DE102019103625A1 - Force measuring device - Google Patents

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DE102019103625A1
DE102019103625A1 DE102019103625.9A DE102019103625A DE102019103625A1 DE 102019103625 A1 DE102019103625 A1 DE 102019103625A1 DE 102019103625 A DE102019103625 A DE 102019103625A DE 102019103625 A1 DE102019103625 A1 DE 102019103625A1
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Lars Freudigmann
Sebastian Horn
Sven Riexinger
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Fischerwerke GmbH and Co KG
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Fischerwerke GmbH and Co KG
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    • F16B31/028—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load with a load-indicating washer or washer assembly
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung (1), die einen ersten Kraftaufnahmekörper (2) und einen zweiten Kraftaufnahmekörper (9) aufweist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 9) ist ein lastfreier Bereich (21) angeordnet, in welchem Kondensatoren (16) angeordnet sind. Durch die Kondensatoren (16) ist eine Verkippung der Kraftaufnahmekörper (2, 9) zueinander detektierbar, was in einer Abstandsänderung zwischen ersten und zweiten Kondensatorflächen (18, 19) der Kondensatoren (16) resultiert. Durch den lastfreien Bereich (21) werden die Kondensatoren (16) nicht kraftbeaufschlagt.The invention relates to a force measuring device (1) which has a first force absorbing body (2) and a second force absorbing body (9). A load-free area (21), in which capacitors (16) are arranged, is arranged between the first and the second force-absorbing body (2, 9). Tilting of the force absorbing bodies (2, 9) relative to one another can be detected by the capacitors (16), which results in a change in the distance between the first and second capacitor surfaces (18, 19) of the capacitors (16). The capacitors (16) are not subjected to force due to the load-free area (21).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a force measuring device for measuring and monitoring a pretensioning force of a mechanical connection with the features of the preamble of claim 1.

Eine derartige Kraftmessvorrichtung ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2016 219 953 A1 offenbart. Die in der Offenlegungsschrift offenbarte Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, die zwischen einem Bauteil und einem Befestigungsgrund hergestellt wird. Die Vorspannkraft wird hierbei durch eine Schraube erzeugt, die durch das Bauteil in den Befestigungsgrund geschraubt ist, wobei ein Schraubenkopf mit dem Bauteil in Anlage tritt. Zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil ist ein Sensorelement in Form einer Unterlegscheibe angeordnet. Dieses Sensorelement beinhaltet drei kapazitive Sensoren, wobei die kapazitiven Sensoren derart zueinander radial bezüglich der Schraube angeordnet sind, dass eine Verkippung der Schraube bezüglich des Untergrunds, respektive eine Verkippung des Bauteils bezüglich des Untergrunds, detektierbar ist. Die kapazitiven Sensoren bilden hierbei in einer Ebene parallel zum Untergrund die Endpunkte eines gedachten gleichseitigen Dreiecks. Kommt es zu einer Verkippung, detektieren die kapazitiven Sensoren, abhängig von der Stärke bzw. der Position der Verkippung, unterschiedliche Messsignale aufgrund unterschiedlicher Abstände, wodurch auf die Bewegung des Bauteils respektive der Änderung der Vorspannkraft der mechanischen Verbindung rückgeschlossen werden kann.Such a force measuring device is in the laid-open specification DE 10 2016 219 953 A1 disclosed. The invention disclosed in the laid-open specification relates to a device for measuring the prestressing force of a mechanical connection that is established between a component and a fastening base. The pretensioning force is generated by a screw that is screwed through the component into the mounting base, with a screw head coming into contact with the component. A sensor element in the form of a washer is arranged between the screw head and the component. This sensor element contains three capacitive sensors, the capacitive sensors being arranged radially with respect to the screw in such a way that a tilting of the screw with respect to the subsurface, or a tilting of the component with respect to the subsurface, can be detected. The capacitive sensors form the end points of an imaginary equilateral triangle in a plane parallel to the ground. If tilting occurs, the capacitive sensors detect different measurement signals depending on the strength or the position of the tilting due to different distances, whereby conclusions can be drawn about the movement of the component or the change in the preload force of the mechanical connection.

Nachteilig an der in der Offenlegungsschrift dargestellten Lösung ist jedoch, dass das Sensorelement nur bedingt große Vorspannkräfte aufnehmen kann, da die Vorspannkraft, die von der Schraube auf das Anbauteil und den Untergrund ausgeübt wird, unmittelbar auf die kapazitiven Sensoren des Sensorkörpers einwirkt. Überschreitet die Vorspannkraft einen von der Ausgestaltung des Sensorkörpers abhängigen Grenzwert, werden die kapazitiven Sensoren unweigerlich beschädigt, im schlimmsten Fall zerstört.The disadvantage of the solution presented in the laid-open specification, however, is that the sensor element can only absorb large pre-tensioning forces to a limited extent, since the pre-tensioning force exerted by the screw on the attachment and the substrate acts directly on the capacitive sensors of the sensor body. If the pre-tensioning force exceeds a limit value that depends on the design of the sensor body, the capacitive sensors are inevitably damaged, in the worst case destroyed.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftmessvorrichtung vorzuschlagen, die in der Lage ist, gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilte Vorspannkräfte von mehreren hundert Kilonewton (kN) aufzunehmen und eine Änderung derartig großer Vorspannkräfte zuverlässig detektieren zu können.The object of the invention is to propose a force measuring device which is able to absorb uniformly or non-uniformly distributed prestressing forces of several hundred kilonewtons (kN) and to be able to reliably detect a change of such large prestressing forces.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schlägt eine Kraftmessvorrichtung zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung vor. Unter einer „mechanischen Verbindung“ ist insbesondere eine Schraubverbindung zu verstehen, bei der ein Anbauteil gegen einen Untergrund planmäßig mit einer Vorspannkraft gedrückt wird, aber auch sämtliche Schraubverbindungen, bei denen eine Detektion einer Änderung der Vorspannkraft relevant ist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für stark belastete mechanische Verbindungen sowie mechanische Verbindungen im Sicherheitsbereich vorgesehen. Derartige Anwendungen finden sich beispielsweise bei Achterbahnen, Brückenkonstruktionen, Flugzeugen, Zügen oder dergleichen wieder, bei welchen es von größter Wichtigkeit ist, eine Änderung der Vorspannkraft zuverlässig und unmittelbar zu detektieren und sogar in Echtzeit überwachen zu können.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. The invention proposes a force measuring device for measuring and monitoring a pretensioning force of a mechanical connection. A “mechanical connection” is to be understood as meaning, in particular, a screw connection in which an add-on part is systematically pressed against a substrate with a pre-tensioning force, but also all screw connections in which a change in the pre-tensioning force is detected. In particular, the present invention is intended for heavily loaded mechanical connections and mechanical connections in the security area. Such applications can be found, for example, in roller coasters, bridge structures, aircraft, trains or the like, in which it is of the utmost importance to be able to reliably and immediately detect a change in the preload force and even to be able to monitor it in real time.

Die Kraftmessvorrichtung umfasst einen ersten, insbesondere hülsenartigen Kraftaufnahmekörper mit einer ersten Durchgangsöffnung und einen zweiten, insbesondere hülsenartigen Kraftaufnahmekörper mit einer zweiten Durchgangsöffnung, wobei die erste und die zweite Durchgangsöffnung einen gemeinsamen Durchgang der Kraftmessvorrichtung zur Aufnahme eines Befestigungselements bilden. Der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper sind insbesondere geometrisch identisch ausgestaltet. Das Befestigungselement ist insbesondere eine Schraube mit einem Schraubenkopf oder eine Gewindestange, an der eine Mutter angeordnet ist. Das Befestigungselement kann jedoch auch als Spreizanker oder Verbundanker ausgeführt sein, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Der Durchgang der Kraftmessvorrichtung erstreckt sich entlang einer Kraftmessvorrichtungslängsachse, wobei das Befestigungselement in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse in den Durchgang einführbar ist. Anders gesprochen sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufsteckbar.The force measuring device comprises a first, in particular sleeve-like force absorbing body with a first through opening and a second, in particular sleeve-like force absorbing body with a second through opening, the first and second through opening forming a common passage of the force measuring device for receiving a fastening element. The first and the second force absorbing body are designed in particular geometrically identical. The fastening element is in particular a screw with a screw head or a threaded rod on which a nut is arranged. However, the fastening element can also be designed as an expansion anchor or composite anchor, this list not being exhaustive. The passage of the force measuring device extends along a force measuring device longitudinal axis, wherein the fastening element can be introduced into the passage in the direction of the force measuring device longitudinal axis. In other words, the first and the second force absorbing body can be slipped onto the fastening element.

Der erste Kraftaufnahmekörper weist insbesondere eine erste, insbesondere plane, Anlagefläche auf, wobei die erste Anlagefläche zur Anlage einer Mutter, eines Schraubenkopfes oder dergleichen des Befestigungselements dient, wenn der erste Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufgesteckt ist. Zwischen der ersten Anlagefläche und dem Befestigungselement kann zudem eine Unterlegscheibe angeordnet sein. Der zweite Kraftaufnahmekörper weist insbesondere eine zweite, insbesondere plane, Anlagefläche auf, wobei die zweite Anlagefläche zur Anlage am Anbauteil oder am Befestigungsgrund selbst vorgesehen ist. Insbesondere sind, wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf dem Befestigungselement angeordnet, sprich aufgesteckt sind, die erste und die zweite Anlagefläche parallel zueinander orientiert. Somit wird eine durch das Befestigungselement hervorgerufene Vorspannkraft auf den Befestigungsgrund von dem Befestigungselement über den ersten Kraftaufnahmekörper und den zweiten Kraftaufnahmekörper auf den Befestigungsgrund übertragen. Anders gesprochen verspannt das Befestigungselement den ersten und den zweiten Kraftaufnahmekörper gegeneinander und gegen den Befestigungsgrund. Die Kraftaufnahmekörper müssen nicht zwangsläufig hülsenartig ausgestaltet sein. Eine plattenartige oder scheibenartige Ausgestaltung der Aufnahmekörper ist ebenfalls möglich. Wesentlich für die Erfindung ist lediglich, dass beide Aufnahmekörper eine Durchgangsöffnung zur Aufnahme des Befestigungselements aufweisen.The first force absorbing body has, in particular, a first, in particular plane, contact surface, the first contact surface serving to contact a nut, a screw head or the like of the fastening element when the first force absorbing body is slipped onto the fastening element. A washer can also be arranged between the first contact surface and the fastening element. The second force-absorbing body has, in particular, a second, in particular plane, contact surface, the second contact surface being provided for contact with the attachment or the fastening base itself. In particular, when the first and the second force-absorbing body are arranged on the fastening element, that is to say are slipped on, the first and the second contact surface are oriented parallel to one another. Thus, a prestressing force caused by the fastening element is applied to the fastening base from the fastening element via the first Transfer the force absorbing body and the second force absorbing body to the mounting base. In other words, the fastening element braces the first and second force-absorbing bodies against one another and against the fastening base. The force-absorbing bodies do not necessarily have to be designed like a sleeve. A plate-like or disk-like design of the receiving body is also possible. It is only essential for the invention that both receiving bodies have a through opening for receiving the fastening element.

Zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper sind mehrere Sensorelemente angeordnet, die jeweils und insbesondere in einem gleichen Abstand radial zu der Kraftmessvorrichtungslängsachse beabstandet angeordnet sind. Mit „zwischen“ ist gemeint, dass wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufgesteckt sind, sich die Sensorelemente räumlich und bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse gesehen zwischen den Kraftaufnahmekörpern befinden. Hierbei können die Sensorelemente auch über eine maximale radiale Ausdehnung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse hervorstehen und im Extremfall gänzlich außerhalb der radialen Ausdehnung der Kraftaufnahmekörper angeordnet sein. Zudem sind die Sensorelemente auch in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Insbesondere weist die Kraftmessvorrichtung mindestens zwei Sensorelemente auf. Mindestens zwei Sensorelemente sind notwendig, um eine Verkippung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander und somit eine Änderung der Vorspannkraft in zumindest zwei Richtungen zu detektieren. Bevorzugt ist jedoch eine Überwachung der Vorspannkraft in einer Ebene, wobei die Ebene orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse orientiert ist. Bevorzugt weist die Kraftmessvorrichtung hierfür mindestens drei Sensorelemente auf, wobei die Sensorelemente insbesondere auf einem Kreis in der Ebene in Abständen von maximal 120° zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt weist die Kraftmessvorrichtung jedoch mindestens vier Sensorelemente auf, welche insbesondere auf einem Kreis in der Ebene in Abständen von maximal 90° zueinander angeordnet sind. Durch die spezielle Anordnung mehrerer Sensorelemente ist es möglich, eine Verkippung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander in der Ebene zu detektieren. Eine Verkippung resultiert in verschieden großen Messsignalen der Sensorelemente, wodurch auf die Änderung der Vorspannkraft rückgeschlossen werden kann. Ändert sich die Vorspannkraft gleichmäßig, werden also der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper gleichmäßig voneinander beabstandet, detektieren alle Sensorelemente näherungsweise gleich große Messsignale. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die beiden Kraftaufnahmekörper durch Anziehen der Mutter des Befestigungselements, gegeneinander verspannt werden. Als Sensorelemente können prinzipiell jede Art von Sensorelementen dienen, die in der Lage sind, eine relative Bewegung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander festzustellen, wenn die Kraftaufnahmekörper am Befestigungselement angeordnet sind. Hierzu zählen insbesondere Sensorelemente, die als Kondensatoren ausgebildet sind, wobei ein Sensorelement insbesondere zwei Kodensatorflächen umfasst, die einen Kondensator bilden. Auch Sensorelemente, die im Wesentlichen auf einer optischen Abstandsmessung basieren, wie es beispielsweise bei der Lasertriangulation der Fall ist, sind vorstellbar.A plurality of sensor elements are arranged between the first and the second force-absorbing body, each of which, in particular, is arranged at the same distance radially from the longitudinal axis of the force-measuring device. “Between” means that when the first and the second force absorbing body are attached to the fastening element, the sensor elements are located spatially and in relation to the longitudinal axis of the force measuring device between the force absorbing bodies. Here, the sensor elements can also protrude beyond a maximum radial extent of the first and the second force absorbing body with respect to the longitudinal axis of the force measuring device and, in the extreme case, can be arranged entirely outside the radial extent of the force absorbing body. In addition, the sensor elements are also spaced apart from one another in the circumferential direction. In particular, the force measuring device has at least two sensor elements. At least two sensor elements are necessary in order to detect a tilting of the first and the second force-absorbing body relative to one another and thus a change in the pretensioning force in at least two directions. However, it is preferred to monitor the pretensioning force in a plane, the plane being oriented orthogonally to the longitudinal axis of the force measuring device. For this purpose, the force measuring device preferably has at least three sensor elements, the sensor elements being arranged in particular on a circle in the plane at intervals of a maximum of 120 ° from one another. Particularly preferably, however, the force measuring device has at least four sensor elements, which are arranged in particular on a circle in the plane at intervals of a maximum of 90 ° from one another. The special arrangement of several sensor elements makes it possible to detect a tilting of the first and second force-absorbing body relative to one another in the plane. Tilting results in measurement signals of different sizes from the sensor elements, which means that conclusions can be drawn about the change in the pretensioning force. If the pretensioning force changes uniformly, that is to say if the first and the second force-absorbing body are evenly spaced from one another, then all sensor elements detect measurement signals of approximately the same size. This is particularly the case when the two force-absorbing bodies are braced against one another by tightening the nut of the fastening element. In principle, any type of sensor element which is able to determine a relative movement of the first and second force absorbing body to one another when the force absorbing bodies are arranged on the fastening element can serve as sensor elements. These include, in particular, sensor elements that are designed as capacitors, a sensor element in particular comprising two capacitor surfaces that form a capacitor. Sensor elements that are essentially based on an optical distance measurement, as is the case with laser triangulation, for example, are also conceivable.

Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ein elastisch deformierbares Lastelement zur Übertragung der durch das Befestigungselement aufgebrachten Vorspannkraft von dem ersten auf den zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet ist und dass zudem zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ein lastfreier Bereich angeordnet ist, der keine Vorspannkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper überträgt, wobei die Sensorelemente nur in dem lastfreien Bereich angeordnet sind. Das Lastelement ist insbesondere aus einem Metall hergestellt, welches in der Lage ist, sich bei einer Kraft von mehreren Hundert kN elastisch zu verformen. Auch eine elastisch verformbare Keramik ist denkbar. Das Lastelement weist insbesondere die Form eines sich insbesondere in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse erstreckenden Rohrs, Zylinders oder Quaders auf, wobei die Form letztendlich beliebig ausgestaltet sein kann. Bildlich gesprochen, fungiert das Lastelement also als eine Art „elastischer Puffer“ zwischen den Kraftaufnahmekörpern, wobei das Lastelement die Vorspannkraft, die insbesondere ausschließlich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse wirkt, aufnimmt und durch diese reversibel komprimiert wird. Die Vorspannkraft wird somit durch das Befestigungselement über den ersten Kraftaufnahmekörper auf das Lastelement, den zweiten Kraftaufnahmekörper und schließlich auf das Anbauteil und den Befestigungsgrund übertragen.It is characteristic of the invention that an elastically deformable load element is arranged between the first and the second force absorbing body to transfer the prestressing force applied by the fastening element from the first to the second force absorbing body and that a load-free area is also arranged between the first and the second force absorbing body , which does not transmit any pretensioning force between the first and the second force-absorbing body, the sensor elements being arranged only in the load-free area. In particular, the load element is made of a metal which is able to deform elastically at a force of several hundred kN. An elastically deformable ceramic is also conceivable. The load element has, in particular, the shape of a tube, cylinder or cuboid that extends in particular in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device, wherein the shape can ultimately be configured as desired. Figuratively speaking, the load element thus functions as a kind of “elastic buffer” between the force absorbing bodies, the load element absorbing the pretensioning force, which in particular acts exclusively in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device, and is reversibly compressed by this. The pretensioning force is thus transmitted by the fastening element via the first force-absorbing body to the load element, the second force-absorbing body and finally to the attachment and the fastening base.

Das Lastelement ist ebenfalls insbesondere hülsenartig ausgestaltet und insbesondere mit einer Lastelementdurchgangsöffnung zum Aufstecken auf das Befestigungselement versehen. Insbesondere korrespondiert hierbei die Lastelementdurchgangsöffnung mit dem gemeinsamen Durchgang der Kraftmessvorrichtung. Das Lastelement kann einteilig ausgestaltet sein und, wenn es zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet ist, plan mit einer ersten Stirnseite am ersten und plan mit einer zweiten Stirnseite am zweiten Kraftaufnahmekörper anliegen. Auch ist es möglich, dass das Lastelement mit einem oder beiden Kraftaufnahmekörpern fest, insbesondere einstückig, verbunden ist. Insbesondere sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper sowie das Lastelement koaxial auf dem Befestigungselement angeordnet. Das Lastelement weist hierbei insbesondere eine Lastelementfläche auf, die weniger als 90%, insbesondere weniger als 75%, bevorzugt weniger als 60% einer gemeinsamen Deckfläche entspricht, die zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ausgebildet ist, wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf dem Befestigungselement aufgesteckt sind. Die gemeinsame Deckfläche korrespondiert insbesondere mit der radialen Ausdehnung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse. Die gemeinsame Deckfläche ist insbesondere eine Kreisfläche. Durch das Verhältnis der Lastelementfläche und der gemeinsamen Deckfläche steht insbesondere das Lastelement radial bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse nicht über den ersten und den zweiten Kraftaufnahmekörper über. Insbesondere entsteht hierdurch ein lastfreier Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper. Die Gestalt des lastfreien Bereichs zwischen den Kraftaufnahmekörpern ist von der Ausgestaltung des Lastaufnahmekörpers abhängig. Unter einem „lastfreien Bereich“ soll ein Bereich verstanden werden, der nur einen sehr geringen Anteil der Vorspannkräfte der mechanischen Verbindung, insbesondere weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, insbesondere keine Vorspannkraft aufnimmt. Die Sensorelemente sind nur in dem lastfreien Bereich angeordnet. Dies hat zur Folge, dass, wenn die Kraftmessvorrichtung wie vorgesehen eingesetzt wird, die Sensorelemente selbst bei Vorspannkräften von mehreren Hundert kN nicht beschädigt werden, da diese nicht im Kraftfluss der Kraftmessvorrichtung liegen und somit im Wesentlichen nicht belastet sind. Das Material und der Querschnitt der Lastelemente sind auf die aufzuwendende Kraft abzustimmen. Es muss gewährleistet sein, dass die Lastelemente stets im elastischen Bereich betrieben werden und sich nicht plastisch verformen.The load element is also designed, in particular, like a sleeve and, in particular, is provided with a load element through opening for plugging onto the fastening element. In particular, the load element passage opening corresponds here to the common passage of the force measuring device. The load element can be designed in one piece and, if it is arranged between the first and the second force absorbing body, lie flat with a first end face on the first and planar with a second end face against the second force absorbing body. It is also possible that the load element is firmly, in particular in one piece, connected to one or both force-absorbing bodies. In particular, the first and the second force-absorbing body and the load element are arranged coaxially on the fastening element. The load element in particular has a load element area which corresponds to less than 90%, in particular less than 75%, preferably less than 60% of a common top surface that is formed between the first and second force absorbing body when the first and second force absorbing body have are attached to the fastening element. The common top surface corresponds in particular to the radial expansion of the first and the second force-absorbing body with respect to the longitudinal axis of the force-measuring device. The common top surface is in particular a circular surface. Due to the ratio of the load element area and the common cover area, in particular the load element does not protrude radially with respect to the force measuring device longitudinal axis over the first and the second force absorbing body. In particular, this creates a load-free area between the first and the second force-absorbing body. The shape of the load-free area between the load-bearing bodies depends on the design of the load-bearing body. A “load-free area” should be understood to mean an area which only absorbs a very small proportion of the pretensioning forces of the mechanical connection, in particular less than 5%, in particular less than 2%, in particular no pretensioning force. The sensor elements are only arranged in the load-free area. As a result, if the force measuring device is used as intended, the sensor elements are not damaged even with prestressing forces of several hundred kN, since they are not in the force flow of the force measuring device and are therefore essentially not loaded. The material and the cross-section of the load elements must be matched to the force to be used. It must be ensured that the load elements are always operated in the elastic range and do not deform plastically.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kraftmessvorrichtung mehrere elastisch deformierbare Lastelemente auf. Diese sind insbesondere identisch ausgestaltet und bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse radial beabstandet, sowie insbesondere drehsymmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet. Durch die drehsymmetrische Anordnung sowie durch die insbesondere identische Ausgestaltung der Lastelemente ist gewährleistet, dass die Vorspannkraft gleichmäßig von dem ersten Kraftaufnahmekörper über die Lastelemente auf den zweiten Kraftaufnahmekörper übertragen wird. Unter der „insbesondere identischen Ausgestaltung“ der Lastelemente ist zu verstehen, dass die Lastelemente einen identischen Querschnitt aufweisen sowie aus dem gleichen Material bestehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich jedes Lastelement unter gleicher Lasteinwirkung gleich stark verformt. Die Lastelemente teilen den ursprünglich insbesondere zusammenhängenden lastfreien Bereich in insbesondere mehrere einzelne lastfreie Teilbereiche. Die lastfreien Bereiche und die Lastelemente sind insbesondere bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse drehsymmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet.In a further advantageous embodiment of the invention, the force measuring device has a plurality of elastically deformable load elements. These are in particular designed identically and radially spaced apart with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, and in particular are arranged in a rotationally symmetrical manner between the first and the second force absorbing body. The rotationally symmetrical arrangement and the, in particular, identical configuration of the load elements ensure that the pretensioning force is transmitted uniformly from the first force-absorbing body to the second force-absorbing body via the load elements. The “especially identical configuration” of the load elements is to be understood as meaning that the load elements have an identical cross section and are made of the same material. This ensures that each load element is deformed to the same extent under the same load. The load elements divide the originally contiguous load-free area in particular into several individual load-free sub-areas. The load-free areas and the load elements are arranged, in particular with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, with rotational symmetry between the first and the second force-absorbing body.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung korrespondiert die Anzahl der lastfreien Teilbereiche mit der Anzahl der Sensorelemente. Insbesondere ist in jedem der lastfreien Teilbereiche genau ein Sensorelement angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkraft auf die Lastelemente zuverlässig detektiert werden kann. Eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkraft auf die Lastelemente führt dazu, dass die Lastelemente durch das „Verkippen“ des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander ungleich stark komprimiert werden, was folglich an entsprechender Stelle zu einer Verkleinerung des entsprechenden lastfreien Bereichs in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse führt. Ein im entsprechenden lastfreien Bereich angeordneter Sensor detektiert diese Verkippung und sendet ein Messsignal über welches Rückschlüsse auf die Stärke der Verkippung gezogen werden können.In a further advantageous embodiment of the invention, the number of load-free partial areas corresponds to the number of sensor elements. In particular, exactly one sensor element is arranged in each of the load-free partial areas. This ensures that an even or uneven distribution of the pre-tensioning force on the load elements can be reliably detected. An uneven distribution of the preload force on the load elements leads to the load elements being compressed unequally by the "tilting" of the first and second force-absorbing bodies, which consequently leads to a reduction in the corresponding load-free area in the direction of the longitudinal axis of the force-measuring device at the corresponding point. A sensor arranged in the corresponding load-free area detects this tilting and sends a measurement signal via which conclusions can be drawn about the strength of the tilting.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensorelemente als Kondensatoren mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche ausgestaltet. Insbesondere sind die Kondensatoren als Plattenkondensatoren ausgeführt, die optional ein Dielektrikum aufweisen können. Eine Änderung eines Abstandes der Kondensatorflächen relativ zueinander, sprich eine Verkleinerung des entsprechenden lastfreien Bereichs in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse, führt zu einer Kapazitätsänderung des jeweiligen Kondensators. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht die erste Kondensatorfläche mit dem ersten Kraftaufnahmekörper und die zweite Kondensatorfläche mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper in Wirkverbindung. Unter „in Wirkverbindung“ ist zu verstehen, dass eine Bewegung des ersten und/oder des zweiten Kraftaufnahmekörpers durch eine Komprimierung des Lastelements beziehungsweise der Lastelemente unmittelbar zu einer Bewegung der ersten und/oder der zweiten Kondensatorfläche zueinander führt. Insbesondere sind die entsprechenden Kondensatorflächen am jeweiligen Kraftaufnahmekörper klebend befestigt. Die Kondensatorflächen weisen insbesondere eine kreisrunde Form auf und sind insbesondere identisch ausgestaltet. Auch andere Formen, wie die für Plattenkondensatoren übliche Rechteck- oder Quadratform, sind möglich. Die optional zwischen den Kondensatorflächen angeordneten Dielektrika weisen insbesondere eine mit der Form der Kondensatorflächen korrespondierende Form auf. Die Kondensatorflächen sind insbesondere derart an den Kraftaufnahmekörpern befestigt, dass die Kondensatorflächen in einer Ebene liegen, die im unbelasteten Zustand orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse orientiert sind.In a further advantageous embodiment of the invention, the sensor elements are designed as capacitors with a first and a second capacitor area. In particular, the capacitors are designed as plate capacitors, which can optionally have a dielectric. A change in a distance between the capacitor surfaces relative to one another, that is to say a reduction in the corresponding load-free area in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device, leads to a change in capacitance of the respective capacitor. In an advantageous embodiment of the invention, the first capacitor surface is in operative connection with the first force absorbing body and the second capacitor surface is in operative connection with the second force absorbing body. “In operative connection” is to be understood as meaning that a movement of the first and / or the second force-absorbing body directly leads to a movement of the first and / or the second capacitor surface with respect to one another by compressing the load element or the load elements. In particular, the corresponding capacitor surfaces are adhesively attached to the respective force absorbing body. The capacitor surfaces in particular have a circular shape and are in particular designed identically. Also other forms, like those for plate capacitors Usual rectangle or square shapes are possible. The dielectrics optionally arranged between the capacitor surfaces have, in particular, a shape that corresponds to the shape of the capacitor surfaces. The capacitor surfaces are in particular fastened to the force absorbing bodies in such a way that the capacitor surfaces lie in a plane which, in the unloaded state, are oriented orthogonally to the longitudinal axis of the force measuring device.

Eine relative Position der ersten und der zweiten Kondensatorfläche zueinander ist durch eine Deformation des elastisch deformierbaren Lastelements beziehungsweise durch eine Deformation eines der elastisch deformierbaren Lastelemente veränderbar. Eine Änderung der Vorspannkraft führt zu einer elastischen Stauchung oder einer elastischen Expansion des Lastelements oder der Lastelemente. Diese Stauchung oder Expansion korrespondiert unmittelbar mit einer Abstandsänderung der Kondensatorflächen, wodurch auf die Größe der Änderung der Vorspannkraft rückgeschlossen werden kann. Hierzu dient eine Messelektronik, die mit jedem Sensorelement verbunden ist.A relative position of the first and the second capacitor surface to one another can be changed by a deformation of the elastically deformable load element or by a deformation of one of the elastically deformable load elements. A change in the prestressing force leads to an elastic compression or an elastic expansion of the load element or elements. This compression or expansion corresponds directly to a change in the distance between the capacitor surfaces, so that conclusions can be drawn about the size of the change in the preload force. Measurement electronics are used for this and are connected to each sensor element.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Lastelemente in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse und sind am ersten Kraftaufnahmekörper drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse angeordnet. Bildlich gesprochen stehen die Lastelemente insbesondere zapfenartig vom ersten Kraftaufnahmekörper in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers ab. Die Drehsymmetrie ist abhängig von der Anzahl der Lastelemente. Insbesondere sind vier Lastelemente an dem ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet, die jeweils einen 90°-Winkel zueinander einschließen und somit eine vierzählige Drehsymmetrie bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse aufweisen. Sind lediglich drei Lastelemente angeordnet, weisen diese folglich jeweils einen 120°-Winkel zueinander und somit eine dreizählige Drehsymmetrie auf. Die Lastelemente können auch oder alternativ am zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet sein, ohne den erfindungsgemäßen Gedanken zu verlassen. Im Folgenden wird jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich der Fall beschrieben, dass die Lastelemente am ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet sind.In a further preferred embodiment of the invention, the load elements extend in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device and are arranged on the first force-absorbing body in a rotationally symmetrical manner with respect to the longitudinal axis of the force measuring device. Figuratively speaking, the load elements protrude from the first force absorbing body in the direction of the second force absorbing body, in particular in the manner of a pin. The rotational symmetry depends on the number of load elements. In particular, four load elements are arranged on the first force-absorbing body, which each enclose a 90 ° angle to one another and thus have four-fold rotational symmetry with respect to the longitudinal axis of the force measuring device. If only three load elements are arranged, these consequently each have a 120 ° angle to one another and thus a threefold rotational symmetry. The load elements can also or alternatively be arranged on the second force-absorbing body without departing from the inventive concept. However, for the sake of clarity, only the case is described below in which the load elements are arranged on the first force-absorbing body.

Um zu vermeiden, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper, wenn diese auf dem Befestigungselement angeordnet sind, relativ zueinander bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse verdreht werden können, was zu einer Beschädigung der Sensorelemente oder zumindest zu Messungenauigkeiten führen könnte, sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung am zweiten Kraftaufnahmekörper Lagerelemente insbesondere drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse angeordnet. Bildlich gesprochen, stehen auch hier die Lagerelemente insbesondere zapfenartig vom zweiten Kraftaufnahmekörper in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers ab. Die Anzahl der Lagerelemente korrespondiert insbesondere mit der Anzahl der Lastelemente. Insbesondere weisen die Lagerelemente eine identische Drehsymmetrie bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse wie die Lastelemente auf. Die Lagerelemente können auch oder alternativ am ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet sein. Es ist generell möglich, dass die Lastelemente und die Lagerelemente auf dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper verteilt angeordnet sind. Auch hier wird im Folgenden lediglich der Fall beschrieben, dass die Lagerelemente nur am zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet sind.In a further advantageous embodiment of the invention, in order to avoid that the first and the second force absorbing body, when they are arranged on the fastening element, can be rotated relative to one another with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, which could damage the sensor elements or at least lead to measurement inaccuracies on the second force-absorbing body bearing elements are arranged in particular rotationally symmetrically with respect to the longitudinal axis of the force measuring device. Figuratively speaking, here too the bearing elements protrude from the second force-absorbing body in the direction of the first force-absorbing body, in particular in the manner of a pin. The number of bearing elements corresponds in particular to the number of load elements. In particular, the bearing elements have an identical rotational symmetry with respect to the longitudinal axis of the force measuring device as the load elements. The bearing elements can also or alternatively be arranged on the first force-absorbing body. It is generally possible for the load elements and the bearing elements to be arranged in a distributed manner on the first and the second force-absorbing body. Here, too, only the case is described below in which the bearing elements are only arranged on the second force-absorbing body.

Die Lagerelemente und die Lastelemente sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung alternierend zueinander angeordnet, wobei die elastisch deformierbaren Lastelemente und die Lagerelemente ähnlich einer Nut-Zapfen-Verbindung insbesondere formschlüssig und spielpassungsartig ineinandergreifen. Hierdurch weisen der erste Kraftaufnahmekörper mit den insbesondere daran angeordneten Lastelementen und der zweite Kraftaufnahmekörper mit den insbesondere daran angeordneten Lagerelementen insbesondere jeweils eine Gestalt ähnlich eines Nutmutterschlüssels auf, wobei ein Nutmutterschlüssel jeweils in eine Nut des anderen Nutmutterschlüssels eingreift.In a further advantageous embodiment of the invention, the bearing elements and the load elements are arranged alternately with one another, the elastically deformable load elements and the bearing elements interlocking, in particular in a form-fitting manner and with a clearance fit, similar to a tongue and groove connection. As a result, the first force absorbing body with the load elements arranged thereon and the second force absorbing body with the bearing elements arranged thereon in particular each have a shape similar to a locknut wrench, with one locknut wrench engaging in a groove of the other locknut wrench.

Insbesondere ist jeweils zwischen zwei benachbarten elastisch deformierbaren Lastelementen ein lastfreier Teilbereich ausgebildet. Die lastfreien Teilbereiche sind insbesondere dadurch gebildet, dass sich die Lagerelemente weniger weit vom zweiten Kraftaufnahmekörper in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers erstrecken als die Lastelemente vom ersten Kraftaufnahmekörper in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers. Somit stützen sich der erste und der zweite Kraftaufnahmeköper über die Lastelemente aneinander ab, wohingegen die Lagerelemente nicht mit dem ersten Kraftaufnahmekörper in Kontakt treten.In particular, a load-free partial area is formed between two adjacent elastically deformable load elements. The load-free partial areas are formed in particular in that the bearing elements extend less far from the second force absorbing body in the direction of the first force absorbing body than the load elements from the first force absorbing body in the direction of the second force absorbing body. Thus, the first and the second force absorbing body are supported on one another via the load elements, whereas the bearing elements do not come into contact with the first force absorbing body.

Um eine möglichst optimale Verdrehsicherung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander zu gewährleisten, weisen in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Lagerelemente und die elastisch deformierbaren Lastelemente in einer Radialebene bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse identische Querschnittsflächen auf. Die Querschnittsflächen sind insbesondere als identisch große Kreissegmente ausgestaltet.In a further advantageous embodiment of the invention, in a further advantageous embodiment of the invention, the bearing elements and the elastically deformable load elements have identical cross-sectional areas in a radial plane with respect to the longitudinal axis of the force measuring device to ensure that the first and second force-absorbing bodies are secured against twisting. The cross-sectional areas are designed in particular as segments of a circle of identical size.

Eine einfache Konstruktion der Kraftmessvorrichtung wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper einstückig miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die lastfreien Bereiche durch Ausnehmungen, beispielsweise durch Einfräsungen, die in einer Richtung orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse hergestellt werden, hergestellt sind. Auch andere geeignete materialabtragende Verfahren sind möglich. Eine derartige Ausgestaltung der Kraftmessvorrichtung zeichnet sich durch eine besondere Robustheit aus.A simple construction of the force measuring device is advantageous in another Embodiment of the invention implemented in that the first and the second force-absorbing body are integrally connected to one another. This can be realized, for example, in that the load-free areas are produced by recesses, for example by millings, which are produced in a direction orthogonal to the longitudinal axis of the force measuring device. Other suitable material-removing processes are also possible. Such a configuration of the force measuring device is characterized by a particular robustness.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lastelemente einstückig mit dem insbesondere ersten Kraftaufnahmekörper und die Lagerelemente einstückig mit dem insbesondere zweiten Kraftaufnahmekörper verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung realisiert sein. Auch können die Lagerelemente und die Lastelemente an den entsprechenden Kraftaufnahmekörpern durch ein additives Fertigungsverfahren, ein Sinterverfahren oder dergleichen hergestellt sein. Generell kann eine Vielzahl von materialabtragenden oder materialaufbringenden Verfahren angewendet werden, um die Lastelemente an dem ersten Kraftaufnahmekörper respektive die Lagerelemente an dem zweiten Kraftaufnahmekörper herzustellen.In a further advantageous embodiment of the invention, the load elements are integrally connected to the in particular first force absorbing body and the bearing elements are integrally connected to the in particular second force absorbing body. This can be implemented, for example, by a material connection. The bearing elements and the load elements on the corresponding force absorbing bodies can also be produced by an additive manufacturing process, a sintering process or the like. In general, a large number of material-removing or material-applying methods can be used in order to produce the load elements on the first force-absorbing body or the bearing elements on the second force-absorbing body.

Damit äußere Einflüsse auf die Kraftmessvorrichtung, insbesondere auf die Sensorelemente, soweit wie möglich reduziert werden, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Kraftmessvorrichtung in einer witterungsbeständigen Schutzschicht eingebettet. Diese Schutzschicht besteht insbesondere aus einem witterungsbeständigen Kunststoff, einem gummiartigen Material, einer Wachsschicht oder dergleichen. Eine Anforderung, die an die Schutzschicht gestellt werden muss, ist lediglich, dass eine Funktion der Kraftmessvorrichtung nicht beeinflusst wird, jedoch der gewünschte Schutz geboten ist. Durch das Vorhandensein einer Schutzschicht kann die Kraftmessvorrichtung vor Staub, Feuchtigkeit und Schmutz geschützt werden, was einen Einsatz in trockenen sowie feuchten Gebieten und sogar unter Wasser ermöglicht.So that external influences on the force measuring device, in particular on the sensor elements, are reduced as far as possible, the force measuring device is embedded in a weather-resistant protective layer in a further advantageous embodiment of the invention. This protective layer consists in particular of a weather-resistant plastic, a rubber-like material, a wax layer or the like. A requirement that must be made of the protective layer is only that a function of the force measuring device is not influenced, but that the desired protection is provided. The presence of a protective layer allows the force measuring device to be protected from dust, moisture and dirt, which enables use in dry and damp areas and even under water.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in einer Figur gezeichneten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen oder gezeichneten Kombination, sondern auch in grundsätzlich beliebigen anderen Kombinationen oder aber einzeln verwendbar. Es sind Ausführungen der Erfindung möglich, die nicht alle Merkmale eines abhängigen Anspruchs aufweisen. Auch können einzelne Merkmale eines Anspruchs durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Ausführungen der Erfindung, die nicht alle Merkmale des oder der Ausführungsbeispiele, sondern einen grundsätzlich beliebigen Teil der gekennzeichneten Merkmale eines Ausführungsbeispiels gegebenenfalls in Kombination mit einem, mehreren oder allen Merkmalen eines oder mehrerer weiteren Ausführungsbeispiele aufweisen, sind möglich.The features and combinations of features, configurations and configurations of the invention mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or drawn in a figure, are not only in the combination indicated or drawn in each case, but also in any other desired manner Combinations or can be used individually. Embodiments of the invention are possible which do not have all the features of a dependent claim. Individual features of a claim can also be replaced by other disclosed features or combinations of features. Embodiments of the invention that do not have all the features of the exemplary embodiment (s), but rather any part of the identified features of an exemplary embodiment, possibly in combination with one, more or all of the features of one or more further exemplary embodiments, are possible.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen erklärt.The invention is explained below on the basis of three exemplary embodiments.

Es zeigen:

  • 1 eine erste erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung;
  • 2 eine zweite erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung; und
  • 3 eine dritte erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung.
Show it:
  • 1 a first force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration;
  • 2 a second force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration; and
  • 3 a third force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration.

1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 1. Diese ist perspektivisch und, zur besseren Darstellung der einzelnen Komponenten, teiltransparent dargestellt. Die Kraftmessvorrichtung 1 umfasst einen ersten scheibenförmigen Kraftaufnahmekörper 2. Der erste Kraftaufnahmekörper 2 weist eine erste Durchgangsöffnung 3 auf, welche mittig im ersten Kraftaufnahmekörper 2 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 3 dient zur Aufnahme eines Befestigungselements 4 in Form einer Gewindestange 5. Weiter weist der erste Kraftaufnahmekörper 2 eine erste plane Anlagefläche 6 zur Anlage einer Unterlegscheibe 7 und einer Mutter 8 auf, wobei die Mutter 8 auf die Gewindestange 5 aufgeschraubt ist. Die Kraftmessvorrichtung 1 umfasst weiter einen zweiten scheibenförmigen Kraftaufnahmekörper 9. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 weist eine zweite Durchgangsöffnung 10 auf, welche mittig im zweiten Kraftaufnahmekörper 9 und koaxial zur ersten Durchgangsöffnung 3 angeordnet ist. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 ist über die zweite Durchgangsöffnung 10 auf die Gewindestange 5 aufgesteckt. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 weist eine zweite plane Anlagefläche 11 zur Anlage des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 an einem Anbauteil oder einem Befestigungsgrund (beides nicht dargestellt) auf. Die Gewindestange 5 ist beispielsweise in dem Befestigungsgrund verankert und hält das Anbauteil am Befestigungsgrund. Die erste Durchgangsöffnung 3 des ersten Kraftaufnahmekörpers 2 und die zweite Durchgangsöffnung 10 des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 bilden einen gemeinsamen Durchgang 12 für die Gewindestange 5. Der erste Kraftaufnahmekörper 2 und der zweite Kraftaufnahmekörper 9 sind bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 drehsymmetrisch. Zwischen dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9 ist ein Lastelement 14 angeordnet. Das Lastelement 14 ist hülsenartig ausgestaltet und weist eine Lastelementdurchgangsöffnung 15 zur Aufnahme der Gewindestange 5 auf. Das Lastelement 14 ist ebenfalls drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 ausgestaltet und koaxial zum ersten Kraftaufnahmekörper 2 und zum zweiten Kraftaufnahmekörper 9 angeordnet. Das Lastelement 14 ist einstückig mit dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 verbunden. Das Lastelement 14 weist bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 eine geringere radiale Ausdehnung als der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 auf. Hierdurch wird zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 ein lastfreier, ringförmiger offener lastfreier Bereich 21 gebildet. Sowohl der erste Kraftaufnahmekörper 2 als auch der zweite Kraftaufnahmekörper 9 sind aus Stahl hergestellt. Ebenfalls bestehen die Gewindestange 5 und die Mutter 8 aus Stahl. 1 shows a first force measuring device according to the invention 1 . This is shown in perspective and, for better illustration of the individual components, partially transparent. The force measuring device 1 comprises a first disk-shaped force absorbing body 2 . The first force-absorbing body 2 has a first through opening 3 which is centered in the first force-absorbing body 2 is arranged. The passage opening 3 serves to accommodate a fastening element 4th in the form of a threaded rod 5 . The first force-absorbing body also has 2 a first flat contact surface 6 for placing a washer 7th and a mother 8th on, being the mother 8th on the threaded rod 5 is screwed on. The force measuring device 1 further comprises a second disk-shaped force absorbing body 9 . The second force absorbing body 9 has a second through opening 10 which is centered in the second force-absorbing body 9 and coaxial with the first through opening 3 is arranged. The second force absorbing body 9 is via the second through hole 10 on the threaded rod 5 attached. The second force absorbing body 9 has a second flat contact surface 11 for placing the second force-absorbing body 9 on an attachment or a mounting base (both not shown). The threaded rod 5 is anchored, for example, in the mounting base and holds the attachment on the mounting base. The first through opening 3 of the first force absorbing body 2 and the second through hole 10 of the second force absorbing body 9 form a common passage 12th for the threaded rod 5 . The first force-absorbing body 2 and the second force receiving body 9 are with respect to a force measuring device longitudinal axis 13th rotationally symmetrical. Between the first Force absorbing body 2 and the second force absorbing body 9 is a load element 14th arranged. The load element 14th is designed like a sleeve and has a load element through opening 15th to accommodate the threaded rod 5 on. The load element 14th is also rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis of the force measuring device 13th configured and coaxial with the first force absorbing body 2 and to the second force absorbing body 9 arranged. The load element 14th is integral with the first and the second force absorbing body 2 , 9 connected. The load element 14th points with respect to the longitudinal axis of the force measuring device 13th a smaller radial extent than the first and the second force absorbing body 2 , 9 with respect to the longitudinal axis of the force measuring device 13th on. This is between the first and the second force absorbing body 2 , 9 a no-load, ring-shaped open no-load area 21st educated. Both the first force absorbing body 2 as well as the second force absorbing body 9 are made of steel. The threaded rod also exists 5 and the mother 8th from steel.

In dem lastfreien Bereich 21 sind zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 vier Sensorelemente 16, die als Kondensatoren 17 ausgebildet sind, angeordnet, wobei die Kondensatoren 17 jeweils eine erste Kondensatorfläche 18 und eine zweite Kondensatorfläche 19 aufweisen. Die Kondensatoren 17 sind in einem identischen Abstand radial von der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 beabstandet und schließen, bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 und die Mitte des jeweiligen Kondensators 17, einen 90°-Winkel zum jeweils benachbarten Kondensator 17 ein. Die ersten Kondensatorflächen 18 sind mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und die zweiten Kondensatorflächen 18 mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9 verbunden. Die ersten Kondensatorflächen 18 und die jeweils zugehörigen zweiten Kondensatorflächen 19 sind deckungsgleich und so orientiert, dass zwischen einer ersten Kondensatorfläche 18 und einer zugehörigen Kondensatorfläche 19 ein elektrisches Feld mittels einer Elektronik (nicht dargestellt) hergestellt werden kann. Die ersten und die zweiten Kondensatorflächen 18, 19 weisen jeweils einen Abstand D zueinander auf, wobei sich der Abstand D in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 erstreckt.In the no-load area 21st are between the first and the second force absorbing body 2 , 9 four sensor elements 16 that act as capacitors 17th are formed, arranged, the capacitors 17th each has a first capacitor surface 18th and a second capacitor area 19th exhibit. The capacitors 17th are at an identical radial distance from the longitudinal axis of the force measuring device 13th spaced and close, based on the force measuring device longitudinal axis 13th and the center of the respective capacitor 17th , a 90 ° angle to the adjacent capacitor 17th a. The first capacitor surfaces 18th are with the first force absorbing body 2 and the second capacitor surfaces 18th with the second force-absorbing body 9 connected. The first capacitor surfaces 18th and the respective associated second capacitor areas 19th are congruent and oriented so that between a first capacitor surface 18th and an associated capacitor area 19th an electric field can be produced by means of electronics (not shown). The first and second capacitor areas 18th , 19th each have a distance D to each other, whereby the distance D in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device 13th extends.

Wird die Mutter 8 entlang der Gewindestange 5 gegen einen Befestigungsgrund geschraubt, wird eine gewünschte Vorspannkraft F erzeugt, die von der Unterlegscheibe 7 auf den ersten Kraftaufnahmekörper 2, auf das Lastelement 14, auf den zweiten Kraftaufnahmekörper 9 und schließlich auf den Befestigungsgrund und/oder das Anbauteil (beides nicht dargestellt) übertragen wird. Das Lastelement 14 wird hierbei in Richtung der Vorspannkraft F elastisch gestaucht. Die Vorspannkraft F darf nicht derart groß sein, dass sie das Lastelement 14 derart staucht, dass sich die ersten und die zweiten Kondensatorflächen 18, 19 berühren, sprich kein Abstand D mehr zwischen ihnen existiert oder das Lastelement 14 plastisch verformt wird. Die ersten Kondensatorflächen 18 stehen mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und die zweiten Kondensatorflächen 19 mit dem zweiten Kraftaufnahmeköper 9 in Wirkverbindung, so dass die jeweilige Kondensatorfläche 18, 19 mit dem jeweiligen Kraftaufnahmeköper 2, 9 mitbewegt wird. Dadurch, dass die Kondensatoren 17 im lastfreien Bereich 21 angeordnet sind, wird keine Vorspannkraft F auf die Kondensatoren 17 übertragen. Der Abstand D ist im Idealfall nach dem Einstellen der gewünschten Vorspannkraft F zwischen allen ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 identisch. Zudem sind im Idealfall in diesem Zustand der erste Kraftaufnahmekörper 2 und der zweite Kraftaufnahmekörper 9 parallel zueinander orientiert.Becomes the mother 8th along the threaded rod 5 screwed against a mounting base, a desired pretensioning force F generated by the washer 7th on the first force absorbing body 2 , on the load element 14th , on the second force-absorbing body 9 and finally on the mounting base and / or the attachment (both not shown) is transferred. The load element 14th is in the direction of the preload force F elastically compressed. The preload F must not be so large that it is the load element 14th compresses so that the first and the second capacitor surfaces 18th , 19th touch, speak no distance D more exists between them or the load element 14th is plastically deformed. The first capacitor surfaces 18th stand with the first force-absorbing body 2 and the second capacitor surfaces 19th with the second force absorbing body 9 in operative connection, so that the respective capacitor surface 18th , 19th with the respective force absorbing body 2 , 9 is moved. By having the capacitors 17th in the load-free area 21st are arranged, there is no pre-tensioning force F on the capacitors 17th transfer. The distance D is ideally after setting the desired preload force F between all first and second capacitor surfaces 18th , 19th identical. In addition, the first force absorbing body is ideally in this state 2 and the second force receiving body 9 oriented parallel to each other.

Verringert sich die Vorspannkraft F, beispielsweise durch eine Verschiebung des Anbauteils bezüglich des Befestigungsgrunds oder aufgrund eines Versagens der Verbindung zwischen der Mutter 8 und der Gewindestange 5, wird sich das Lastelement 14 elastisch zurückverformen und sich dadurch der Abstand D zwischen den ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 ändern, was zu einer Änderung der Kapazität des jeweiligen Kondensators 17 führt. Ändern sich die Abstände D von beispielsweise zwei gegenüberliegenden Kondensatoren 17 unterschiedlich, liegt eine Verkippung des ersten Kraftaufnahmekörpers 2 bezüglich des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 vor, wodurch der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 nicht länger parallel zueinander orientiert sind. Ändern sich die Abstände D aller ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 in gleichem Maße, kann von einer generellen Reduzierung der Vorspannkraft F ausgegangen werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Mutter 8 entgegen der Richtung der Vorspannkraft F gleichmäßig auf der Gewindestange 5 bewegt wird. In diesem Fall sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 weiterhin zumindest nahezu parallel zueinander orientiert.The pre-tensioning force is reduced F , for example due to a displacement of the attachment with respect to the mounting base or due to a failure of the connection between the nut 8th and the threaded rod 5 , will become the load element 14th elastically deform back and thereby the distance D between the first and second capacitor surfaces 18th , 19th change, resulting in a change in the capacitance of each capacitor 17th leads. The distances change D for example, two opposing capacitors 17th different, there is a tilting of the first force absorbing body 2 with respect to the second force absorbing body 9 before, whereby the first and the second force receiving body 2 , 9 are no longer oriented parallel to each other. The distances change D of all first and second capacitor surfaces 18th , 19th to the same extent, can benefit from a general reduction in the preload force F can be assumed. This is the case, for example, when the mother 8th against the direction of the pre-tensioning force F evenly on the threaded rod 5 is moved. In this case, the first and the second force absorbing body are 2 , 9 still oriented at least almost parallel to one another.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 1a. Die Kraftmessvorrichtung 1a ist ähnlich zu der Kraftmessvorrichtung 1 aufgebaut. Daher wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Die Kraftmessvorrichtung 1a umfasst einen ersten scheibenartigen Kraftaufnahmekörper 2a mit einer ersten Durchgangsöffnung 3a zur Aufnahme eines Befestigungselements wie beispielsweise einer Gewindestange (beides nicht dargestellt) sowie eine erste Anlagefläche 6a zur Anlage des Befestigungselements oder einer Unterlegscheibe (nicht dargestellt). Weiter umfasst die Kraftmessvorrichtung 1a einen zweiten scheibenartigen Kraftaufnahmekörper 9a mit einer zweiten Durchgangsöffnung 10a zur Aufnahme des nicht dargestellten Befestigungselements sowie eine zweite Anlagefläche 11a zur Anlage an einem Anbauteil oder einem Befestigungsgrund (beides nicht dargestellt). Die erste Durchgangsöffnung 3a und die zweite Durchgangsöffnung 10a bilden einen gemeinsamen Durchgang 12a für das Befestigungselement. Der erste Kraftaufnahmekörper 2a und der zweite Kraftaufnahmekörper 9a sind bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a drehsymmetrisch ausgestaltet. 2 shows a further embodiment of a force measuring device according to the invention 1a . The force measuring device 1a is similar to the force measuring device 1 built up. Therefore, only the differences are discussed below. The force measuring device 1a comprises a first disk-like force-absorbing body 2a with a first through opening 3a for receiving a fastening element such as a threaded rod (both not shown) and a first contact surface 6a for the attachment of the fastening element or a washer (not shown). The force measuring device further comprises 1a a second disk-like force absorbing body 9a with a second through opening 10a for receiving the fastening element (not shown) and a second contact surface 11a for installation on an attachment or on a mounting base (both not shown). The first through opening 3a and the second through hole 10a form a common passage 12a for the fastener. The first force-absorbing body 2a and the second force receiving body 9a are with respect to a force measuring device longitudinal axis 13a designed rotationally symmetrical.

Am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a sind vier identisch ausgestaltete kreissegmentartige Lastelemente 14a angeordnet, die einstückig mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a verbunden sind und sich parallel zur Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers 2a erstrecken. Die Lastelemente 14a schließen bündig mit der zweiten Durchgangsöffnung 10a ab und erstrecken sich radial bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a bis an einem Außenumfang des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a. Bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a sind die Lastelemente 14a vierzählig drehsymmetrisch am zweiten Kraftaufnahmeköper 9a angeordnet, sprich, benachbarte Lastelemente 14a schließen einen 90°-Winkel zueinander ein. Der erste Kraftaufnahmekörper 2a stützt sich gleichmäßig über die Lastelemente 14a am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a ab, wodurch der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2a, 9a parallel zueinander orientiert sind. Am ersten Kraftaufnahmekörper 2a sind vier identisch ausgestaltete kreissegmentartige Lagerelemente 20a angeordnet, die kürzer als die Lastelemente 14a sind und sich ebenfalls parallel zur Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a erstrecken. Die Lagerelemente 20a sind derart ausgestaltet und am ersten Kraftaufnahmekörper 2a angeordnet, dass die Lagerelemente 20a spielpassungsartig in Zwischenräume eingreifen können, die von zwei benachbarten Lastelementen 14a am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a gebildet werden. Der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2a, 9a greifen somit ähnlich einer Nut-Zapfen-Verbindung ineinander. Die Lagerelemente 20a verhindern, dass der erste Kraftaufnahmekörper 2a bezüglich des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a verdreht werden kann. Dadurch, dass die Lagerelemente 20a bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a „kürzer“ sind als die Lastelemente 14a, entstehen zwischen zwei benachbarten Lastelementen 14a lastfreie Teilbereiche 22a. Insgesamt weist die Kraftmessvorrichtung 1a vier lastfreie Teilbereiche 22a auf, in welchen jeweils ein als Kondensator 17a ausgestaltetes Sensorelement 16a angeordnet ist. Eine erste Kondensatorfläche 18a ist hierbei mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2a und eine zweite Kondensatorfläche 19a mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a verbunden. Wird der erste Kraftaufnahmekörper 2a gegenüber dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a mittels einer Vorspannkraft Fa kraftbeaufschlagt, werden lediglich die Lastelemente 14a elastisch deformiert, wobei keine Vorspannkraft Fa auf die Kondensatoren 17a selbst übertragen wird, aber sich trotzdem eine Abstand Da zwischen den ersten und den zweiten Kondensatorflächen 18a und 19a ändert.On the second force absorbing body 9a are four identically designed circular segment-like load elements 14a arranged in one piece with the second force absorbing body 9a are connected and parallel to the longitudinal axis of the force measuring device 13a in the direction of the first force absorbing body 2a extend. The load elements 14a close flush with the second through opening 10a from and extend radially with respect to the longitudinal axis of the force measuring device 13a to an outer circumference of the second force absorbing body 9a . In relation to the longitudinal axis of the force measuring device 13a are the load elements 14a fourfold rotationally symmetrical on the second force-absorbing body 9a arranged, i.e. adjacent load elements 14a form a 90 ° angle to each other. The first force-absorbing body 2a is evenly supported by the load elements 14a on the second force-absorbing body 9a from, whereby the first and the second force absorbing body 2a , 9a are oriented parallel to each other. On the first force absorbing body 2a are four identically designed circular segment-like bearing elements 20a arranged that is shorter than the load elements 14a are and are also parallel to the longitudinal axis of the force measuring device 13a in the direction of the second force absorbing body 9a extend. The bearing elements 20a are designed in this way and on the first force-absorbing body 2a arranged that the bearing elements 20a Can intervene like a backlash in gaps that of two adjacent load elements 14a on the second force-absorbing body 9a are formed. The first and the second force absorbing body 2a , 9a thus engage in one another similar to a mortise and tenon connection. The bearing elements 20a prevent the first force-absorbing body 2a with respect to the second force absorbing body 9a can be twisted. In that the bearing elements 20a based on the longitudinal axis of the force measuring device 13a Are “shorter” than the load elements 14a , arise between two neighboring load elements 14a load-free sub-areas 22a . Overall, the force measuring device 1a four load-free sub-areas 22a on, in each of which one is used as a capacitor 17a configured sensor element 16a is arranged. A first capacitor area 18a is here with the first force-absorbing body 2a and a second capacitor area 19a with the second force-absorbing body 9a connected. Becomes the first force-absorbing body 2a compared to the second force-absorbing body 9a by means of a pretensioning force F a force is applied, only the load elements 14a elastically deformed, with no pretensioning force F a on the capacitors 17a itself is transmitted, but still a distance D a between the first and the second capacitor surfaces 18a and 19a changes.

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kraftmessvorrichtung 1b dargestellt. Diese unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform der Kraftmessvorrichtung 1a im Wesentlichen dadurch, dass ein erster Kraftaufnahmekörper 2b und ein zweiter Kraftaufnahmekörper 9b einstückig ausgebildet sind. Dadurch nehmen der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2b, 9b eine Gestalt ähnlich einem Hohlzylinder an. Der erste Kraftaufnahmekörper 2b weist eine erste Durchgangsöffnung 3b und der zweite Kraftaufnahmekörper 9b eine zweite Durchgangsöffnung 10b auf, die einen gemeinsamen Durchgang 12b für ein Befestigungselement (nicht dargestellt) bilden. Der erste Kraftaufnahmekörper 2b weist eine erste Anlagefläche 6b zur Anlage des Befestigungselements und der zweite Kraftaufnahmekörper 9b eine zweite Anlagefläche 11b zur Anlage an einem Untergrund oder einem Anbauteil (beides nicht dargestellt) auf. Die Kraftmessvorrichtung 1b ist bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13b drehsymmetrisch. Die lastfreien Teilbereiche 22b stellen Ausnehmungen in der Kraftmessvorrichtung 1b dar, die beispielsweise durch Herausfräsen realisiert werden können. Die Kraftmessvorrichtung 1b weist vier lastfreie Teilbereiche 22b auf, die bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13b eine vierzählige Drehsymmetrie aufweisen, wodurch benachbarte lastfreie Teilbereiche 22b einen 90°-Winkel zueinander einschließen. Vier Lastelemente 14b sind entsprechend zwischen den lastfreien Teilbereichen 22b angeordnet. Ein Lastelement 14b ist stellvertretend durch zwei in Umfangsrichtung der Kraftmessvorrichtung 1b verlaufende gestrichelte Linien in 3 dargestellt. Jeder lastfreie Teilbereich 22b weist ein Sensorelement 16b auf, welches als Kondensator 17b mit einer ersten Kondensatorfläche 18b und einer zweiten Kondensatorfläche 19b ausgestaltet ist. Die erste Kondensatorfläche 18b ist mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2b und die zweite Kondensatorfläche 19b mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9b verbunden. Wird der erste Kraftaufnahmekörper 2b mit einer Vorspannkraft Fb gegenüber dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9b kraftbeaufschlagt, werden die Lastelemente 14b elastisch komprimiert, was zu einer Veränderung eines Abstands zwischen der ersten Kondensatorfläche 18b und der zweiten Kondensatorfläche 19b führt. Die Kraftmessvorrichtung 1b zeichnet sich besonders durch einen robusten und kompakten Aufbau aus.In 3 Fig. 3 is a third embodiment of a force measuring device 1b shown. This differs from the second embodiment of the force measuring device 1a essentially in that a first force-absorbing body 2 B and a second force absorbing body 9b are formed in one piece. As a result, the first and second force absorbing bodies take 2 B , 9b a shape similar to a hollow cylinder. The first force-absorbing body 2 B has a first through opening 3b and the second force receiving body 9b a second through opening 10b on having a common passage 12b for a fastener (not shown). The first force-absorbing body 2 B has a first contact surface 6b for the attachment of the fastening element and the second force-absorbing body 9b a second contact surface 11b for installation on a substrate or an attachment (both not shown). The force measuring device 1b is with respect to a force measuring device longitudinal axis 13b rotationally symmetrical. The load-free sub-areas 22b provide recesses in the force measuring device 1b that can be realized, for example, by milling out. The force measuring device 1b has four load-free sub-areas 22b based on the longitudinal axis of the force measuring device 13b have a fourfold rotational symmetry, whereby adjacent load-free sub-areas 22b include a 90 ° angle to each other. Four load elements 14b are accordingly between the load-free sub-areas 22b arranged. A load element 14b is representative of two in the circumferential direction of the force measuring device 1b running dashed lines in 3 shown. Every load-free sub-area 22b has a sensor element 16b on which as a capacitor 17b with a first capacitor surface 18b and a second capacitor surface 19b is designed. The first capacitor area 18b is with the first force absorbing body 2 B and the second capacitor area 19b with the second force-absorbing body 9b connected. Becomes the first force-absorbing body 2 B with a preload force F b compared to the second force-absorbing body 9b force is applied to the load elements 14b elastically compressed, resulting in a change in a distance between the first capacitor surface 18b and the second capacitor area 19b leads. The force measuring device 1b is particularly characterized by a robust and compact design.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

1, 1a, 1b1, 1a, 1b
KraftmessvorrichtungForce measuring device
2, 2a, 2b2, 2a, 2b
erster Kraftaufnahmekörperfirst force absorbing body
3, 3a, 3b3, 3a, 3b
erste Durchgangsöffnungfirst through opening
44th
BefestigungselementFastener
55
GewindestangeThreaded rod
6, 6a, 6b6, 6a, 6b
erste Anlageflächefirst contact surface
77th
UnterlegscheibeWasher
88th
Muttermother
9, 9a, 9b9, 9a, 9b
zweiter Kraftaufnahmekörpersecond force absorption body
10, 10a, 10b10, 10a, 10b
zweite Durchgangsöffnungsecond through opening
11, 11a, 11b11, 11a, 11b
zweite Anlageflächesecond contact surface
12, 12a, 12b12, 12a, 12b
DurchgangPassage
13, 13a, 13b13, 13a, 13b
KraftmessvorrichtungslängsachseForce measuring device longitudinal axis
14, 14a, 14b14, 14a, 14b
LastelementLoad element
1515th
LastelementdurchgangsöffnungLoad element through opening
16, 16a, 16b16, 16a, 16b
SensorelementSensor element
1717th
Kondensatorcapacitor
18, 18a, 18b18, 18a, 18b
erste Kondensatorflächefirst capacitor area
19, 19a, 19b19, 19a, 19b
zweite Kondensatorflächesecond capacitor surface
20a20a
LagerelementBearing element
2121st
lastfreier Bereichload-free area
22a, 22b22a, 22b
lastfreier Teilbereichload-free section
F, Fa, Fb F, F a , F b
VorspannkraftPreload
D, Da, Db D, D a , D b
Abstanddistance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016219953 A1 [0002]DE 102016219953 A1 [0002]

Claims (15)

Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft (F, Fa, Fb) einer mechanischen Verbindung, wobei die Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) einen ersten, insbesondere hülsenartigen, Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) mit einer ersten Durchgangsöffnung (3, 3a, 3b) und einen zweiten, insbesondere hülsenartigen, Kraftaufnahmekörper (9, 9a, 9b) mit einer zweiten Durchgangsöffnung (10, 10a, 10b) umfasst, wobei die erste und die zweite Durchgangsöffnung (3, 3a, 3b, 10, 10a, 10b) einen gemeinsamen Durchgang (12, 12a, 12b) der Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) zur Aufnahme eines Befestigungselements (4) bilden, wobei sich der Durchgang (12, 12a, 12b) entlang einer Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) erstreckt, wobei in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) das Befestigungselement (4) in den Durchgang (12, 12a, 12b) einführbar ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) mehrere Sensorelemente (16, 16a, 16b), die jeweils radial zu der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) beabstandet sind, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) ein elastisch deformierbares Lastelement (14, 14a, 14b) zur Übertragung der durch das Befestigungselement (4) aufgebrachten Vorspannkraft (F, Fa, Fb) von dem ersten auf den zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) angeordnet ist und dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) zudem ein lastfreier Bereich (21) angeordnet ist, der keine Vorspannkraft (F, Fa, Fb) zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) überträgt, wobei die Sensorelemente (16) nur in dem lastfreien Bereich (21) angeordnet sind. Force measuring device (1, 1a, 1b) for measuring and monitoring a pretensioning force (F, F a , F b ) of a mechanical connection, the force measuring device (1, 1a, 1b) having a first, in particular sleeve-like, force-absorbing body (2, 2a, 2b ) with a first through opening (3, 3a, 3b) and a second, in particular sleeve-like, force-absorbing body (9, 9a, 9b) with a second through opening (10, 10a, 10b), the first and second through openings (3, 3a, 3b, 10, 10a, 10b) form a common passage (12, 12a, 12b) of the force measuring device (1, 1a, 1b) for receiving a fastening element (4), the passage (12, 12a, 12b) running along it a force measuring device longitudinal axis (13, 13a, 13b), the fastening element (4) being insertable into the passage (12, 12a, 12b) in the direction of the force measuring device longitudinal axis (13, 13a, 13b), wherein between the first and the second force absorbing body ( 2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) several sensor elements te (16, 16a, 16b) which are each radially spaced from the force measuring device longitudinal axis (13, 13a, 13b), characterized in that between the first and the second force-absorbing body (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) an elastically deformable load element (14, 14a, 14b) for transmitting the prestressing force (F, F a , F b ) applied by the fastening element (4) from the first to the second force-absorbing body (2, 2a, 2b) ; 9, 9a, 9b) is arranged and that between the first and the second force-absorbing body (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) also a load-free area (21) is arranged, which does not have any pretensioning force (F, F a , F b ) transmits between the first and the second force-absorbing body (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b), the sensor elements (16) being arranged only in the load-free area (21). Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) mehrere elastisch deformierbare Lastelemente (14a, 14b) aufweist.Force measuring device (1a, 1b) according to Claim 1 , characterized in that the force measuring device (1a, 1b) has a plurality of elastically deformable load elements (14a, 14b). Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) den lastfreien Bereich (21) in mehrere lastfreie Teilbereiche (22a, 22b) unterteilen.Force measuring device (1a, 1b) according to Claim 2 , characterized in that the plurality of elastically deformable load elements (14a, 14b) subdivide the load-free area (21) into a plurality of load-free partial areas (22a, 22b). Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der lastfreien Teilbereiche (22a, 22b) mit der Anzahl der Sensorelemente (16a, 16b) korrespondiert.Force measuring device (1a, 1b) according to Claim 3 , characterized in that the number of load-free partial areas (22a, 22b) corresponds to the number of sensor elements (16a, 16b). Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (16, 16a, 16b) als Kondensatoren (17) mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche (18, 18a, 18b, 19,19a, 19b) ausgestaltet sind.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the sensor elements (16, 16a, 16b) are designed as capacitors (17) with a first and a second capacitor surface (18, 18a, 18b, 19, 19a, 19b). Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatorfläche (18, 18a, 18b) mit dem ersten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) und die zweite Kondensatorfläche (19,19a, 19b) mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper (9, 9a, 9b) in Wirkverbindung steht.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to Claim 5 , characterized in that the first capacitor surface (18, 18a, 18b) with the first force-absorbing body (2, 2a, 2b) and the second capacitor surface (19, 19a, 19b) with the second force-absorbing body (9, 9a, 9b) in operative connection stands. Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Position der ersten und der zweiten Kondensatorfläche (18, 18a, 18b; 19, 19a, 19b) zueinander durch eine Deformation des elastisch deformierbaren Lastelements (14) beziehungsweise durch eine Deformation eines der elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) veränderbar ist.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to Claim 5 or 6 , characterized in that a relative position of the first and the second capacitor surface (18, 18a, 18b; 19, 19a, 19b) to one another by a deformation of the elastically deformable load element (14) or by a deformation of one of the elastically deformable load elements (14a, 14b) is changeable. Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) sich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a, 13b) erstreckend am ersten Kraftaufnahmekörper (2a, 2b) drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a, 13b) angeordnet sind.Force measuring device (1a, 1b) according to one of the Claims 2 to 7th , characterized in that the elastically deformable load elements (14a, 14b) extending in the direction of the force measuring device longitudinal axis (13a, 13b) are arranged on the first force-absorbing body (2a, 2b) rotationally symmetrically with respect to the force measuring device longitudinal axis (13a, 13b). Kraftmessvorrichtung (1a) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Kraftaufnahmekörper (2a) sich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) erstreckende Lagerelemente (20a) drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) angeordnet sind.Force measuring device (1a) according to one of the preceding claims, characterized in that bearing elements (20a) extending in the direction of the force measuring device longitudinal axis (13a) are arranged rotationally symmetrically with respect to the force measuring device longitudinal axis (13a) on the second force absorbing body (2a). Kraftmessvorrichtung (1a) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) und die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) alternierend zueinander angeordnet sind, wobei die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) und die Lagerelemente (20a) ähnlich einer Nut-Zapfen-Verbindung insbesondere formschlüssig und spielpassungsartig ineinandergreifen, wobei insbesondere jeweils zwischen zwei benachbarten elastisch deformierbaren Lastelementen (14a) ein lastfreier Teilbereich (22a) ausgebildet ist.Force measuring device (1a) according to Claim 9 , characterized in that the bearing elements (20a) and the elastically deformable load elements (14a) are arranged alternately to one another, the elastically deformable load elements (14a) and the bearing elements (20a) interlocking with one another in a form-locking manner and with a play-fit, similar to a groove and pin connection, a load-free partial area (22a) being formed in particular between two adjacent elastically deformable load elements (14a). Kraftmessvorrichtung (1a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) und die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) in einer Radialebene bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) identische Querschnittsflächen aufweisen.Force measuring device (1a) according to Claim 10 , characterized in that the bearing elements (20a) and the elastically deformable load elements (14a) have identical cross-sectional areas in a radial plane with respect to the longitudinal axis (13a) of the force measuring device. Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) einstückig miteinander verbunden sind.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second Force absorption body (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) are integrally connected to one another. Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastelemente (14, 14a, 14b) einstückig mit dem ersten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) verbunden sind.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to one of the Claims 2 to 12th , characterized in that the load elements (14, 14a, 14b) are integrally connected to the first force-absorbing body (2, 2a, 2b). Kraftmessvorrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) einstückig mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper (9a) verbunden sind.Force measuring device (1a) according to one of the Claims 9 to 13th , characterized in that the bearing elements (20a) are integrally connected to the second force-absorbing body (9a). Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (1, 1a, 1b) in einer witterungsbeständigen Schutzschicht eingebettet ist.Force measuring device (1, 1a, 1b) according to one of the preceding claims, characterized in that the force measuring device (1, 1a, 1b) is embedded in a weather-resistant protective layer.
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