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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftmessbolzen, welcher insbesondere bei Landmaschinen zur Messung von Querkräften eingesetzt werden kann. Der Einsatz des Kraftmessbolzens in anderen Anwendungen ist jedoch ebenso möglich.
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Kraftmessbolzen sind Verbindungsbolzen zwischen kraftübertragenden Maschinenelementen, die neben ihrer Funktion als Bolzen gleichzeitig eine Messung der in ihnen auftretenden Querkräfte ermöglichen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von Kraftmessbolzen sind Landmaschinen, wo sie beispielsweise zur Messung der auf die Hebehydraulik eines Ackerschleppers wirkenden Kräfte einsetzbar sind.
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Kraftmessbolzen, die auch als Messzapfen bezeichnet werden, dienen beispielsweise auch zur Bestimmung der Radlasten von Fahrzeugen, Landmaschinen und Anhängern. Ebenfalls ist der Einsatz von Messzapfen an Spannrollen möglich.
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Die
DE 101 05 298 C1 zeigt eine Radlagereinheit zum Messen der zwischen Reifen und Straße bei einem Fahrzeug wirkenden Kräfte. Am stehenden Lagerring oder dessen Gehäuse sind Sensoren angeordnet, um die Kräfte zwischen drehendem und stehendem Ring des Radlagers zu erfassen. Mindestens ein weiterer Sensor ist zwischen stehendem Lagerring und einem Bremssattel angeordnet, welcher die beim Bremsvorgang auf den Bremssattel wirkenden Kräfte misst.
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Aus der
DE 30 04 592 A1 ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung für eine Zugkraftregelung eines Traktors mit einem Bolzen bekannt, welcher als Bestandteil eines magnetoelastischen Gebers ausgebildet ist. Der Bolzen besteht aus einem weichmagnetischen Material und weist in einem Hohlraum einen Magnetkern mit einer Primärspule und Sekundärspulen auf. Der Magnetkern ist in einem Bereich des Bolzens, in welchem eine hohe Schubspannung auftritt, zwischen einer Unterlenkerlagerung und einer Gehäuselagerung, angeordnet. Unter Ausnutzung der Magnetoelastizität des Bolzens wird nach der Differenzmessmethode eine der Zugkraft im Unterlenker proportionale Messspannung ermittelt.
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Die
DE 33 31 986 C2 zeigt einen magnetoelastischen Kraftmessbolzen zur Messung von Schubspannungen. Der beidseitig gelagerte Kraftmessbolzen besteht aus einem ferromagnetischen Material und weist in seinem Inneren Spulen mit Kernen auf, die von der zu messenden Kraft einen senkrecht zur Längsachse des Bolzens verlaufenden Anteil in einer ersten und einer zweiten Messstelle ermitteln. Die erste Messstelle liegt zwischen der Krafteinleitungsstelle und einer ersten Lagerstelle. Die zweite Messstelle befindet sich zwischen der Krafteinleitungsstelle und einer zweiten Lagerstelle. Die in den beiden Messstellen ermittelten Messwerte werden summiert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Kraftmesssensor zur Messung von Querkräften zur Verfügung zu stellen, welcher kostengünstig zu fertigen ist, eine präzise Kraftmessung ermöglicht und aufwandsarm an verschiedene Messbereiche anpassbar ist.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Kraftmessbolzen gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Kraftmessbolzen besteht aus drei fest miteinander verbundenen Bauteilen. Ein erstes Bauteil dient zur Befestigung des Kraftmessbolzens an einer ersten Anschlusskonstruktion. Das erste Bauteil erstreckt sich von einem ersten Ende des Kraftmessbolzens in Längsrichtung des Kraftmessbolzens. Mit dem ersten Bauteil ist ein sich in Längsrichtung des Kraftmessbolzens erstreckendes zweites Bauteil fest verbunden. Auf dem zweiten Bauteil ist ein Messabschnitt angeordnet. In dem Messabschnitt befindet sich eine Messvorrichtung zum Messen mindestens einer senkrecht zu dem Messabschnitt wirkenden Kraft. Mit dem zweiten Bauteil ist ein drittes Bauteil fest verbunden, welches sich in Längsrichtung bis zu einem zweiten Ende des Kraftmessbolzens erstreckt. Das dritte Bauteil dient zur Befestigung des Kraftmessbolzens an einer zweiten Anschlusskonstruktion.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens besteht darin, dass durch seine mehrteilige Ausführung, die Möglichkeit besteht, unterschiedliche Materialien für verschiedene Bereiche des Kraftmessbolzens einsetzen zu können. So können für das erste Bauteil und das dritte Bauteil, welche zur Befestigung des Kraftmessbolzens an Anschlusskonstruktionen dienen, vorzugsweise kostengünstigerer Materialien verwendet werden. Für das mit Messfunktionalität ausgestattete zweite Bauteil kommen hingegen bevorzugt höherwertige, hochfeste Materialien zum Einsatz. Durch die Verwendung hochfester Materialien für das zweite Bauteil können in diesem Bereich große Dehnungen auftreten, ohne dass die Festigkeit des zweiten Bauteils gefährdet ist. Das aus höherwertigem Material bestehende zweite Bauteil kann so klein wie möglich dimensioniert werden, um den Kraftmessbolzens so kostengünstig wie möglich produzieren zu können. Der Messbereich kann auf einfache Art angepasst werden, vorzugsweise durch eine Variation der Dicke des Messabschnitts, wodurch ein näherungsweise gleichbleibender Messeffekt bei der jeweiligen Maximallast erreichbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt das zweite Bauteil einen ersten Befestigungsabschnitt zum Verbinden mit dem ersten Bauteil und einen zweiten Befestigungsabschnitt zum Verbinden mit dem dritten Bauteil. Die beiden Befestigungsabschnitte erstrecken sich jeweils von einem Ende des zweiten Bauteils in Längsrichtung des Kraftmessbolzens bis zu dem Messabschnitt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Befestigungsabschnitt zumindest abschnittsweise innerhalb des ersten Bauteils angeordnet und der zweite Befestigungsabschnitt zumindest abschnittsweise innerhalb des dritten Bauteils angeordnet. Das erste und das dritte Bauteil weisen hierzu vorzugsweise entsprechende Ausnehmungen zur Aufnahme der Befestigungsabschnitte auf. Alternativ können die Befestigungsabschnitte auch an dem Außenumfang des ersten und des dritten Bauteils angreifen. In diesem Fall könnten die Befestigungsabschnitte mit entsprechenden Ausnehmungen zur Aufnahme des ersten und des dritten Bauteils ausgestattet sein.
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Das zweite Bauteil ist gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil und dem dritten Bauteil verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann vorzugsweise durch eine Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindung realisiert sein. Alternativ können die Bauteile auch formschlüssig miteinander verbunden sein, zum Beispiel durch eine Bajonettverbindung oder eine Fügeverbindung, bevorzugt eine thermische Fügeverbindung. Die Verbindungsstellen zwischen den Bauteilen sind vorzugsweise abgedichtet.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet als Messvorrichtung zumindest einen im Messabschnitt am Kraftmessbolzen befestigten Dehnungsmessstreifen. Der Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise am Messabschnitt aufgeklebt sein. Mittels Dehnungsmessstreifen werden die durch die auftretenden Kräfte verursachten Dehnungen erfasst. Der Dehnungsmessstreifen ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt am zweiten Bauteil angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in das erste Bauteil und nicht bis in das dritte Bauteil.
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Um die bei geklebten Dehnungsmesstreifen auftretende Sensordrift durch Materialkriechen zu verhindern, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, einen Dehnungssensor in Form einer im Messabschnitt befindlichen mehrschichtigen Beschichtung auszubilden. Die mehrschichtige Beschichtung ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt am zweiten Bauteil angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in das erste Bauteil und nicht bis in das dritte Bauteil. In diesem Zusammenhang wird auf die sogenannte Sensotect-Beschichtung der Anmelderin verwiesen. Zur Realisierung der Beschichtung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. So kann das zweite Bauteil unmittelbar selbst im Messabschnitt mit der mehrschichtigen Beschichtung versehen werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Oberfläche des zweiten Bauteils im Messabschnitt vor dem Aufbringen der Beschichtung einer Feinbearbeitung, beispielsweise einer Polierbehandlung, zu unterziehen. Alternativ hat sich die Verwendung eines mit einer derartigen Beschichtung versehen Trägers, vorzugsweise aus einem anorganischen Material, als zweckmäßig erwiesen. Der das zweite Bauteil im Messabschnitt umgebende Träger ist mit dem zweiten Bauteil im Messabschnitt stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden. Der Träger kann zum Beispiel mittels Schweißen, Klemmen, Schrauben oder Verklinken am zweiten Bauteil befestigt sein. Die Beschichtung ist vorzugsweise mittels einer Vergussmasse abgedichtet, welche bevorzugt gleichzeitig auch zur Abdichtung der Verbindungsstellen zwischen dem zweiten Bauteil und dem ersten Bauteil bzw. dem dritten Bauteil dient.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Messvorrichtung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt basieren, bei welchem die magnetische Permeabilität eines magnetisierbaren Materials unter Krafteinwirkung eine Vorzugsrichtung aufweist. Es besteht die Möglichkeit einer permanenten Magnetisierung oder einer externen Magnetisierung zur Betriebszeit der Messvorrichtung. Die Messvorrichtung umfasst hierbei einen Primärsensor in Form eines im Messabschnitt angeordneten magnetisch kodierten Abschnitts sowie einen Sekundärsensor zum Umwandeln der durch die zu messende Kraft bewirkten Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal. Der Sekundärsensor ist gegenüber dem magnetisch kodierten Abschnitt angeordnet, insbesondere in unmittelbarer Nähe zum magnetisch kodierten Abschnitt. Der magnetisch kodierte Abschnitt ist bevorzugt ausschließlich im Messabschnitt am zweiten Bauteil angeordnet und erstreckt sich somit nicht bis in das erste Bauteil und nicht bis in das dritte Bauteil. Für die Ausführung des magnetisch kodierten Abschnitts stehen zwei Varianten zur Verfügung. Die erste Variante verwendet für das zweite Bauteil ein geeignetes magnetisierbares Material. Die zweite Variante nutzt einen separaten Träger, welcher das zweite Bauteil im Messabschnitt umgibt und den magnetisch kodierten Abschnitt aufweist. Der Träger ist mit dem zweiten Bauteil im Messabschnitt stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden. Er kann zum Beispiel mittels Schweißen, Klemmen, Schrauben oder Verklinken am zweiten Bauteil befestigt sein. Der Sekundärsensor ist vorzugsweise als Magnetfeldsensor ausgebildet. Es können mehrere der Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen. Der Primärsensor wandelt die anliegenden Kräfte in ein magnetisches Signal um, welches auf der Oberfläche des Messabschnitts erfasst werden kann. Der Sekundärsensor ist in unmittelbarer Nähe des magnetisch kodierten Abschnitts angeordnet. Er setzt die Änderungen des magnetischen Feldes, welche durch Kräfte im Primärsensor verursacht werden, in ein elektrisches Signal um.
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Das zweite Bauteil besitzt in dem Messabschnitt vorzugsweise eine Öffnung zum Durchführen von Anschlusskontakten zur Kontaktierung der Messvorrichtung. Im Inneren des zweiten Bauteils ist bevorzugt eine Steck- oder Crimpverbindung ausgebildet, auf welche die Anschlusskontakte geführt sind. Die zum Betrieb der Messvorrichtung benötigte Elektronik wird, vorzugsweise nach dem das zweite Bauteil mit dem ersten und dem dritten Bauteil verbunden wurde, in das Innere des Kraftmessbolzens eingebracht und auf die Steck- oder Crimpverbindung aufgesteckt. Das erste oder das dritte Bauteil besitzen vorzugsweise eine Ausnehmung zur Durchführung der Elektronik. Ein die Elektronik aufweisender Träger kann sich bevorzugt zumindest abschnittsweise über das zweite Bauteil hinaus in das erste und/oder dritte Bauteil erstrecken. Zur sicheren Halterung der Elektronik in ihrer Position hat sich die Verwendung von zusätzlichen Halterungselementen, wie beispielsweise Snap-In-Verbindungselementen, Sicherungsringen oder ähnlichen Bauelementen als vorteilhaft erwiesen. Wichtig ist die Herstellung einer mechanisch stabilen Verbindung zwischen der Elektronik und der Steck- oder Crimpverbindung des zweiten Bauteils, die sich bei im Betrieb des Kraftmessbolzens auftretenden Lasten nicht lösen kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Messabschnitt eine profilierte Oberfläche, vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche. Die gekrümmte Oberfläche weist bevorzugt einen konkaven Querschnitt in Längsrichtung des Kraftmessbolzens auf. Hierdurch kommt es zu erhöhten Dehnungen im Messabschnitt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens in einer zweiten Ausführungsform; und
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3 eine Detailansicht eines einen Messabschnitt aufweisenden zweiten Bauteils des Kraftmessbolzens gemäß 1.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens 01 in einer ersten Ausführungsform. Der Kraftmessbolzen 01 weist zunächst ein erstes Bauteil 02 auf. Das erste Bauteil 02 erstreckt sich von einem ersten axialen Ende des Kraftmessbolzens 01 in Längsrichtung. Das erste Bauteil 02 dient zur Befestigung des Kraftmessbolzens 01 an einer ersten Anschlusskonstruktion (nicht dargestellt). Der Kraftmessbolzen eignet sich bevorzugt zur Messung von Querkräften, die senkrecht zu seiner Längsachse auf ihn einwirken.
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Mit dem ersten Bauteil 02 ist ein zweites Bauteil 03 fest verbunden, welches sich ebenfalls in Längsrichtung des Kraftmessbolzens 01 erstreckt. 3 kann eine Detailansicht des zweiten Bauteils 03 entnommen werden. Das zweite Bauteil 03 besitzt einen ersten Befestigungsabschnitt 04, der sich von einem ersten axialen Ende des zweiten Bauteils 03 in Längsrichtung des zweiten Bauteils 03 erstreckt. Über den ersten Befestigungsabschnitt 04 ist das zweite Bauteil 03 mit dem ersten Bauteil 02 fest verbunden, vorzugsweise über eine stoffschlüssige Verbindung. Die Verbindung kann bevorzugt als Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindung oder Fügeverbindung, vorzugsweise thermische Fügeverbindung, ausgebildet sein. Alternativ können das erste Bauteil 03 und der erste Befestigungsabschnitt 04 des zweiten Bauteils 03 auch formschlüssig miteinander verbunden sein, beispielsweise durch eine Bajonettverbindung. Die Verbindungsstelle zwischen dem ersten Bauteil 02 und dem zweiten Bauteil 03 ist vorzugsweise abgedichtet. In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der erste Befestigungsabschnitt 04 innerhalb einer Ausnehmung 05 des ersten Bauteils 02.
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Dem ersten Befestigungsabschnitt 04 folgt in axialer Richtung ein Messabschnitt 07. Im Bereich des Messabschnitts 07 ist eine Messvorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet, welche zum Messen der quer oder parallel zur Längsachse des Messabschnitts 07 auf den Kraftmessbolzen 01 wirkenden Zug- und Druck-Kräfte dient. Der Messabschnitt 07 erstreckt sich ebenfalls in Längsrichtung des Kraftmessbolzens 01. Im dargestellten Beispiel besitzt der Messabschnitt 07 einen erweiterten Querschnitt gegenüber den an ihn angrenzenden Befestigungsabschnitten. Die Messvorrichtung kann im einfachsten Fall mindestens einen im Bereich des Messabschnitts 07 am zweiten Bauteil 03 befestigten Dehnungsmessstreifen (nicht dargestellt) umfassen. Der Dehnungsmessstreifen kann wie allgemein üblich auf das zweite Bauteil 03 mittels einer Klebeverbindung fixiert sein. Zur Vermeidung der bei geklebten Dehnungsmessstreifen zwangsläufig auftretenden Sensordrift durch Kriechen hat sich jedoch ein Dehnungssensor in Form einer im Messabschnitt 07 befindlichen mehrschichtigen Beschichtung (nicht dargestellt) als günstiger erwiesen. Hierbei kann zum einen das zweite Bauteil 03 im Bereich des Messabschnitts 07 mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Beschichtung auf einen Träger (nicht dargestellt), vorzugsweise aus einem anorganischen Material, anzubringen. Der Träger ist derart ausgebildet, dass er das zweite Bauteil 03 im Bereich des Messabschnitts 07 umgibt. Zwischen dem zweiten Bauteil 03 und dem Träger besteht eine stoff-, reib- oder formschlüssige Verbindung, welche beispielsweise durch Schweißen, Klemmen oder Verklinken des Trägers am zweiten Bauteil 03 hergestellt wird.
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Eine alternative Ausführung verwendet eine auf dem invers magnetostriktiven Effekt basierende Messvorrichtung (nicht dargestellt). In diesem Fall umfasst die Messvorrichtung vorzugsweise einen Primärsensor in Form eines im Messabschnitt 07 angeordneten magnetisch kodierten Abschnitts sowie einen Sekundärsensor, welcher bevorzugt als Magnetfeldsensor ausgeführt ist. Der Sekundärsensor ist im Bereich des magnetisch kodierten Abschnitts angeordnet. Er setzt die Änderungen des magnetischen Feldes, welche durch Kräfte im Primärsensor verursacht werden, in ein elektrisches Signal um. Der magnetisch kodierte Abschnitt kann dadurch realisiert werden, dass für das zweite Bauteil 03 ein geeignetes magnetisierbares Material Verwendung findet. Ebenfalls denkbar ist ein separater Träger mit einem magnetisch kodierten Abschnitt. Der das zweite Bauteil 03 im Messabschnitt 07 umgebende Träger ist mit dem zweiten Bauteil 03 stoff-, reib- oder formschlüssig verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise mittels Schweißen, Klemmen oder Verklingen erzeugt wird.
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Dem Messabschnitt 07 schließt sich ein zweiter Befestigungsabschnitt 08 an. Der zweite Befestigungsabschnitt 08 erstreckt sich in Längsrichtung des Kraftmessbolzens 01 bis zu einem zweiten axialen Ende des zweiten Bauteils 03. Mit dem zweiten Befestigungsabschnitt 08 erfolgt die Befestigung des zweiten Bauteils 03 an einem dritten Bauteil 09. Der zweite Befestigungsabschnitt 08 ist fest mit dem dritten Bauteil 09 verbunden. Die Verbindung kann adäquat zu der oben beschriebenen Verbindung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 04 des zweiten Bauteils 03 und dem ersten Bauteil 02 ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführung befindet sich der zweite Befestigungsabschnitt 08 innerhalb einer ersten Ausnehmung 10 des dritten Bauteils 09. Das dritte Bauteil 09 dient zur Befestigung des Kraftmessbolzens 01 an einer zweiten Anschlusskonstruktion (nicht dargestellt). Es erstreckt sich in Längsrichtung des Kraftmessbolzens 01 bis zu einem zweiten Ende des Kraftmessbolzens 01. Das dritte Bauteil 09 besitzt eine zweite Ausnehmung 12, welche sich axial von dem zweiten Ende des Kraftmessbolzens 01 in Längsrichtung bis zu der ersten Ausnehmung 10 des dritten Bauteils 09 erstreckt. Die zweite Ausnehmung 12 dient zum Einführen eines Trägers 13, auf welchem die für den Betrieb der Messvorrichtung (nicht dargestellt) benötigten elektronischen Bauelemente (nicht dargestellt) angeordnet sind. Im Inneren des zweiten Bauteils 03 ist vorzugsweise eine Steck- oder Crimpverbindung (nicht dargestellt) ausgebildet, auf welche der Träger 13 aufgesteckt ist.
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Das zweite Bauteil 03 weist in dem Messabschnitt 07 eine Öffnung 14 auf. Durch die Öffnung 14 sind die Anschlusskontakte (nicht dargestellt) zur Kontaktierung der Messvorrichtung auf die im Inneren befindliche Steck- oder Crimpverbindung geführt.
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Bevorzugt sind die Bauteile 02, 03, 09 jeweils bolzenartig mit rotationssymmetrischem Querschnitt ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Kraftmessbolzens 01 in einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführung lediglich in der Ausgestaltung des Messabschnitts 07. Der Messabschnitt 07 besitzt hier keine ebene sondern eine gekrümmte Oberfläche, welche einen konkaven Querschnitt in Längsrichtung des Kraftmessbolzens aufweist. Durch die abgewandelte Formgebung des Messabschnitts 07 treten höhere Dehnungen im Messabschnitt 07 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Kraftmessbolzen
- 02
- erstes Bauteil
- 03
- zweites Bauteil
- 04
- erster Befestigungsabschnitt des zweiten Bauteils
- 05
- Ausnehmung des ersten Bauteils
- 06
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- 07
- Messabschnitt
- 08
- zweiter Befestigungsabschnitt des zweiten Bauteils
- 09
- drittes Bauteil
- 10
- erste Ausnehmung des dritten Bauteils
- 11
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- 12
- zweite Ausnehmung des dritten Bauteils
- 13
- Träger
- 14
- Öffnung des zweiten Bauteils
