DE1299438B

DE1299438B - Vorrichtung zum Messen von nach drei orthogonalen Komponenten zerlegten Kraeften

Info

Publication number: DE1299438B
Application number: DEM63916A
Authority: DE
Inventors: Elmiger; Dipl-Ing Rochus B
Original assignee: MUHS; ROCHUS DIPL ING
Current assignee: MUHS; ROCHUS DIPL ING
Priority date: 1965-01-26
Filing date: 1965-01-26
Publication date: 1969-07-17

Description

In experimentellen Untersuchungen auf dem Gebiet der angewandten Mechanik (insbesondere der Bodenmechanik) sind oft Kräfte K zu bestimmen, deren Wirkungslinie unbekannt oder/und zeitlich veränderlich ist. Insbesondere auf dem Gebiet des Grundbaus und der Bodenmechanik wird diese Meßaufgabe immer wieder angetroffen. Es sei nur auf das Problem der Bestimmung derjenigen Kraft hingewiesen, die vom Boden auf ein Fundament, eine Wand als Teil eines Bauwerkes oder einen Tunnelkörper ausgeübt wird oder in verschiedenen Punkten des Halbraumes unter Oberflächenbelastung vorhanden ist. » Der vektorielle Charakter der Kräfte, deren Kenntnis zur Ermittlung der Wechselwirkung zwischen den beteiligten Systemen erforderlich ist, macht es dabei notwendig, diese nach orthogonalen Kòmponenten zu messen.
Meßvorrichtungen zur Lösung dieser Aufgabe sind jedoch nur für den Fall bekannt, daß Kräfte, die zwischen zwei starren Körpern in geeigneter gegenseitiger Zuordnung auftreten, bestimmt werden sollen.
Diese bekannten Verfahren (deutsche Patentschrift 957 980) beruhen darauf, daß an dem beteiligten starren Körper unveränderliche Meßfixpunkte festgelegt werden können. In dem Fall jedoch, daß die zu bestimmende Kraft K als Integralgröße von Spannungen s, herrührend aus einem nicht starren Körper (z. B. Kornhaufwerk), über eine definierte Fläche (Meßfiäche) F auftritt, können die zur Zeit bekannten Meßvorrichtungen nicht eingesetzt werden. Weist die an der Meßfläche angreifende Kraft K nur eine Komponente in Richtung einer durch die Konstruktion des Meßgerätes vorgegebenen Meßachse auf, so sind Vorrichtungen (allgemein als Zug- oder Druckkraftmeßdosen bezeichnet) bekannt, die diese Meßaufgabe lösen können.
Weist im Allgemeinfall der angreifende Kraftvektor K eine Komponente senkrecht zur Meßachse auf, so kann letztere nicht bestimmt werden. Aus dem Auftreten einer solchen Komponente resultiert bei den meisten bekannten Meßgebern noch ein zusätzlicher Fehler in der Bestimmung der zur Meßachse parallelen Komponente.
Es sind auch Meßgeber bekannt (USA.-Patentschrift 2 920 880), die durch geeignete Maßnahmen einen solchen Fehler vermeiden, ohne daß jedoch die Komponente senkrecht zur Meßachse gemessen werden kann.
Es ist nun die Aufgabe nach der Erfindung, die Nachteile der bekannten Ausführungsformen zu beseitigen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von nach drei orthogonalen Kdmponenten zerlegten Kräften, bei der die einzelnen Komponenten unbeeinflußt voneinander gemessen werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach der Erfindung in der Weise, daß die Meßsysteme für die einzelnen Komponenten durch Kugellager voneinander getrennt sind. Die Deformationen der einzelnen Meßsysteme können damit unbeeinflußt voneinander auftreten. Eine an einem Meßsystem auftretende Kornponente kann sich demnach nicht als Zwangkraft in den jeweils anderen beiden Meßsystemen bemerkbar machen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann ein an der Meßplatte angesetzter Teilkörper, der das Meßsystem zur Bestimmung der zur Geberlängsachse parallelen Kräfte enthält, sich an der Stirnfläche über ein normal zur Geberlängsachse angeordnetes Kugellager gegen ein Kopfstück abstützen. Dieser Teilkörper stützt sich seitlich über weitere in vier parallel zur Geberlängsachse und senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnete Kugellager gegen weitere in diesen Ebenen angeordnete Meßsysteme zur Bestimmung der zur Geberlängsachse senkrechten Kraftkomponente ab.
Das im Teilkörper enthaltene Meßsystem kann erfindungsgemäß ein Meßzylinder sein, dessen mechanische Deformation elektrisch gemessen wird.
Die Meßsysteme zur Bestimmung der zur Geberlängsachse senkrechten Kraftkomponente können nach der Erfindung am Kopfstück eingespannte, um den Meßzylinder herum angeordnete Meßbalken sein, deren mechanische Deformation gemessen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in seitlicher Ansicht teilweise aufgeschnitten und in zwei Querschnitten wiedergegeben ist.
Der Meßgeber, der hier die Form eines Kreiszylinders hat, wird in eine entsprechende Aussparung des Bauwerkteils, dessen aus dem Boden herrührende Belastung untersucht werden soll, oder im Boden so eingebaut, daß die zu bestimmende Kraft K auf die untere Fläche der Meßplatte l (Meßfläche) auftritt.
Das Meßkabel 2 wird durch eine Uffnung im nicht dargestellten Bauwerk oder durch den ebenfalls nicht dargestellten Boden zum Meßplatz geführt.
Die - kreisförmige Meßplatte 1 ist im Gehäuse 3 des Meßgebers frei bewegbar und ist mit dem anschließenden würfelförmigen Zwischenstück 4 und dem dünnwandigen Meßzylinder 6 aus vergütetem Spezialstahl zwischen den starren Endscheiben 5 zum Teilkörper 1, 4, 5, 6 zusammengefaßt. Dieser Teilkörper stützt sich gegen das Kopfstück 7 des Meßgebers über ein Kugellager 8 ab, das Relativverschiebungen des Teilkörpers gegenüber dem Kopftstück in einer Ebene senkrecht zur Längsachse z des Gebers (parallel zur x-y-Ebene) ermöglicht. Dadurch kann über dieses Lager und demzufolge über den Teilkörper nur die Komponente K, parallel zur Geberlängsachse übertragen werden, für die der Meßzylinder 6 das Meßsystem bildet. Dieser Meßzylinder kann beispielsweise mit Dehnungsmeßstreifen ausgerüstet sein.
Um den Teilkörper 1, 4, 5, 6 herum sind vier Meßbalken 9 mit Rechteckquerschnitt (Balkenachse parallel zur z-Achse) jeweils um 90" gegeneinander versetzt angeordnet und im Kopfstück 7 des Gebers eingespannt. Je zwei gegenüberliegende Balken 9 bilden zusammen das Meßsystem für K; bzw. Ky. Zu diesem Zweck sind sie nahe der Einsapnnstelle im Kopfstück 7 beispielsweise mit Dehnungsmeßstreifen ausgerüstet. Dabei übernehmen die Balken 9 die Auflagerung des Teilkörpers 1, 4, 5, 6 in der Normalebene zur Geberlängsachse in Höhe der Lager 10.
Sie sind vorgespannt und drücken über die Lager 10 auf die entsprechend angeordneten ebenen Flächen des Zwischenstückes4. Die Lager 10 verhindern, daß die Komponente Kz auf die Meßbalken 9 übertragen wird, also nicht durch den Meßzylinder 6 registriert wird, und daß die auf ein Meßbalkenpaar wirkende Komponente Kx bzw. Ky auf das dazu senkrechte Meßbalkenpaar eine Zwangkraft ausübt.
Durch die Anordnung der Lager 8, 10 wird erreicht, daß die an der Meßfläche 1 angreifende Kraft K in dem geberfesten Koordinatensystem in die Orthogonalkomponente Kx, Ky, Kz zerlegt wird, wobei die einzelnen Komponenten auf je ein Meßsystem wirken, dessen elastische Deformation über Dehnungsmeßstreifen registriert wird. Durch Kz wird der Meßzylinder 6 elastisch deformiert. Durch Kx bzw. Ky wird am entsprechenden Meßsystem der eine der beiden vorgespannten Balken entlastet und der andere zusätzlich belastet; der dadurch entstehende neue Biegespannungszustand der Meßbalken 9 hat veränderte elastische Deformationen zur Folge. Die Anzeige der Dehnungsmeßstreifen wird an einer handelsüblichen Dehnungsmeßbrücke, die sich in beliebiger Entfernung vom Meßort befinden kann, gemessen.
Durch den Einbau von Dichtungen ist der Meßgeber druckwasser- und staubfest.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen von nach drei orthogonalen Komponenten zerlegten Kräften, bei der die einzelnen Komponenten unbeeinflußt voneinander gemessen werden, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß die Meßsysteme für die einzelnen Komponenten durch Kugellager (8, 10) voneinander getrennt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an der Meßplatte (1) angesetzter Teilkörper (4, 5, 6), der das Meßsystem (6) zur Bestimmung der zur Geberlängsachse parallelen Kräfte enthält, sich an der Stirnfläche über ein normal zur Geberlängsachse angeordnetes Kugellager (8) gegen ein Kopfstück (7) und seitlich über weitere in vier parallel zur Geberlängsachse und senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnete Kugellager (10) gegen weitere in diesen Ebenen angeordnete Meßsysteme (9) zur Bestimmung der zur Geberlängsachse senkrechten Kraftkomponente abstützt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Teilkörper (4, 5, 6) enthaltene Meßsystem ein Meßzylinder (6) ist, dessen mechanische Deformation elektrisch gemessen wird.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsysteme zur Bestimmung der zur Geberlängsachse senkrechten Kraftkomponente am Kopfstück (7) eingespannte, um den Meßzylinder (6) herum angeordnete Meßbalken (9) sind, deren mechanische Deformation gemessen wird.