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Dehnungs- und Kraftmesser Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
einen Dehnungs- und Kraftmesser mit mindestens zwei koaxialen, mit Bezug aufeinander
drehbaren Scheiben, deren Relativdrehung als Maß für die zu messende Kraft oder
Drehung dient, und mit zwischen diesen Scheiben angeordneten, bei Krafteinwirkung
die Drehung der Scheiben bewirkenden Elementen.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß ein Bedürfnis für ein Meßinstrument
besteht, welches entweder eine kleine Längenänderung oder eine verhältnismäßig kleine
Kraft in eine praktisch proportionale Drehung eines in bezug auf eine Skala beweglichen
Teiles umsetzt.
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Es sind solche Vorrichtungen bekannt, die aus einem massiven Körper
bestehen, der durch die zu messende Kraft auf Druck oder Zug, auf Grund des Hookschen
Gesetzes, beansprucht wird. Die Längsdehnung der Meßstrecke ist bekanntlich in solchen
Fällen in der Größenordnung von 1 bis 20/00. Durch die Gestaltung des Massivkörpers
mit schraubenlinienförmigen Rippen wird überdies neben der Längsdehnung eine Drehung
(z. B. der mittleren Scheibe) hervorgerufen. Aber auf die äußere Mantelfläche bezogen,
beträgt die Größe dieser Drehung nur einen Bruchteil der Längsdehnung. Es ist daher
unerläßlich, diese Drehung etwa 1000mal zu vergrößern.
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Der erfindungsgemäße Dehnungs- und Kraftmesser ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Scheiben durch einen oder mehrere, an ihren Rändern mittels Kugelgelenken
oder elastischen Gelenken befestigte, windschief zur Achse angeordnete Stäbe verbunden
sind.
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Der erfindungsgemäße Messer besteht also aus mindestens zwei Scheiben,
die mittels eines Stabwerkes miteinander verbunden sind. Die Stäbe sind mittels
Gelenken derart angeordnet, daß sich das Stabgebilde in erheblichem Maß verschieben
kann. Das Vorhandensein einer Richtkraft in den Gelenken ist für die Wirkungsweise
unerheblich. Besteht eine Richtkraft, so stellt sie einen unbedeutenden Nebeneffekt
dar, indem ohne schädliche Nebenwirkung die Verformung etwas geringer ist. Mit diesem
Messer können somit Dehnungen gemessen werden, bei welchen keine große Kraft die
Dehnung verursacht. Das sich dehnende Element muß lediglich die Reibungskräfte der
Gelenke überwinden können. Dies wäre mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich.
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Werden diese Vorrichtungen als Kraftmesser benutzt, so hängt ihre
Gestalt von der zu messenden Kraft ab. Sind sie für 100 t vorgesehen, so können
sie für 1 t nicht verwendet werden, weil die Anzeige in die-
sem Fall so schwach
wäre, daß trotz Amplifikation keine brauchbare Information erhältlich wäre. Auch
dieser Nachteil besteht bei dem erfindungsgemäßen Messer nicht.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt Fi g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dehnungsmessers,
Fi g. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Geometrie der Fig. 1, Fi g. 3 ein Kugelgelenk,
Fig. 4 die Charakteristik eines Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 für verschiedene
Werte zweier Parameter, F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 6 eine Variante
zu Fig. 5, Fi g. 7 ein drittes sowohl als Dehnungs- als auch als Kraftmesser dienendes
Ausführungsbeispiel, Fig. 8 eine Variante zu Fig. 7, Fi g. 9 eine weitere Ausbildung
des Ausführungsbeispieles nach Fi g. 8, Fig. 10 eine Variante zu Fig. 1, Fig. 11
eine Variante zu Fig. 6, Fig. 12 das Ausführungsbeispiel nach E i g. 8 mit Zeiger
und Skala.
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Die in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Vorrichtung besteht aus einer
Achse 1, an welcher ein Arm 2 fest und ein Arm 3 drehbar und axial verschiebbar
angeordnet sind. Diese beiden Arme 2,3 sind durch einen mit Bezug auf die Achse
1 windschief angeordneten
Stab 4 verbunden. Die Verbindung zwischen
den Enden des Stabes 4 und denjenigen der Arme 2, 3 erfolgt mittels Kugelgelenk
5.
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Fig. 3 zeigt beispielsweise ein spielfreies Kugelgelenk. Am Arm 3
(oder 2) ist eine Kugel 5 a angebracht, welche in eine Bohrung 5 b der Stange 4
mit wenig Spiel eingreift. Ein konischer Teil 5 c der Bohrung ist in Kontakt mit
der Kugel 5 a, von einer mittels der Schraube 5e an der Stange 4 befestigten Feder
leicht angedrückt. Andere Kugelgelenke, auch solche mit Spiel, sind möglich, wenn
z. B. (nicht gezeichnet) mittels einer Feder der Stab 4 immer in einer Richtung,
z. B. auf Druck, beansprucht wird.
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Die Geometrie dieser Vorrichtung ist in F i g. 2 näher erläutert.
Die Länge O1D des Armes 2 ist mit rl, die Länge 02C des Armes 3 mit r2, die Länge
des Stabes 5 mit I bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Arm 3 und der achsenparallelen
Projektion 02B des Armes 2 auf die Rotationsebene des Armes 3 ist mit 97 bezeichnet.
Ferner wird der Abstand der Punkte 01°2 voneinander Z genannt.
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Es sei noch: 1 r2 Z n= ; a= ; m= r1 r1 ' r1 Wird der Arm 3 von oben
nach unten versetzt, so erfährt er eine gewisse Drehung , die als Maß für die Veränderung
des Abstandes Z gilt. Wie eine elementare Ableitung zeigt, ist m2 = n2 - a2 +2.
a cos qi - 1.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von ç in Funktion von m für
verschiedene a. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, hat jede Kurve einen Wendepunkt
W (für alle n> 2), die bei ç etwas größer als 900 (für alle n)3) liegt.
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Die Drehung des Stabes 3 gegenüber dem Stab 2 um den Winkel o hat
zur Folge, daß sich auch der Stab 4 gegenüber mindestens einem der Arme 3 bzw. 4
um eine Längsachse drehen muß. Außerdem erfolgt eine Drehung der Stäbe 4 um die
Achse je der Kurbel 2 bzw. 3. Es sind somit zur Verbindung der Kurbeln 2 bzw. 3
mit dem Stab 4 Kugelgelenke notwendig. In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel
dargestellt. Die Arme 2, 3 sind durch Scheiben 6, 7 zersetzt. Diese Scheiben 6,
7 sind durch eine Anzahl von windschief angeordneten Stäben 8 verbunden. Die Stäbe
8 sind zweckmäßig regelmäßig verteilt und weisen Verjüngungen 9 auf, die als elastische
Dreh- und Biegegelenke dienen.
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In F i g. 6 ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei welcher
eine Scheibe 6' und eine zweite Schar von Stäben 8' mit Bezug auf die Scheibe 7
spiegelsymmetrisch zur Scheibe 6 angeordnet sind.
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In beiden Ausführungen bilden die Verjüngungen 9 virtuelle Gelenke,
deren effektiver Gelenkpunkt etwa in der Mitte der Verjüngungen liegt. Die Verjüngungen
sollen mit Bezug auf die Stäbe klein genug bemessen sein, so daß sie die Charakteristik
des Messers nicht wesentlich beeinträchtigen. Mit elastischen Gelenken wird sowohl
eine Abnutzung als auch ein Spiel vermieden.
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Fig.7 ist ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein zwischen zwei
Scheiben 6 und 7 angeordneter Hohlzylinder durch windschiefes Schlitzen eine Stabschar
10 bildet.
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In F i g. 7, 8, 9 und 12 sind die Stäbe der Einfachheit halber mit
gleichmäßigem Querschnitt darge-
stellt worden. In Wirklichkeit sind sie aber - ähnlich
den Stäben 8 in Fig. 5 - an ihren Enden etwas verjüngt ausgebildet worden. Damit
wird erwirkt, daß diese Enden als elastische Gelenke wirken.
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In F i g. 8 ist ein weiteres Auführungsbeispiel dargestellt, bei
welchem zwischen den Scheiben 6, 6' und 7 zwei Hohlzylinderflächen 10 und 11 angeordnet
sind, welche gegengleich windschief geschlitzt zwei Stabscharen 12 bilden. Wird
die Meßstrecke, d. h. der Abstand zwischen den Scheiben 6 und 6' lage- oder kraftschlüssig
verändert, so erfährt die Scheibe 7 eine Verdrehung gegenüber den Scheiben 6, 6',
wobei diese Verdrehung ein Maß für die Abstandsänderung der Scheiben 6, 6' bildet.
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Die Charakteristik der Ausführungsbeispiele 7 und 8 weicht verhältnismäßig
stark von den Kurven der Fig. 4 ab. In der Tat wird jeder Stab der Stabscharen über
eine ganze Länge verdreht und an den Enden gegengleich gebogen. Ferner werden die
Stäbe einem Längsdruck ausgesetzt, so daß ihre Länge verkürzt wird. Diese Verkürzung
hat eine Verminderung der Verdrehung der Scheibe 7 gegenüber der Scheibe 6 bzw.
den Scheiben 6, 6' zur Folge. Der Wendepunkt der Charakteristik wird hierdurch in
Richtung der kleineren Werte von o verlegt.
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In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das aus Scheiben
6, 7 und einer windschiefen Stabschar 10 besteht. Ferner ist eine weitere Scheibe
13 vorgesehen, die mittels einer achsparallelen Stabschar 14 mit der Scheibe verbunden
ist. Die Stäbe 15 dieser Stabschar bilden ein reibungs- und spielfreies Gegenlager
der Scheibe 7. Ein solches oder andersartiges Gegenlager (Axiallager) ist immer
notwendig, wenn nicht zwei gegenwindschiefe Stabscharen angeordnet sind.
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Man nehme zunächst an, daß die Stäbe 15 durch ideelle Gelenke mit
den Scheiben 7 und 13 verbunden seien. Es ist einleuchtend, daß die Scheibe 7 bei
kleine Verdrehungen um die Längsachse ihren Abstand gegenüber der Scheibe 13 nicht
wesentlich ändert, jedenfalls viel weniger als die gewollte Abstandsänderung zwischen
den Scheiben 6 und 7 bei gleicher Verdrehung. Somit wirkt die Stabschar 15 wie ein
reibungs- und spielfreies Axiallager, das allerdings in einem gewissen Ausmaß die
Charakteristik der Übersetzung beeinflußt, was deshalb bei der Forderung genauer
Proportionalität der Übersetzung berücksichtigt werden muß.
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Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1, 5 und 6 sind als Dehnungsmesser
gedacht. Man kann sie aber auch als Kraftmesser verwenden. Hierzu genügt es, eine
lineare Feder (hier angedeutet als Spiralfeder 16) an den Scheiben 6, 6' (Fig. 11)
anzuschließen.
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Der prinzipiell mit Fig. 10 dargestellte Kraftmesser hat eine Charakteristik,
die ziemlich genau derjenigen der F i g. 4 entspricht, wobei jetzt M eine normierte
Kraft bedeutet.
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Beim ebenfalls prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel nach
F i g. 11 ist die Charakteristik nur dann ähnlich derjenigen der Fig. 4, wenn die
Steifheit der durch die Verjüngungen 9 gebildeten Gelenke, mit Bezug auf diejenigen
der Feder 16, vernachlässigbar ist.
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Hingegen kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 oder 8 ohne weiteres
direkt auch als Kraftmesser dienen. Seine Gestaltung erlaubt ihm eine axiale Kraft
aufzunehmen und sich entsprechend zu deformieren. Da die axialen Federkräfte mit
zunehmendem
ç abnehmen, ist die Charakteristik dieses Kräftemessers
verschieden von derjenigen als Dehnungsmesser. Die Nichtlinearität der Axial-Federkonstante
hat zur Folge, daß der Wendepunkt der Kurve bei einem çw vorhanden ist, der kleiner
ist als im Falle des Gebrauches als Dehnungsmessung.
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In der obigen Beschreibung sind alle Ausführungsbeispiele ohne Zeiger
und ohne Skala dargestellt worden. In Fig. 12 ist das Ausführungsbeispiel nach F
i g. 8 mit Zeiger und Skala dargestellt.
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In einem massiven Federkörper 20 mit einem Langlochschlitz 21 ist
in der Längsachse ein Meßelement nach Fig. 8 befestigt. Ein Zeigerarm 22 mit einer
Spitze 22 a, befestigt an der Scheibe 7, be streicht eine Skala 23, welche am Federkörper
20 mittels der Arme 24 befestigt ist.
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Die Skala 23 kann auch am Zeigerarm 22 befestigt sein. Die Arme 24
tragen diesfalls eine Ablesemarke und können eine optische Vergrößerungseinrichtung
tragen.
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An der Scheibe 7 kann zweckmäßig ein Gegengewicht 25 zum Zeigerarm
22 befestigt werden, was die Meßeinrichtung lageunempfindlich macht.