkrecht
aufeinanderstehenden Stößelbewegungsachsen
wird durch die Dehnungsmessstreifen 46 getrennt voneinander
ermittelt. Da die Durchbiegung des Messstabes 32 durch
die Anschlagsfläche 24 zuverlässig auf
geringe Werte begrenzt ist, typischer Weise einige 0,1 mm, tritt
am Messstab 32 keine mechanische Wechselwirkung zwischen
senkrecht zueinander einwirkenden Kräften auf. Zudem ist eine Beeinflussung
eines Messwertaufnehmers – eines
Dehnungsmessstreifens 46 – durch eine senkrecht zu seiner
Messrichtung einwirkende Kraft gering.
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Durch
entsprechende Varianten der Querschnittsgestaltung des Messstabs 32,
insbesondere durch Verwendung verschiedener Kantenlängen für den Querschnitt
des oberen Abschnitts 35 und/oder einen ellipsenförmigen Querschnitt
des konischen Abschnitts 34, können unterschiedliche Messkennlinien
und Messbereiche für
die verschiedenen Messrichtungen realisiert werden.
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In
dem gezeigten Beispiel wirkt die Kraft 49, 50 entlang
der Achse des Stößels 43.
Eine Kraft aus anderer Richtung teilt sich gemäß der bekannten mechanischen
Prinzipien anteilig auf zwei Stößel auf.
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In
den 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens 60 dargestellt.
Der Aufbau des Kraftmessbolzens 60 entspricht im wesentlichen
dem Kraftmessbolzen 10, der in 1 bis 3 dargestellt
ist. Der Unterschied zum Kraftmessbolzen 10 liegt in der Gestaltung
des Messstabes 62 und der Signalerfassung. Hinsichtlich
der übrigen
Ausgestaltung wird auf die vorangehende Beschreibung des Kraftmessbolzens 10 verwiesen.
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Der
Messstab 62 des Kraftmessbolzens 60 ist an seinem
unteren Abschnitt 64 in die Hülse 30 eingepresst,
um den Messstab 62 einseitig in der Hülse 30 zu befestigen.
Die Durchbiegung des Messstabes 62 wird von einem Wegaufnehmer 70 erfasst, der
in der Hülse 30 stirnseitig
gegenüber
dem freien Ende des Messstabes 62 angeordnet ist.
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An
den kreiszylindertörmigen
unteren Abschnitt 64 des Messstabes 62 schließt ein sich
konisch verjüngender
mittlerer Abschnitt 65 an. Auf den mittleren Abschnitt 65 ist
ein quaderförmiger
oberer Abschnitt 66, an dem die Stößel 41, 42, 43 anliegen, aufgesetzt.
An dieser Stelle wird die vom Lenker 16 einwirkende Kraft
auf den Messstab 62 übertragen. Dem
oberen Abschnitt 66 folgt ein Kopfabschnitt 67, der
das freie Ende des Messstabes 62 bildet.
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Der
Wegaufnehmer 70 misst die Radialauslenkung des Kopfabschnitts 67 aus
seiner Neutrallage. Der Wegaufnehmer 70 ist so beschaffen,
dass er die Auslenkung des Messstabes 62 entlang zweier senkrecht
aufeinander stehender Bewegungsachsen erfassen kann. Diese Achsen
entsprechen den Achsen der Stößel 41 und 43 bzw. 42 und 44.
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Der
Wegaufnehmer 70 kann auf verschiedene Weise realisiert
werden. Beispielsweise können auf
der Stirnfläche
des Kopfabschnitts 67 Magnete angeordnet sein. Im Wegaufnehmer 70 sind Nall-Sensoren
den Magneten gegenüberliegend
angebracht. Die Hall-Sensoren erfassen die Auslenkung der Magnete
und setzen somit die Auslenkung des Kopfabschnitts 67 in
ein elektrisches Signal um.
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Für die Erfassung
der Auslenkungen entlang der zwei Stößelbewegungsachsen sind je
ein Magnet und ein Hall-Sensor für
die jeweilige Auslenkungsrichtung vorgesehen. Ein erster Magnet
ist mit seiner Nord-Süd
Achse entlang der ersten Auslenkungsrichtung – entsprechend der Bewegungsrichtung
der Stößel 41 und 43 – auf der
Stirnfläche
des Kopfabschnitts 67 angeordnet und hat entlang der Nord-Süd Achse
eine Länge,
die der maximalen Auslenkung des Kopfabschnitts in dieser Richtung
entspricht. Die Breite des Magnets ist größer als seine Länge, um den
Einfluss einer senkrecht zur ersten Auslenkungsrichtung erfolgenden
Auslenkung zu minimieren. Der zweite Magnet ist zu dem ersten Magnet
senkrecht ausgerichtet und räumlich
getrennt von diesem auf der Stirnfläche des Kopfabschnitts 67 angeordnet.
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In
der gleichen Weise wie bei dem Kraftmessbolzen 10 ist auch
beim Kraftmessbolzen 60 die maximale Verschiebedistanz
a der Lagerschale 18 durch den Unterschied zwischen dem
Außenradius der
Hülse 30 im
Bereich der Lagerschale 18 und dem Innenradius der Lagerschalenbohrung 20 festgelegt. Die 5 zeigt
den Kraftmessbolzen 60 unter Einfluss einer Kraft 50,
die die Lagerschale 18 an der Hülse 30 zum Anschlag
bringt. Aufgrund der geometrischen Abmessungen des Messstabes 62 ergibt sich
eine Maximalauslenkung x des Kopfabschnitts 67. Der Wegaufnehmer 70 ist
in seinem Messbereich so dimensioniert, so dass die Maximalauslenkung
x noch erfasst wird.
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Durch
die Verwendung des Wegaufnehmers 70 wird die Durchbiegung
des Messstabes 62 gegenüber
der Hülse 30 erfasst.
Um eine möglichst
hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist die Hülse 30 biegesteif
ausgeführt.
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- 10
- Kraftmessbolzen
- 12
- Gehäuseschenkel
- 13
- Gehäuseschenkel
- 16
- Lenker
- 18
- Lagerschale
- 20
- Bohrung
- 22
- Halteelement
- 24
- Anschlagsfläche
- 30
- Hülse
- 32
- Messstab
- 33
- unterer,
eingepresster Abschnitt
- 34
- mittlerer,
konischer Abschnitt
- 35
- oberer
Abschnitt
- 37
- Bohrung
- 38
- Bohrung
- 39
- Bohrung
- 40
- Bohrung
- 41
- Stößel
- 42
- Stößel
- 43
- Stößel
- 44
- Stößel
- 46
- Dehnungsmessstreifen
- 49
- Kraftpfeil
- 50
- Kraftpfeil
- 54
- Gegenkraft
- 60
- Kraftmessbolzen
- 62
- Messstab
- 64
- unterer,
eingepresster Abschnitt
- 65
- mittlerer,
konischer Abschnitt
- 66
- oberer
Abschnitt
- 67
- Kopfabschnitt
- 70
- Wegaufnehmer