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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem umfassend einen Kraftmessbolzen.
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Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist die Information zu einer auf ein Bauteil einwirkenden Kraft für die Lebensdauer der mit dieser Kraft belasteten Bauteile von großer Bedeutung. Zur Erfassung derartiger Kräfte bzw. Momente werden häufig Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt. Auch sind sogenannte Kraftmessbolzen bekannt, die in ein kraftbeaufschlagtes Bauteil eingesetzt werden können. Kraftmessbolzen sind also Verbindungsbolzen zwischen kraftübertragenden Maschinenelementen, die neben ihrer Funktion als Bolzen gleichzeitig eine Messung der in ihnen auftretenden Querkräfte ermöglichen. Ein derartiger Kraftmessbolzen ist beispielsweise aus der
DE 102016215794 B3 bekannt.
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In den meisten Anwendungsfällen derartiger Kraftmessbolzen bedarf es jedoch eines Expertenwissens für die Bestimmung der richtigen Position, der Ausgestaltung der Geometrie und Kalibration eines auf einen Kraftmessbolzen basierenden Messsystems. Je nach Kombination der auf ein Bauteil wirkenden Kräfte und des konstruktiv minimal zulässigen Querschnitts kann es zu einer Unterschreitung der für eine mit einem Kraftmessbolzen durchzuführenden Messung benötigten Dehnung kommen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kraftmesssystem mit einem Kraftmessbolzen bereitzustellen, dass hinsichtlich seiner Montage- und Anwenderfreundlichkeit verbessert ist und eine hohe Messgenauigkeit realisieren kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftmesssystem umfassend einen Kraftmessbolzen , wobei das Kraftmesssystem einen ersten Hebelarm und einen mittels einer Lagerstelle schwenkbar an dem ersten Hebelarm gelagerten zweiten Hebelarm aufweist, wobei ein erstes freies Ende des ersten Hebelarms und ein zweites freies Ende des zweiten Hebelarms jeweils mit einem Messkörper derart gekoppelt sind, dass bei einer Kraftbeaufschlagung auf den Messkörper der erste Hebelarm gegenüber dem zweiten Hebelarm verschwenkt wird, wobei an dem ersten Hebelarm oder dem zweiten Hebelarm ein Aufnahmeabschnitt zur kraftschlüssigen Aufnahme des Kraftmessbolzens ausgebildet ist, und der Aufnahmeabschnitt im kraftbeaufschlagten Zustand des Messkörpers an dem ihm gegenüberliegenden Hebelarm anliegt.
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Durch die Integration eines Kraftmessbolzens in einer Art Zangenkonstruktion kann zum einen eine Kraftverstärkung erzielt werden. Zusätzlich steht durch die definierte Geometrie der Hebelarme im Bereich des Aufnahmeabschnitts des Kraftmessbolzens ein vorkalibriertes Kraft-Messsystem zu Verfügung, da das Verhältnis von Dehnung und Kraft aufgrund der gleichbleibenden Geometrie nahezu gleich ist.
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Durch das erfindungsgemäße Kraftmesssystem mit einem Kraftmessbolzen kann ein einfach einzusetzendes und zu montierendes System ohne die Notwendigkeit einer Kalibration bereitgestellt werden. Ferner kann eine vorgeschaltete aufwendige Beratung hinsichtlich einer konstruktiven Aufnahme des Kraftmessbolzens in einem kraftbeaufschlagten Bauteil entfallen, da der Kraftmessbolzen nicht mehr direkt in das kraftbeaufschlagte Bauteil eingebracht werden muss. Ferner wird ein Messsystem bereitgestellt, mit dem durch die o.g. Kraftverstärkung auch kleine Kräfte gemessen werden können.
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Der Kraftmessbolzen weist vorzugsweise mindestens einen Messabschnitt zum Messen mindesten einer einwirkenden Kraft auf. In dem Messabschnitt befindet sich vorzugsweise zumindest ein an dem Kraftmessbolzen befestigter Dehnungsmessstreifen. Der Dehnungsmesstreifen kann zum Beispiel am Messabschnitt aufgeklebt sein. Mittels Dehnungsmesstreifen werden die durch die auftretenden Kräfte verursachten Dehnungen erfasst. Um die bei geklebten Dehnungsmesstreifen auftretende Sensordrift durch Materialkriechen zu verhindern, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, einen Dehnungssensor in Form einer im Bereich des Messabschnittes befindlichen mehrschichtigen Beschichtung auszubilden. Bevorzugte Ausführungsformen nutzen einen ersten Messabschnitt, welcher sich quer zur Längsrichtung des Kraftmessbolzens erstreckt. Optional oder ergänzend kann der Kraftmessbolzen mit einem zweiten Messabschnitt ausgestattet sein. Der zweite Messabschnitt kann sich ebenfalls an einer zu der Längsachse des Kraftmessbolzens senkrecht stehenden Stirnfläche oder an der sich über die Längsachse erstreckende Mantelfläche des Kraftmessbolzens angeordnet sein. Durch die Verwendung der unterschiedlich positionierten Messabschnitte können in unterschiedliche Richtungen wirkende Kräfte ermittelt werden.
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Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, dass der Aufnahmeabschnitt bereits im nicht kraftbeaufschlagten Zustand des Messkörpers an dem ihm gegenüberliegenden Hebelarm anliegt, so dass bei der Messung keine „Totstrecke“ überwunden werden muss, bevor der Aufnahmeabschnitt kraftbeaufschlagt wird. Gemäß einer in diesem Zusammenhang weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmeabschnitt im nicht kraftbeaufschlagten Zustand des Messkörpers unter einer Vorspannung an dem ihm gegenüberliegenden Hebelarm anliegt.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch die Vorspannung ein ungewolltes Abheben des Aufnahmeabschnitts von dem ihm gegenüberliegenden Hebelarm sicher gestellt werden kann, so dass das Messsystem auch in Umgebungen mit stärkeren Schwingungen einsetzbar ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Aufnahmeabschnitt aus einem der Hebelarme in Richtung des gegenüberliegenden Hebelarms hervorsteht. Durch die geometrische Ausgestaltung eines so hervorstehenden Aufnahmeabschnitts kann seine mögliche Verformung unter Krafteinwirkung beeinflusst und konstruktiv gesteuert werden.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kraftmessbolzen in dem aus dem Hebelarm hervorstehenden Bereich des Aufnahmeabschnitts angeordnet ist, was sich hinsichtlich der Messgenauigkeiten des Systems als vorteilhaft erwiesen hat.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der an einem der Hebelarme anliegende Bereich des Aufnahmeabschnitts konvex ausgeformt ist, was einen definierten Krafteintrag gewährleistet und die Messgenauigkeit weiter verbessert.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Aufnahmeabschnitt an einer Position an einem der Hebelarme ausgebildet ist, die zwischen 2-40% der Längserstreckung des Hebelarms von der Lagerstelle in Richtung des freien Endes des Hebelarms entspricht. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass sich in diesem Bereich eine hinreichend gute Kraftverstärkung und somit Empfindlichkeitserhöhung der Messung mittels des Kraftmessbolzens bewirken lässt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Kraftmessbolzen mit seiner Längserstreckung orthogonal zu der auf den Messkörper einwirkenden Kraft in dem Aufnahmeabschnitt angeordnet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Kraftmessbolzen eine besonders vorteilhafte Messempfindlichkeit bzw. -genauigkeit aufweist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Hebelarm einen insbesondere U-förmigen Aufnahmeabschnitt aufweist, durch den eine Welle geführt und drehfest gegenüber dem ersten Hebelarm fixiert ist, wobei der zweite Hebelarm schwenkbar an der Welle gelagert ist, wodurch sich ein konstruktiv besonders einfache Lagerstelle ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der erste Hebelarm gegenüber dem zweiten Hebelarm schwenkbar mittels einer Wälzlagerung oder einer Gleitlagerung gelagert ist, wodurch die Reibung in der Lagerstelle des Messsystems reduziert werden kann.
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Grundsätzlich wäre es natürlich auch denkbar, dass die Lagerstelle mittels einer zwischen dem ersten Hebelarm und dem zweiten Hebelarm ausgebildeten Elastizität realisiert ist. Hierzu können beispielsweise federelastische Werkstoffe und/oder konstruktive Maßnahmen, wie Querschnittsverjüngungen vorgesehen werden, die zwischen dem ersten Hebelarm und dem zweiten Hebelarm eine Schwenkbeweglichkeit ausbilden. So wäre es ebenfalls denkbar, dass der erste Hebelarm und der zweite Hebelarm einstückig ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass an einem der Hebelarme eine Umlenkrolle, insbesondere zur Führung eines Endloszugmittels, drehbar angeordnet ist. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, das Kraftmesssystem direkt mit einem Riementrieb zu verbinden. Eine mögliche Anwendung kann hierbei die Erfassung der Vorspannung (statisch und dynamisch) des Riementriebes sein. Auf Basis dieser Information kann beispielsweise die Riemenvorspannung eingestellt werden (statische Messung) oder beispielhaft die dynamische Vorspannung zur Zustandsbewertung des Riemens und zur lastabhängigen Beurteilung der Lagerstellen genutzt werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Werkstück zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Schlitten und einen zweiten Schlitten aufweist, die jeweils mit einem der Hebelarme verbunden sind, wobei wenigstens einer der Schlitten unter Krafteinwirkung translatorisch gegenüber dem jeweils anderen Schlitten versetzbar ist. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt ist insbesondere, dass das Messystem auch in beengten oder komplexen Bauraumsituationen anwendbar ist, indem sich beispielsweise einer der Hebelarme über einen ersten Schlitten an einem ortsfesten Werkstück und der andere Hebelarm über den zweiten Schlitten an ein kraftbeaufschlagtes Werkstück gekoppelt ist, so dass bei Kraftbeaufschlagung der zweite Schlitten gegenüber dem ersten Schlitten translatorisch versetzt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Kraftmesssystems mit einem Kraftmessbolzen in einer schematischen Darstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftmesssystems mit einem Kraftmessbolzen in einer schematischen Darstellung,
- 3 eine Lagerstelle des Kraftmesssystems in einer Querschnittsansicht,
- 4 ein Kraftmessbolzen in einer perspektivischen Darstellung und
- 5 eine dritte Ausführungsform eines Kraftmesssystems mit einem Kraftmessbolzen in einer schematischen Darstellung.
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Die 1 zeigt ein Kraftmesssystem 1 umfassend einen Kraftmessbolzen 2. Das Kraftmesssystem 1 besitzt einen ersten Hebelarm 3 und einen mittels einer Lagerstelle 10 schwenkbar an dem ersten Hebelarm 3 gelagerten zweiten Hebelarm 4. Ein erstes freies Ende 5 des ersten Hebelarms 3 und ein zweites freies Ende 6 des zweiten Hebelarms 4 sind jeweils mit einem Messkörper 16 derart gekoppelt, dass bei einer Kraftbeaufschlagung auf den Messkörper 16 (angedeutet durch die beiden aufeinander zu gerichteten Pfeilen) der erste Hebelarm 3 gegenüber dem zweiten Hebelarm 4 verschwenkt wird. Es ist anhand der 1 gut zu erkennen, dass die Hebelarme 3,4, in ihren kinematisch relevanten Abmessungen im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. An dem ersten Hebelarm 3 ist ein Aufnahmeabschnitt 8 zur kraftschlüssigen Aufnahme des Kraftmessbolzens 2 ausgebildet, der bereits im nicht kraftbeaufschlagten Zustand des Messkörpers 16 an dem ihm gegenüberliegenden zweiten Hebelarm 4 anliegt. Auch wäre es grundsätzlich denkbar, dass der Aufnahmeabschnitt 8 im nicht kraftbeaufschlagten Zustand des Messkörpers 16 unter einer Vorspannung an dem ihm gegenüberliegenden zweiten Hebelarm 4 anliegt.
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Der an sich aus dem Stand der Technik vorbekannte Kraftmessbolzen 2 befindet sich kraftschlüssig, beispielsweise mittels einer Presspassung, innerhalb einer Bohrung des Aufnahmeabschnitts 8. Der Kraftmessbolzen 2, der im Detail in der 4 gezeigt ist, besitzt einen ersten Messabschnitt 12, welcher sich in Längsrichtung des Kraftmessbolzens 2 erstreckt. Des Weiteren ist der Kraftmessbolzen 2 mit einem zweiten Messabschnitt 13 ausgestattet. Der zweite Messabschnitt 13 ist an einer zu der Längsachse des Kraftmessbolzens 2 senkrecht stehenden Stirnfläche des Kraftmessbolzens 2 angeordnet. In den Messabschnitten 12, 13 sind vorzugweise an dem Kraftmessbolzen 2 befestigte Dehnungsmessstreifen 14 positioniert. Die Dehnungsmessstreifen 14 können beispielsweise an den Messabschnitten 12, 13 aufgeklebt sein. Die Dehnungsmesstreifen 14 dienen zur Erfassung der durch die auftretenden Kräfte verursachten Dehnungen. Die Messabschnitte 12, 13 können alternativ auch eine mehrschichtige Beschichtung zur Realisierung eines Dehnungssensors aufweisen.
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Die aus der Belastung resultierende elastische Verformung bzw. Dehnung des Kraftmessbolzens 2 wird durch den Dehnungsmessstreifen 14 an dem Messabschnitt 13 oder entsprechende Beschichtungen erfasst. Der Dehnungsmessstreifen 14 an dem Messabschnitt 12 dient der Temperaturkompensation. Die Umrechnung in eine Kraft kann beispielsweise auf Basis einer Kalibration in einem End of Line Prüfstand oder auf Basis einer entsprechenden Berechnung erfolgen.
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Der 1 ist auch gut entnehmbar, dass der Aufnahmeabschnitt 8 aus dem ersten Hebelarm 3 in Richtung des gegenüberliegenden zweiten Hebelarms 4 hervorsteht und der Kraftmessbolzen 2 in dem aus dem Hebelarm hervorstehenden Bereich des Aufnahmeabschnitts 8 angeordnet ist. Der Kraftmessbolzen 2 ist mit seiner Längserstreckung orthogonal zu der auf den Messkörper 16 einwirkenden Kraft in dem Aufnahmeabschnitt 8 angeordnet. Der an dem zweiten Hebelarm 4 anliegende Bereich 9 des Aufnahmeabschnitts 8 ist konvex ausgeformt.
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Der Aufnahmeabschnitt 8 ist an einer Position an dem ersten Hebelarm 3 ausgebildet, die zwischen 2-40% der Längserstreckung des ersten Hebelarms 3 von der Lagerstelle 10 in Richtung des freien Endes 5 des ersten Hebelarm 3 entspricht. Um unterschiedliche Verstärkungen zu erhalten, sind die Hebelarmeverhältnisse von Lagerstelle 10 zur Position des Kraftmessbolzens 2 und von Lagerstelle 10 zur den freien Enden 5,6 und deren Anbindung an den Messkörper 16 entsprechend der gewünschten Verstärkung auszuführen.
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In der 3 ist die Lagerstelle 10 des Messsystems 1 gezeigt. Hierbei weist der erste Hebelarm 4 einen insbesondere U-förmigen Aufnahmeabschnitt 7 auf, durch den eine Welle 11 geführt und drehfest gegenüber dem ersten Hebelarm 4 fixiert ist, wobei der zweite Hebelarm 3 schwenkbar an der Welle 11 gelagert ist. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der erste Hebelarm 4 gegenüber dem zweiten Hebelarm 3 mittels einer Wälzlagerung schwenkbar gelagert ist.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Messsystems 1, bei der das Messkörper 16 zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Schlitten und einen zweiten Schlitten aufweist, die jeweils mit einem der Hebelarme 3,4 verbunden sind, wobei wenigstens einer der Schlitten unter Krafteinwirkung translatorisch gegenüber dem jeweils anderen Schlitten versetzbar ist. Der in der 2 untere Schlitten ist durch die Lagerstelle 10 mit dem oberen Schlitten verbunden.
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Eine weitere Abwandlung der aus der 2 bekannten Ausführungsform eines Kraftmesssystems 1 ist in der 5 gezeigt. Hierbei ist eine Umlenkrolle 14 direkt an dem ersten Hebelarm 3 drehbar gelagert und führt das Endloszugmittel 15.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftmesssystem
- 2
- Kraftmessbolzen
- 3
- erster Hebelarm
- 4
- zweiter Hebelarm
- 5
- erstes freie Ende
- 6
- zweites freie Ende
- 7
- Aufnahmeabschnitt
- 8
- Aufnahmeabschnitt
- 9
- anliegender Bereich
- 10
- Lagerstelle
- 11
- Welle
- 12
- Messabschnitt
- 13
- Messabschnitt
- 14
- Umlenkrolle
- 15
- Endloszugmittel
- 16
- Messkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016215794 B3 [0002]
