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Die
Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen für Messgrößenaufnehmer gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Durch
die Neu- und Weiterentwicklung von Werkstoffen sowie deren Behandlungsverfahren konnten
die Eigenschaften bezüglich
der Anforderungen für
die Herstellung von Messfedern für
Wägezellen
und Kraftaufnehmer deutlich gesteigert werden. Wesentliche Anforderungen
sind hier reproduzierbare und zeitlich konstantes Verhalten des
Verformungskörpers
und des darauf applizierten Dehnungsmessstreifens. Die Verwendung
eines Werkstoffes mit geringstem Eigenkriechen und reproduzierbarem
Verhalten ist dabei Voraussetzung zum Bau eines guten Aufnehmers.
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Praktisch
hat jeder Messfederwerkstoff ein mehr oder weniger großes positives
Eigenkriechen unter mechanischer Belastung. Bei einer derartigen Belastung
wird die Dehnung des Messfederwerkstoffs auf den applizierten Dehnungsmessstreifen übertragen,
der aus einem auf einer Trägerschicht angeordneten
mäanderförmigen Messgitter
aus Metallfolie besteht. Dieser Dehnungsmessstreifen hat ebenfalls
ein Eigenkriechen, das unter Belastung negatives Vorzeichen hat.
Das Verhalten des Federkörpers
und das Verhalten der Dehnungsmessstreifen sind nun so aufeinander
abzustimmen, dass sie sich idealerweise genau kompensieren, so dass
möglichst
ein Messfehler vermieden wird. Dazu muss das Eigenkriechen des Dehnungsmessstreifens
auf das Eigenkriechen des Messfederwerkstoffs abgestimmt werden.
Idealerweise muss das Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens
den gleichen zeitlichen Verlauf mit umgekehrten Vorzeichen aufweisen,
wie das Kriechverhalten des Messfederwerkstoffs.
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Aus
der
EP 0 451 636 A1 ist
ein Dehnungsmessstreifen mit besonders geringem Kriechfehler bekannt.
Dieser Dehnungsmessstreifen besteht aus einer folienartigen Trägerschicht,
auf die ein mäanderförmiges Messgitter
aus einer Widerstandsfolie aufgeklebt ist. Dabei besteht die Trägerfolie
aus einer bestimmten Kunststofffolie, durch die insbesondere ein
temperaturabhängiges
Eigenkriechverhalten des Dehnungsmessstreifens verbessert wird.
Allerdings hängt
das Eigenkriechverhalten nicht nur von dem verwendeten Werkstoff
des Messgitters, des Trägers und
der Verbindungsstoffe ab, so dass das Eigenkriechen schon aufgrund
der geometrischen Gestaltung des mäanderförmigen Messgitters ein ungünstiges Eigenkriechverhalten
aufweisen kann.
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Da
der Kriechvorgang u. a. auch durch den relativ eng begrenzten Bereich
der Messgitterenden bestimmt wird, kann er durch konstruktive Änderungen
in diesem Bereich beeinflusst werden. So ist es in der Praxis bekannt,
das Kriechverhalten dadurch zu beeinflussen, dass die Länge der
Umkehrstellen an den Messgitterenden im Verhältnis zur Stegbreite des Messgitters
variiert wird. Deshalb weist die
EP 0 451 636 A1 in der Praxis ein mäanderförmiges Messgitter
mit einer größeren Anzahl
parallel nebeneinander angeordneter Messgitterstege aus einer Widerstandsfolie
auf. Die Widerstandsfolie besteht meist aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (Konstantan)
oder Nickel-Chrom-Legierung (Karma) und besitzt vorzugsweise eine
Foliendicke von etwa 3 bis 5 μm.
Dabei weist das gesamte Messgitter meist eine Länge von 3 bis 6 mm und eine
Stegbreite von 30 bis 50 μm auf,
wobei der Abstand zwischen den Stegen ca. einer Stegbreite entspricht.
Deshalb besitzen die Umkehrstellen an den Stegenden eine Gesamtbreite
von ca. 3 Messgitterstegbreiten. Zur Kompensation des Kriechverhaltens
entspricht die Länge
der Umkehrstellen in der Regel dem 2- bis 6-fachen der Gitterstegbreiten.
Das gesamte gedehnte Messgitter wirkt ähnlich einer gespannten Feder.
Die Federkraft erzeugt deshalb insbesondere im Bereich der Umkehrstellen Schubspannungen
in der Trägerfolie
und den Kleberschichten. Unter dem Einfluss dieser Spannung relaxieren
die Kunststoffe des Dehnungsmessstreifens und des Klebstoffs, d.h.
die Gegenkraft erlahmt und das Messgitter zieht sich zusammen. Dadurch
entsteht ein negatives Kriechen des Dehnungsmessstreifens, das möglichst
die gleiche Größe wie das positive
Kriechen des Messkörpers
haben soll, damit das resultierende Gesamtkriechen des Messgrößenaufnehmers
zu Null wird. Allerdings sind insbesondere bei Messfederkörpern mit
einem größeren positiven
Kriechen zur Kriechkompensation verhältnismäßig kurze Umkehrstellen notwendig,
die hohe Schubspannungen aufnehmen müssen. Diese verursachen insbesondere
bei üblichen
Herstellungstoleranzen der Dehnungsmessstreifen verhältnismäßig große Streuungen
des Kriechverhaltens, mit denen eine genaue reproduzierbare Kriechkompensation
schwierig durchführbar
ist.
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Aus
der
DE 199 09 042
A1 ist ein Dehnungsmessstreifen bekannt, mit dessen Kriechverhalten durch
eine besondere Ausgestaltung der Umkehrstellen insbesondere ein
geringes positives Kriechen des Messfederkörpers vorteilhaft kompensierbar
ist. Dazu ist vorgesehen, die Umkehrstellenlänge und die Umkehrstellenbreite
im Verhältnis
zur Gitterstegbreite so zu vergrößern, dass
der Einfluss der Zugkräfte
aus den Messgitterstegen an den Umkehrstellen insgesamt verringert
wird. Dies ist aber in der Praxis nur möglich, wenn die üblichen
Messgitterstegbreiten verkleinert werden, um auf der gleichen Dehnungsmessstreifenfläche die
gleiche Gitterstruktur zu erhalten. Allerdings ist es häufig nicht
immer notwendig, das negative Kriechen des Dehnungsmessstreifens
insgesamt zu verringern, sondern nur den Messfehler bei einem vorgegebenen
positiven Kriechen des Messfederkörpers durch ein genau einstellbares negatives
Kriechen des Dehnungsmessstreifens möglichst gering zu halten.
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Dieser
Messfehler ist durch ein kleines Verhältnis der Umkehrstellenlänge und
-breite zur Messgitterstegbreite insbesondere bei der Kompensation eines
größeren positiven
Messkörperkriechens
nur schwer mit hoher Reproduzierbarkeit zu verringern. Denn bei
der Kompensation eines verhältnismäßig großen Messkörperkriechens
wird die Trägerfolie
des Dehnungsmessstreifens an den Umkehrstellen mit großen Schubspannungsspitzen
belastet und dies kann zu größeren Streuungen
beim zeit- und temperaturabhängigen
Kriechen führen
und somit Messsignaländerungen
bei Dehnungsmessstreifenaufnehmern verursachen. Da die Umkehrstellen
auch Teil des gemessenen Dehnungsmessstreifenswiderstandes sind,
führt eine
Veränderung
der Widerstandsfolie im Bereich der Umkehrstellen in Folge Relaxation durch
große
Scherspannungen zur Änderung
des gemessenen Widerstands und somit zu Messfehlern.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungsmessstreifen
der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass damit ein kriechabhängiger Messfehler
eines Messgrößenaufnehmers
mit hoher Reproduzierbarkeit minimierbar ist.
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Diese
Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildung
und vorteilhafte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, durch die Ausgestaltung der Umkehrstellen
aus Längs-
und Querstegen eine Entkopplung der elektrischen und mechanischen
Zusammenhänge
des Kriechverhaltens zu erreichen, wodurch sich die Messgenauigkeit
eines Messgrößenaufnehmers
erheblich erhöhen lässt. Dies
wird vorzugsweise dadurch bewirkt, dass die mechanische Einstellung
des negativen Kriechens durch die gitterverlängenden Längsstege nicht auf das Messsignal einwirkt,
da dessen Stromfluss über
die dünnen,
weitgehend schubspannungsfreien Querstege erfolgt.
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Die
Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass die zur richtigen Relaxation
notwendigen Ankerflächen
unabhängig
von den elektrischen Widerstandsverhältnissen ausgebildet werden
können,
so dass insbesondere die Schubspannungspitzen im Umkehrstellenbereich
so reduzierbar sind, dass sich gleichzeitig auch das temperatur-
und zeitabhängige Kriechverhalten
vorteilhaft beeinflussen lässt.
Dabei kann bereits durch die Länge
der Längsstege
das zur Kompensation des Federkörperkriechens
notwendige Dehnungsmessstreifenkriechen genaustens eingestellt werden.
Zusätzlich
sind auch durch die geometrische Ausbildung der Ankerflächen die
Schubspannungswerte und deren Verlauf in Längsrichtung vorteilhafterweise
noch so beeinflussbar, dass dadurch insgesamt nahezu ein beliebiges
Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens einstellbar ist. Durch
die Formgebung der Längsstege
unterliegt das eingestellte Kriechverhalten vorteilhafterweise auch
bei üblichen
Fertigungstoleranzen nur geringen Streuungen.
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Bei
einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen zusätzlich auch
die Breite der Längsstege
schmaler als die Messgitterstege auszubilden. Dies hat den Vorteil,
dass dadurch Toleranzen durch das Ätzen des Messgitters insbesondere
der Messgitterstege bzgl. des Kriechens ausgleichbar sind.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit rechteckigen
Ankerflächen
an den Umkehrstellen und einer zugehörigen Schubspannungskennlinie
und einer Dehnungsverlaufskennlinie;
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2:
eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen
und einer Umkehrstelle aus zwei gleich breiten Längsstegen;
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3:
eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen
und einer Umkehrstelle aus zwei schmalen Längsstegen, und
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4:
eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen
und einer Umkehrstelle aus zwei schmalen Längsstegen und zwei abgerundeten
breiten Ankerflächen.
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In 1 der
Zeichnung ist ein Teil eines mäanderförmigen Messgitters
eines Foliendehnungsmessstreifens mit Umkehrstellen und dem zugehörigen Schubspannungs-τi und
Dehnungsverlauf εi dargestellt, wobei die Umkehrstellen 4 aus
einem Quersteg 6 an den Enden der Messgitterstege 5 und
zwei Längsstegen 7 mit
rechteckigen Ankerflächen 8 bestehen.
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Der
dargestellte Teil des Dehnungsmessstreifens geht aus von einem Foliendehnungsmessstreifen
der eingangs genannten Art, der vorzugsweise eine nicht dargestellte
Kunststoffträgerfolie
enthält,
auf der ein mäanderförmiges Messgitter 1 aus einem
elektrischen Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Ein derartiger
Dehnungsmessstreifen besitzt in der Regel eine Länge von 3 bis 6 mm und ist
auf einem Messfederkörper
appliziert und stellt einen Messgrößenaufnehmer dar. Der teilweise
dargestellte Dehnungsmessstreifen besitzt vorzugsweise einen elektrischen
Widerstand von 120 oder 350 Ω und enthält Messgitterstege 5,
deren Breite ca. 30 bis 50 μm
bei einer Steglänge
c von z.B. 4 mm ist.
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Die
Umkehrstellen 4 enthalten einen schmalen Quersteg 6,
der die beiden Enden zweier benachbarter parallel verlaufender Messgitterstege 5 elektrisch
miteinander verbindet. Dabei besitzt der schmale Quersteg 6 die
gleiche oder eine geringere Breite wie die Messgitterstege 5.
In axialer Verlängerung
der Messgitterstege 5 enthält die Umkehrstelle 4 im
nach außen
gerichteten Bereich zum Quersteg 6 zwei Längsstege 7,
die ebenfalls vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Die Längestege 7 sind
im Anschluss an die Messgitterstege 5 in einer vorgegebenen
Länge b
in der gleichen Breite wie die Messgitterstege 5 ausgebildet
und enthalten an ihren Endabschnitten auf einer Abschnittslänge a eine
rechteckige Verbreiterung, die eine rechteckige Ankerfläche 8 der
Längsstege 7 darstellt.
Dabei besitzt der Abschnitt b beispielsweise die Länge von
ca. 130 μm und
der Abschnitt a eine Länge
von ca. 100 μm,
wobei die verbreiterte Ankerfläche 8 vorzugsweise
eine Breite von ca. 100 μm
besitzt. Da ein derartiger Dehnungsmessstreifen zur Messgrößenermittlung
an eine vorgegebene Speisespannung angeschlossen wird, erfolgt ein
elektrischer Stromfluss von nicht dargestellten Anschlusspunkten über die
nacheinander geschalteten Messgitterstege 5 und an dessen
Enden nur über
die dünnen
Querstege 6. Dabei dienen die nach hinten offenen Längsstege 7 mit
den großen Ankerflächen 8, über die
kein Messsignalstrom fließt, nur
zur Einstellung des gewünschten
negativen Kriechens bzw. der richtigen Relaxation.
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In 1 der
Zeichnung ist gleichzeitig oberhalb der Teildarstellung des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens
dessen Schubspannungs- τi und Dehnungsverlaufs εi über dessen relative
Länge Xi bei einer konstanten mittleren Dehnung εmi dargestellt.
Aus dem Schubspannungsverlauf 2 ist erkennbar, dass bei
einer Belastung des Dehnungsmessstreifens im Messgittersteg 5 auf
der gesamten Länge
c die Schubspannungen nahezu Null sind. Lediglich im Bereich des
dünnen
Querstegs 5 durch den der Messsignalstrom fließt, sind
geringe Schubspannungen 11 erkennbar, deren Auswirkung
auf dem Messsignalstrom vernachlässigbar
ist. Erst außerhalb
der stromführenden
Messgitter- 5 und Querstege 6 bauen sich im Bereich
der Längsstege 7 Schubspannungen
im Träger
auf, die am Beginn und Ende der Ankerflächen 8 die Spitzenwerte 12 und 14 erreichen.
Aus dem Schubspannungsverlauf 2 ist erkennbar, dass in
den Ankerflächen 8 die
größten Schubspannungen
auftreten. Diese Stellen sind aber so weit vom stromdurchflossenen,
messenden Teil des Messgitters entfernt, dass eine Veränderung
der Schubspannungsspitzen z.B. durch überproportionale Relaxation
des Trägers
und der Kleberschichten in diesen Bereichen kaum merkbare Auswirkungen
auf das Messsignal haben. Deshalb ist der Einfluss der erfindungsgemäßen Umkehrstellen 4 auf
die Relaxation in den Messgitterstegen 5 um Größenordnungen geringer
als bei den Umkehrstellen nach dem vorgenannten Stand der Technik,
da sie über
die Längsstege 7 der
Umkehrstellen 4 stark entkoppelt sind. Zur Verringerung
der Schubspannungsspitzen 12, 14 können die
Ankerflächen 8 mit
spitzen oder runden Ein- oder Auslaufenden ausgebildet sein. Eine
derartige Ankerfläche 8 mit
runden und spitz zulaufenden Einlauf- 9 und Auslaufenden 10 ist
aus 4 der Zeichnung erkennbar.
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Die
einfachste Ausbildung zur erfindungsgemäßen Einstellung des negativen
Kriechens eines Dehnungsmessstreifens ist in 2 der Zeichnung dargestellt.
Dabei besteht die Umkehrstelle 4 im Anschluss an die Messgitterstege 5 aus
einem schmalen Quersteg 6 und zwei verlängernden Längsstegen 7 der Länge b. Die
Längsstege 7 weisen
dabei eine Breite auf, die denen der Messgitterstege 5 entspricht.
Das gewünschte
negative Kriechen kann dabei durch die jeweilige Länge b der
Längsstege 7 bestimmt
werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung sind
keine besonderen Ankerflächen
innerhalb der Längsstege 7 vorgesehen.
Ein kleines positives Messkörperkriechen
wird dabei durch verhältnismäßig lange
und ein großes
Messkörperkriechen durch
verhältnismäßig kurze
Längsstege 7 kompensiert.
Bei einem gebräuchlichen
Dehnungsmessstreifen von 5 mm Länge
betragen die Längsstege 7 eine Länge b von
ca. 100 bis 250 μm.
Dabei bestimmt sich die Länge
b nicht nur aus der Stegbreite der Messgitterstege 5, sondern
in erster Linie von dem zu kompensierenden positiven Messkörperkriechen.
Entsprechende Längenmaße b können sowohl
experimentell ermittelt oder durch Vorgabe entsprechender Dehnungsparameter
berechnet werden.
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In 3 der
Zeichnung ist eine Umkehrstellenausbildung dargestellt, die zusätzlich Ätztoleranzen
durch besondere Ausbildung der Längsstege 7 ausgleicht.
Denn bei einer Ätztoleranz
von beispielsweise ± 2μm verändert sich
auch die Zugkraftwirkung der Messgitterstege 5 auf die
Umkehrstellen 4 und verändert
dadurch auch das negative Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens
nicht unerheblich. Würden
z.B. die Stege 5, 7, 6 in Folge von Ätztoleranzen
um das gleiche Maß breiter,
so würde
sich auch das negative Kriechen eines normalen Dehnungsmessstreifens
vergrößern, da
sich das Verhältnis
von Zugspannungen im Metallgitter zu den Schubspannungen in der
Trägerfolie
des Dehnungsmessstreifens zugunsten der Zugspannungen im Metallgitter verändern würde. Das
wird bei den Dehnungsmessstreifen nach 3 der Zeichnung
dadurch kompensiert, dass die Verbreiterung durch die Ätztoleranz
in den dünneren
Längssteg 7 eine
relativ größere Verbreiterung
bedeutet als in den Messgitterstegen 5. Eine relativ größere Verbreiterung
des Längssteges 7 wirkt aber
wie eine überproportionale
Vergrößerung einer
Umkehrstelle 4, was tendenziell eine Verkleinerung des
negativen Dehnungsmessstreifenskriechens zur Folge hat. Beide Einflüsse kompensieren sich
bei richtiger Dimensionierung, so dass das positive Kriechen des
Federkörpers
auch bei Dehnungsmessstreifen-Losen mit größeren Ätztoleranzen präzise zu
Null kompensiert werden kann. Dabei werden die Länge b und die Breite der Längsstege 7 in
geeigneter Weise dimensioniert, wobei eine größere Länge b ein kleineres negatives
Dehnungsmessstreifenkriechen und eine größere Breite eine geringe Kompensation
der Ätztoleranzen
bedeutet. Eine vorteilhafte Ausbildung eines Dehnungsmessstreifens
besitzt Messgitterstege 5 von 30 μm Breite und 3 mm Länge c, wobei
die Längsstege 7 dann
ca. 20 μm breit
und ca. 200 μm
lang (b) sind, um die Schubspannungen τ vorteilhaft vom Quersteg 6 zu
entkoppeln und die Ätztoleranzen
gut zu kompensieren. Dabei ist eine gleich bleibende Längsstegdicke
vorteilhaft für
mittlere bis größere negative
Kriechwerte des Dehnungsmessstreifens, mit der ebenfalls ein relativ mittleres
bis größeres Federkörperkriechen
ausgeglichen werden kann.
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In 4 der
Zeichnung ist eine Umkehrstellenausbildung dargestellt, die vorzugsweise
für ein relativ
kleines Federkörperkriechen
vorgesehen ist. Dazu sind die Enden der Längsstege 7 durch eine Verbreiterung
zu einer Ankerfläche 8 geformt,
durch die sich die Zugspannungen der Messgitterstege 5 auf
eine größere Fläche verteilen,
wodurch die Schubspannungen insgesamt geringer werden und dadurch
auch das negative Kriechen des Dehnungsmessstreifens verringert
wird. Dabei ergibt eine größere Gesamtfläche der
Anker 8 ein geringeres negatives Kriechen des Dehnungsmessstreifens.
Durch die ebenfalls verringerten Längsstegbreiten vor den Ankerflächen 8 gegenüber den
Messgitterstegbreiten wird gleichzeitig eine Kompensation der Ätztoleranzen
erreicht.
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Die
Verbreiterung am Ende der Längsstege 7 zu
einer Ankerfläche 8 ist
in 4 der Zeichnung mit einem abgerundeten Auslaufende 10 und
einem abgeschrägt
und rund ausgebildeten Einlaufende 9 dargestellt. Dadurch
werden insbesondere die Schubspannungsspitzen 12, 14 im
Ein- und Auslaufbereich mit ihren Spitzenwerten gegenüber der
rechteckigen Ausführung
nach 1 der Zeichnung abgebaut. Derartige Verbreiterungen
der Längsstege 7 zu
Ankerflächen 8 werden
vorzugsweise auf einer Länge
a von ca. 100 μm
vorgenommen und besitzen meist eine Breite von 80 bis 130 μm, wobei
der restliche Längssteg 7 noch
eine Länge
b von ca. 80 bis 150 μm aufweist.
Die Einlaufenden 9 können
zur Verringerung der Schubspannungen τ auch insgesamt schräg oder kegelförmig verlaufen.
Zur Verringerung der Schubspannungen τ im Endbereich der Ankerfläche 8 des
Längssteges 7 kann
auch das Auslaufende 10 schräg und damit spitz oder kegelförmig auslaufen.