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Vorrichtung zum Messen der Kräfte zwischen Bauteilen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Kräfte zwischen Bauteilen einer Baugruppe.
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In vielen Maschinen ist man darauf angewiesen, die von Bauteilen derselben
übertragenen Kräfte genau zu erkennen. Dies trifft vielfach für Schraubverbindungen
zu, wo zu der statischen Vorspannung noch dynamische oder durch Wärmedehnungen verursachte
Beanspruchungen hinzu kommen können. Die Kenntnis dieser Kräfte wird benötigt zur
einwandfreien Dimensionierung der Schrauben, zur Abschätzung der Dauerfestigkeit
bei dynamischer Beanspruchung sowie zur Prüfung der Dauervorspannung und der Dichtung
der zusammengespannten Bauteile.
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Ganz besonders wertvoll ist die Kenntnis solcher Kräfte bei Zylinderkopf-
und Lagerdeckelschrauben von Brennkraftmaschinen. Solche Schrauben sind äußerst
hohen Beanspruchungen ausgesetzt, und ihre Dimensionierung macht aus Raumgründen
Schwierigkeiten.
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In der Regel werden hierbei die statischen und dynamischen Beanspruchungen
mit einer vorgeschriebenen Vorspannung rein rechnerisch bestimmt, wobei jedoch über
die elastischen Eigenschaften des die Druckkräfte aufnehmenden Wandmaterials oft
sehr unzuverlässige Angaben vorliegen. Hinzu kommt, daß die im Betrieb auftretenden
Temperatureinflüsse rechnerisch nur schwer erfaßbar sind.
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Zwar sind vereinzelt in solchen Fällen bereits Messungen mittels
Dehnmeßstreifen durchgeführt worden. Solche Messungen sind aber sehr umständlich
und in vielen Fällen wegen beschränkter Platzverhältnisse nicht durchführbar, so
daß es sich um ausgesprochene Einzelversuche im Laboratorium handelt; eine Ermittlung
der Druckkräfte bei in normalem Betrieb stehenden Maschinen ist praktisch ausgeschlossen.
Zudem sind solche Messungen ungenau, da von der gemessenen Dehnung auf die Kräfte
geschlossen werden muß. Diese Berechnung schließt wiederum Materialkonstanten ein,
deren genaue Werte meist nicht vorliegen. Darüber hinaus setzt die Messung mittels
Dehnmeßstreifen völlig symmetrische und genau axiale Schraubenkräfte voraus, was
jedoch selten zutrifft. Eine in größerem Abstand sich wiederholende Messung bei
in praktischem Betrieb stehenden Maschinen ist ferner dadurch erschwert bzw. unmöglich,
weil die Streifen durch Alterung des Streifenmaterials oder des Klebemittels bereits
nach verhältnismäßig kurzer Zeit ersetzt oder neu geeicht werden müssen. Ähnliche
Schwierigkeiten bestehen aber auch bei anderen Baugruppen als Schraubverbindungen.
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Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Schwie-
rigkeiten und
Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie richtet sich auf Vorrichtungen zum Messen
der Kräfte - und zwar sowohl von Zug- oder Druckkräften -innerhalb einer Baugruppe,
welche mindestens einen Bauteil in Form eines allgemein verwendbaren, nicht ausschließlich
auf die jeweilige Baugruppe zugeschnittenen Maschinenelementes aufweist oder welche
ein solches Element aufnehmen kann, und zwar insbesondere zum Messen der von Schraubverbindungen
übertragenen Kräfte. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied
eines dieser Maschinenelemente mit eingebauter piezoelektrischer Kristallanordnung
dient, wobei das so ausgebildete Meßglied austauschbar mit dem entsprechenden normalen
Maschinenelement ist.
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In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dient als Meßglied nicht ein
ausschließlich nur für den Meßvorgang vorübergehend in die Baugruppe hineingebrachtes
und einzig die Meßfunktion erfüllendes Organ, sondern das Meßglied bildet einen
integrierenden Bestandteil der Baugruppe selbst und übernimmt nicht nur die Meßfunktion,
sondern die eigentliche Aufgabe, die dem jeweiligen Element in der
betreffenden
Baugruppe zugeordnet ist. Weil es sich hierbei um ein mit dem entsprechenden normalen
Element austauschbares Maschinenelement handelt, läßt sich eine erfindungsgemäße
Meßvorrichtung ohne jegliche wesentliche Änderung der Konstruktion der Baugruppe
und ohne zusätzliche Vorkehrungen ein für allemal einbauen. Es handelt sich also
nicht um eine einmalig - z. B. auf dem Prüfstand oder im Laboratorium - eingebaute
Meßvorrichtung; vielmehr verbleibt das Meßglied als normales Maschinenelement in
der betreffenden Baugruppe und ermöglicht deshalb, laufend die zu messenden Kräfte
zu überwachen oder periodisch eine Nachmessung vorzunehmen, und zwar in praktischem
Betrieb.
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Die erfindungsgemäße Wahl einer piezoelektrischen Kristallanordnung
als eigentliche Meßzelle ermöglicht ihrerseits, dem die Kristallanordnung aufnehmenden
Maschinenelement bei Benutzung geeigneter Kristalle, wie z. B. solchen aus Quarz,
ungefähr die gleichen Festigkeitseigenschaften zu verleihen, wie sie das entsprechende
normale Maschinenelement aufweist.
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Ganz besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher das als Meßglied ausgebildete Maschinenelement der betreffenden Baugruppe
zugeordnete Norm-Außenmaße besitzt. Es handelt sich dann um ein äußerlich ganz normales
Maschinenelement, das ohne jede Vorbereitung auch nachträglich in eine Serienmaschine
eingebaut werden kann und mit Ausnahme des kleinen elektrischen Anschlusses für
die Kristallanordnung sich äußerlich praktisch nicht vom gewöhnlichen Maschinenelement
unterscheidet, an dessen Stelle das als Meßglied ausgebildete Maschinenelement treten
kann.
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Durch geeignete Wahl der piezoelektrischen Kristalle oder der Werkstoffe
der die Kristall anordnung aufnehmenden Teile des Maschinenelementes lassen sich
für das Meßglied nicht nur gleiche Festigkeit, sondern auch etwa gleiche Elastizitäts-
und Wärmedehnungseigenschaften wie beim normalen Maschinenelement erzielen, das
vom Meßglied ersetzt werden kann. Auch in dieser Beziehung erweisen sich Quarzkristalle
als besonders geeignet. Diese sind auch weitgehend temperaturbeständig, und es lassen
sich Meßglieder in Form üblicher Maschinenelemente herstellen, die z. B. bis 450°
C genaue Meßergebnisse gewährleisten.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen deren Anwendung
auf Maschinenelemente in Form von Unterlegscheiben, Schraubenmuttern und Distanz-
bzw. Zwischenscheiben sowie die zweckmäßige Ausbildung derselben.
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Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind
nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine durch Schraubenbolzen und Mutter gebildete Verbindung
zweier Maschinenelemente im Schnitt durch die Bolzenachse und mit einem als Unterlegscheibe
ausgebildeten Meßglied, Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform
einer als Meßglied dienenden Unterlegscheibe, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie
III-III der in Fig. 2 gezeichneten Scheibe in vergrößertem Maßstab, Fig. 4, 5 und
6 Axialschnitte durch drei weitere Ausführungsformen eines als Unterlegscheibe ausgebildeten,
als Meßglied dienenden Maschinenelementes,
Fig. 7 eine Unterlegscheibe gemäß Fig.
6 zum Teil in der Draufsicht und zum Teil im Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig.
6 in verkleinertem Maßstab, Fig. 8 eine durch Schraubenbolzen und Mutter gebildete
Verbindung zweier Maschinenteile in Fig. I entsprechendem Schnitt, jedoch als Meßglied
dienender Schraubenmutter, Fig. 9 einen Teilschnitt durch die Anordnung nach Fig.
8 in vergrößertem Maßstab und Fig. 10 eine Zugkraft-Meßvorrichtung mit als Meßglied
dienender Unterlegscheibe.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zwei Maschinenteile 11 und
12 durch die aus Schraubenbolzen 13 und Mutter 14 hergestellte Verbindung unter
Druck zusammengehalten. Der Schraubenbolzen 13 stützt sich auf nicht gezeichnete
Weise auf den Teil 12 ab. Zum Messen der vom Bolzen 13 bzw. der Mutter 14 ausgeübten
Kräfte ist erfindungsgemäß eine als Meßglied zwischen der Mutter 14 und dem Teil
11 angeordnete, als Ganzes mit 15 bezeichnete Unterlegscheibe angeordnet. Diese
besteht aus den zwei Teilscheiben 16 und 17 mit dazwischen angeordneter piezoelektrischer
Kristallanordnung 18. Am inneren und äußeren Umfang sind zwei als Rohrfedern wirkende
Hülsen 19 und 20 vorgesehen, welche die beiden Teilscheiben 16 und 17 unter Druck
gegen die dazwischenliegende Kristallanordnung im Sinne einer Vorspannung derselben
pressen. Die Hülsen 19 und 20 sind sehr dünn; ihre Wandstärke beträgt beispielsweise
nur wenige hundertstel Millimeter.
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Die Kristallanordnung 18 besteht zweckmäßig aus den beiden ringförmigen
Kristallscheiben 21 und 22, die derart zueinander orientiert sind, daß bei einem
in Achsrichtung wirkenden Druck auf die Unterlegscheibe auf den beiden Auflageflächen
beider Kristallscheiben Ladungen gleicher Polarität erzeugt werden, während die
auf den Teilscheiben 16 und 17 ruhenden Oberflächen der Kristalle Ladungen entgegengesetzter
Polarität erhalten. Die Ladungen können auf bekannte Weise zu Meßzwecken abgeführt
werden, z. B. einerseits über die an Masse liegende Unterlegscheibe und andererseits
über eine Abnahmeelektrode, die als dünne Metallfolie zwischen die beiden Kristallscheiben
gelegt ist, wobei die Abnahmeelektrode und die Masse auf geeignete Weise mit einem
Anzeigegerätbeispielsweise mit einem die Spannung anzeigenden Oszillographen - verbunden
sind.
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Die Unterlegscheibe weist der jeweiligen Schraubverbindung entsprechende
Normmaße auf und unterscheidet sich in ihren äußeren Abmessungen deshalb durch nichts
von einer gewöhnlichen Unterlegscheibe.
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Man erhält durch die geschilderte Anordnung somit ein ohne irgendwelche
besonderen Vorkehrungen auf einfachste Weise in neue oder bestehende Konstruktionen
einzubauendes Meßglied, das gestattet, die tatsächlich ausgeübten Kräfte ständig
oder periodisch zu messen und zu überwachen.
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Es empfiehlt sich, zur Verminderung des von der Mutter beim Anziehen
auf die Unterlegscheibe ausgeübten Drehmomentes die mit der Mutter in Kontakt stehende
Seite der Unterlegscheibe mit einem geeigneten Schmierrnittel - z. B. auf Molybdänsulfidbasis
- zu behandeln.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine Unterlegscheibe 25 mit
einem zu ihren Auflageflächen parallelen Schlitz 26 versehen, der zur Aufnahme einer
Kristallanordnung 27 dient. Im Bereich
der inneren Mantelfläche
28 weist die Unterlegscheibe den ungeschwächten vollen Querschnitt auf, der sich
unter dem Einfluß von in Richtung der Pfeile 29 ausgeübten Druckkräften geringfügig
elastisch deformieren kann. Hierbei werden auch die lappenartigen äußeren Teile
der Unterlegscheibe gegeneinandergedrückt, und der von ihnen auf die Kristallanordnung
ausgeübte Druck ist ein Maß für die im gesamten wirkende Druckkraft. Durch zweckmäßige
Eichung kann der Zusammenhang zwischen Größe der wirkenden Druckkräfte und der an
der Kristallanordnung abgegriffenen Spannungsdifferenz bestimmt werden. Zum Abführen
der Ladungen aus den aufeinanderliegenden Oberflächen der Kristalle 31 und 31 a
dient die Abnahmeelektrode 32, die isoliert in einen am Umfang der Unterlegscheibe
angebrachten Anschlußnippel 33 geführt ist.
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Bei der geschilderten Anordnung wird das allfällig von einer Schraubenmutter
beim Anziehen auf die Unterlegscheibe ausgeübte Drehmoment praktisch vom vollen
Querschnitt der Unterlegscheibe aufgenommen. In Übereinstimmung mit der Vorrichtung
nach Fig. 1 ist die äußere Mantelfläche der Unterlegscheibe von einer Uhrfeder 34
umschlossen, die unter Vorspannung sich auf Ausnehmungen in den beiden den Schlitz
26 begrenzenden Scheibenteilen abgestützt.
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Fig. 3 zeigt eine Fig. 2 entsprechende Unterlegscheibe im Schnitt
quer zur Symmetrieachse. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 besteht die Kristallanordnung
nicht aus zusammenhängenden Kristallringen, sondern aus einer Mehrzahl von über
den Umfang verteilten Kristalleinheiten 31 a, 31 b, 31c usw., die je aus zwei Einzelkristallen
bestehen.
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Die Kristalleinheiten könnten sämtlich in Serie in den Meßkreis der
Anzeigeeinrichtung geschaltet sein.
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Unter Umständen empfiehlt es sich aber - wie die Zeichnung zeigt -
Mittel zum wahlweisen Einschalten der in einzelnen Sektoren der Unterlegscheibe
angeordneten Kristalleinheiten vorzusehen. So sind zu diesem Zweck die Kristalleinheiten
31 a, 31 b und 31 c in Serie geschaltet und mit einem Abnahmeleiter 35 verbunden.
Auf gleiche Weise sind je drei andere Kristalleinheiten mit Leitern 36 bzw. 37 bzw.
38 verbunden. Mit Hilfe des Drehschalters 39 und des Leiterms 40 können wahlweise
die an einer dieser Kristalleinheiten-Gruppen erzeugten Ladungen einer Polarität
auf das Anzeigegerät 41 geleitet werden, während die Ladungen der entgegengesetzten
Polarität über die als Masse geschaltete Unterlegscheibe und über den Leiter 42
zum Anzeigegerät geführt werden.
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Letzteres spricht auf die Potentialdifferenz zwischen den Leitern
40 und 42 an.
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Durch Vergleich der für die einzelnen Sektoren gemessenen Werte läßt
sich die Verteilung der Kräfte über den Umfang der Unterlegscheibe und damit z.
B. ein asymmetrischer Kraftfluß feststellen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind zwei Teilscheiben einer
Unterlegscheibe nicht durch eine separate Rohrfeder im Sinne der Ausführungsformen
nach Fig. 1 und 2 zusammengehalten, sondern die untere Teilscheibe 46 geht an ihrem
inneren und äußeren Umfang in je einen hülsenartigen, sich senkrecht zur Scheibenoberfläche
erstreckenden Ansatz 47 bzw. 48 über, welche die Mantelflächen der Unterlegscheibe
bilden und auf der Seite der anderen Teilscheibe 45 umgebördelt sind, und zwar zweckmäßig
unter Vorspannung. Auf diese Weise wird eine
besonders gut hermetisch nach außen
abgedichtete Unterlegscheibe erhalten, was zu einem störungsfreien Arbeiten der
Kristallanordnung beiträgt.
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Zur Aufnahme der von einer Mutter beim Anziehen auf die Unterlegscheibe
ausgeübten Drehkräfte kann auch gemäß Fig. 5 ein spezieller Gleitring 51 vorgesehen
sein, der relativ zur Oberfläche der im übrigen entsprechend Fig. 1 ausgebildeten
Unterlegscheibe sich drehen kann. Vorzugsweise wird zwischen Gleitring und Teilscheibe
52 ein geeignetes Schmiermittel eingebracht.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 ist eine Unterlegscheibe
wiederum aus zwei Teilscheiben 55 und 56 aufgebaut, die zwischen sich die Kristallanordnung
57 einschließen. Die beiden Teilscheiben bestehen zweckmäßig aus Stahl. Radial innerhalb
und außerhalb der Kristallanordnung 57 ist zwischen die beiden Teilscheiben 55 und
56 je ein Ring 58 bzw. 59 eingelegt. Dieser kann z. B. aus Messing oder aus Berylliumbronze
bestehen, beides Werkstoffe, welche dieselben Ausdehnungs- und Elastizitätseigenschaften
aufweisen wie die aus Quarz bestehenden Kristalle. Das Ganze ist durch Bolzen 60
zusammengehalten und mit Hilfe der Hülsen 53 und 54 hermetisch gekapselt. Die Bolzen
60 sind aus dem gleichen Werkstoff wie die Ringe 58 und 59 hergestellt und können,
wie gezeichnet, mit den Teilscheiben unter Vorspannung vernietet sein. Es wäre aber
auch möglich, die Bolzen 60 nur als gegen Verdrehung sichernde Stifte auszubilden
und gemäß Fig. 1 die Hülsen 53 und 54 zum Erzeugen der nötigen Vorspannung heranzuziehen.
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Wie Fig. 7 zeigt, besteht die Kristallanordnung aus über den Umfang
verteilten, in Serie geschalteten Kristalleinheiten 57 a. Bei der geschilderten
Ausführungsform werden allfällig von einer Mutter übertragene Drehkräfte durch die
Bolzen 60 aufgenommen, welche verhindern, daß die beiden Teilscheiben unter Beschädigung
der Kristallanordnung sich relativ zueinander verdrehen. Weil die Ringe 58 und 59
bezüglich Wärmedehnung und Elastizitätsmodul die gleichen Eigenschaften aufweisen
wie die aus Quarz bestehenden Kristalle, können sie das Meßergebnis nicht beeinträchtigen.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 handelt es sich um ein als Mutter
61 ausgebildetes Maschinenelement, das als Meßglied zum Ermitteln der übertragenen
Kräfte eine eingebaute piezoelektrische Kristallanordnung 62 aufweist. Die Mutter
ist in Querrichtung zur Gewinde achse geteilt. Der obere Teil 61 a trägt das Gewinde
und besitzt einen nach unten sich erstreckenden hülsenartigen Ansatz 63, welcher
den anderen Mutterteil 61 b umklammert, und zwar unter Vorspannung der Kristallanordnung.
Der obere Mutterteil 61 a hat ferner eine Bohrung 64, durch welche ein Abnahmeleiter
65 isoliert verläuft und in den Anschlußnippel 66 geführt ist. Die Mutter sitzt
auf dem Schraubenbolzen 67 und stützt sich auf den Bauteil 68 ab.
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Zum Anziehen wird ein genau passender Steckschlüssel über beide Mutterteile
gesteckt, womit keine schädlichen Drehkräfte auf die Kristallanordnung ausgeübt
werden.
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Fig. 9 zeigt einen Fig. 8 entsprechenden Teilschnitt in vergrößertem
Maßstab. Die Kristallanordnung enthält z. B. einen Ringkristall 62 a, auf dessen
Oberseite eine dünne Messingfolie 62b aufgelegt ist. Letztere ist durch eine Glimmerlage
62c gegenüber dem
oberen Mutterteil 61 a isoliert. Die Auflagefläche
69 für die Unterseite des Kristalls, der wiederum aus Quarz besteht, ist optisch
plan geschliffen und dient direkt zur Abführung der Ladungen einer Polarität über
Masse, während die Ladungen der entgegengesetzten Polariät über die Messingfolie
62b und den an ihr angeschlossenen Leiter 65 abgeführt werden.
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Bei angezogener Mutter befindet sich zwischen dem oberen und unteren
Mutterteil ein kleiner Spalt 70, der durch eine nachgiebige Dichtung 71 hermetisch
nach außen verschlossen ist.
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Es wäre selbstverständlich auch möglich, die Kristallanordnung 62
aus zwei aufeinanderliegenden Kristallen im Sinne der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
aufzubauen, wie es umgekehrt bei jenen Ausführungsbeispielen denkbar und insbesondere
für dünne Unterlegscheiben vorteilhaft ist, dort in axialer Richtung nur einen einzigen
Kristall vorzusehen, der selbstverständlich auf seiner einen Seite entsprechend
zu isolieren ist.
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Fig. 10 zeigt schließlich eine Baugruppe, welche zur Messung von
Kräften ein als Unterlegscheibe ausgebildetes Maschinenelement als Meßglied aufnimmt.
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Insbesondere veranschaulicht die dargestellte Anordnung, wie eine
auf Druck ansprechende piezoelektrische Zelle zur Ermittlung von Zugspannungen herangezogen
werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zugstange 81 über die Mutter 82 und eine im
Sinne eines Ausführungsbeispieies nach Fig. 1 bis 8 ausgebildete Unterlegscheibe
83 auf ein Kupplungsglied 84 abgestützt, während die andere Zugstange 85 mit letzterem
verschraubt ist. Auf diese Weise wird die von den Zugstangen ausgeübte Zugkraft
in eine Druckkraft umgewandelt, welche mit Hilfe der in die Unterlegscheibe eingebauten
piezoelektrischen Kristallanordnung gemessen werden kann. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit
können - wie übrigens auch bei den Fig. 1 bis 8 - mehrere Unterlegscheiben aufeinandergelegt
und in Serie geschaltet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr könnten auch andere Maschinenelemente als Unterlegscheiben
und Muttern zwecks Ausbildung als Meßglied eine eingebaute piezoelektrische Kristallanordnung
aufweisen, z. B. auf Druck beanspruchte Schraubenbolzen, Kolbenstangen u. dgl. Eine
zweckmäßige Anwendung bilden auch Distanzscheiben, z. B. bei Lagerkonstruktionen
für Bohrmaschinen u. dgl., wo die Distanzscheiben zum Ermitteln einer in axialer
Richtung auf die Welle ausgeübten Druckkraft herangezogen werden können; bei Bohrmaschinen
läßt sich dann an Hand der Abnahme der Druckkraft der Zeitpunkt feststellen, wo
das Werkzeug kurz vor dem Durchtritt steht. Weiter können solche Distanz- oder Zwischenscheiben
zwischen dem Stößel und dem Werkzeug einer Presse fest eingebaut sein und ermöglichen
eine genaue Überwachung des Druckverlaufes während des Arbeitshubes.