DE1698113A1

DE1698113A1 - Elektrische Kraftmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1698113A1
Application number: DE19681698113
Authority: DE
Inventors: Eric Laimins
Original assignee: BLH Electronics Inc
Current assignee: BLH Electronics Inc
Priority date: 1967-01-17
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1971-06-16
Also published as: US3448424A

Description

Pafenfonwfiitt Dr-A-Uur-ch-DrXUIIrida

,siraBe3Til«feitH3S ΙΌαΟ ! Sa 4Q.21

Elektrische Kraftmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kraftmeßvorrichtung, bei welcher die zu messende Kraft und die Gegenkraft entlang zueinander im wesentlichen parallel verlaufender, seitlieh gegeneinander versetzter Wirklinien in einander entgegengesetzten Richtungen in einen Meßkörper eingeleitet und die dabei im Meßkörper hervorgerufenen Sehubspannungert durch am Meßkörper angeordnete elektrische Dehnungsmeßstreifen in entsprechende Meßsignale umgewandelt werden«

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art besteht der Meßkörper aus zwei konzentrisch um die Meßachse angeordneten starren Teilen, welche über auf Scherung beanspruchte Elemente miteinander in Verbindung stehen. Die zu messende Kraft wird in axialer Richtung in das eine der beiden Teile eingeleitet, während die Gegenkraft "auf das andere Teil einwirkt. Die dadurch bewirkte Scherbeanspruchung In den die beiden Teile verbindenden Elementen wird mittels seitlieh an diesen angebrachter Meßglieder in entsprechende elektrische Meßsignale umgewandelt*

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform wirkt ein zu messender Druck über eine Membran auf ein Meßelement ein, in welchem durch entsprechend angeordnete und gestaltete Schlitze definierte Stege geschaffen sind, die unter der Druckwirkung einer Scherbeanspruchung unterliegen, welehe gemessen wird.

Bei den bekannten Vorrichtungen handsite es sich um verhältnismäßig komplizierte und aufwendige Konstruktionen für spezielle Aufgaben. Mit der vorliegenden Erfindung soll eine rationell herzustellende, robuste und sehr genaue iCraftmeß vor richtung geschaffen werden^, die bei geringem Fiatzbedarf,beispielsweise in Miniatorbauweise, extrem hohen und variablen Belastungen

1098 20/03 6?

BAD

- 2 - 40.21

ausgesetzt und sowohl zur Ermittlung von über größere Flächen gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilten als auch von an verschiedenen Stellen konzentrierten Kräften eingesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, da3 erfindungsgemäß sich der im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt besitzende MeßkSrper quer zur Kraftwirkungsriehtung erstreckt und an seiner der Kraftwirkung unterliegenden einen Seite mit Abstand voneinander angeordnete definierte Krafteinleitungsflächen auf seiner gegenüberliegenden* der Wirkimg der Gegenkraft unterliegenden Seite auf Lücke zu den Krafteinleitungsflächen angeordnete definierte Gegenkrafteinleitungsflächen besitzt, derart, daß sich zwischen den über die Krafteinleitungsflächen ρ von der zu messenden Kraft beaufscnlagten Meßkörperzonen und den über die Gegenkrafteinleitungsflächen von der Gegenkraft beaufschlagten Meßkörperzonen im Meßkörper schmale, im wesentlichen einer Schubspannung unterworfenen Zonen befinden, und daß die Dehnungsmeßstreifen seitlich am Meßkörper im Bereich dar Schubspannungssorien in an sich bekannter Weise im Winkel von etwa 45° aur Kraftwirkungsriehtung angeordnet sind.

Weitere ErfIncamgsraerkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Xn der nachfolgenden Beschreibung sind Einzelheiten der Erfin- _ dung anhand verschiedener In den Zeichnungen schematised! dar- ^ -gestellter Ausführungsbeispiele erläutert.

Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform schließt zwischen ' den gestrichelten Linien 23a und zyo ein Im wesentlichen gabelförmiges Gebilde ein, welches einen Schaftteil 23d und ein Paar von auseinander liegenden Beinteilen 23e und 2j5f hat. Diese sind auf gegenüberliegenden Seiten mit dem Schaftteil 2^d verbunden, und zwar an den Stellen der Ebenen 24 und 25·

Eine solche„Einheit ist in Figur 2 perspektivisch dargestellt. Die Verbindung^flächen zwischen- den Beinteilen 23e bzw. ?.pt und dem Schaftteil 23d sind schraffiert gezeichnet und mit 24a bzw. 25<"i bezLffert. Die AusfUhrungsform gemäß Figur 1 'be-· ■-1G9825/MR''

BAD ORIGINAL·

- 3 - 40.21

1638113

,steht aus mehreren TelLsMicken gemäß-Figur 2 in gegeneinander· um i8o° versetzter- Anordnung. Jedes der Teilstücke 2jJd,- 2Jf hat die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds und alle diese Teilstücke haben diesselbe in Figur 1 mit 26 bezeichnete Dicke. Die in Figur "> gezeigte Anordnung ist vorzugsweise durch Anbringen von Nuten 27-31 aus einem Katerialstück herausgearbeitet. Dadurch entstehen an der Oberkante definierte Einleitungsflächen für die zu messende Kraft F₁ und an der Unterkante definierte Einleitungsflächen für die. Gegenkraft.F₂ und F,.

Unter der Wirkung dieser Kräfte treten in den Ebenen 24 und 25 in den Querschnittflächen 24a und 25a (Figur 2) im wesentlichen reine Schubspannungseffekte auf, da sich Schaftteil 2j5d und BeinteSl 2^e bzw. 2^f nicht merkbar überlappen und somit eine merkoare Biegung an den Grenzflächen nicht auftritt.

In Figur 3 sind die Spannungsverhältnisse veranschaulicht. Die Pfeile $2 zeigen die Größe der an den verschiedenen Stellen auftretenden Schubsp&nnungen. Wie ersichtlich* haben diese ihr Maximum etwa in der Mitte der als Höhe H bezeichneten Erstreckung der Schubspannungszone in Kraftwirkungsrichtung. Die Hüllkurve der 8chubspannungen fet mit ^bezeichnet.

An den Außenflächen des Meßkörpers 25 sind im Bereich der Schubspannungszonen die Schübspannungen aufnehmende Dehnungsmeßstreifen 34 in an sich bekannter Weise im Winkel von 45° zur Kraftrichtung angeordnet. Um einen optimalen föeßeffekt zu erreichen, ordnet man die Meßstreifen möglichst in der Mitte der Erstreckung der Schubspannungszone in Kraftwirkungsrichtung, d. h. gemäß Figur 3 im Bereich maximaler Schubspannung an. Um dies bei gegebener Erstreckung h (Figur 1) der Meßstreifen in Kraftwirkungsrichtung zu erreichen, macht man H (Figur 3) so groß, daß h überwiegend im maximalen Schubspannungsbereich liegt.

1098 2570 3 6?

BAD ORlGINAt

Die den Schubspannungen entsprechenden elektrischen Ausgangsspannungen der Dehnungsmeßstreifen sind eine Funktion der Flächen 24a und 2^a, wobei die Ausgangsspannungen ansteigen, wenn diese Flächen verringert werden. Die Breite W des Meßkörpers (Figur 2) wird,soweit dies mit der Forderung nach Stabilität* d. h. Belastbarkeit ohne bleibende Verformung, vereinbar ist, vorzugsweise gering gehalten. Bei entsprechender Materialwahl und Bemessung können die Schaft*- und Beinstücke als praktisch steif angesehen werden, unterliegen somit keiner wesentlichen Biegung, so daß in den Querschnittsflächen 24a, 25a praktisch reine Schubspannungen auftreten.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, sind die einem Schaftteil 2Jd zugeordneten Beinteile 2Je bzw. 23 f zugleich Bestandteil des jeweils benachbarten, um l8o° gedreht angeordneten Schaftteils und umgekehrt dessen Beinteile Bestandteil des Schaftteils 2j5d.

Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die Nuten 27 bis 3- (Figur 1} etwas breiter angelegt« so daß die Querschnittsflächen 24a' und 25a¹ eine geringe Dicke t besitzen. Diese ist so gering gehalten, daß es nicht zu einem merklichen Biegeeffekt kommt. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß die Positionierung der Dehnmeßstreifen 3^' I^ Bezug auf die Schubspannungszonen weniger kritisch ist, und es daher für viele Anwendungsfälle ausreicht, einen einzigen Dehnmeßstreifen pro Schubspannungszone vorzusehen; und auf die übliche Kompensation durch mehrere Dehnmeßstreifen verzichtet werden kann. Die Berücksichtigung des auvor erwähnten Höhenverhältolsses H/h Ist jedoch auch bei dieser Ausführungsforra wichtig, auch ist darauf zu achten, daß die Dehnmeßstreifen in ausreichendem Abstand von den Kanten der Nuten 27-31 angebracht sind, um verfälschende Einflüsse durch Kerbwirkungen zn vermeiden.

Die Figuren 5 und β zeigen In Vorder- und Rückansicht eine komplette Vorrichtung, bei welcher zwecks gleichmäßiger Verteilung der zu messenden Kraft auf die Krafteinleitungsflächen auf diesen ein gemeinsames steifes übertragungstell 37 und zur

109825/036? _ ₅ _

BAD ORIGH&L ⁵^

gleichmäßigen Einleitung der Gegenkraft auf die Gegenkrafteinlei tungsf lachen auf üäiesen ein gemeinsames steifes Übertragungstell 38 liegt. Wie ersichtlich, sind die Nuten 41 auf der Krafteinleitungsseite und die Nuten 42 auf der Gegenkrafteinleitungsseite verhältnisfiiäiig flaeh gehalten* Für die Nuttiefe ist lediglieh maßgebend* daß exakt definierte Krafteinleitungsflächen 39 bzw. GegenkraffceinleitungsflSchen 40 zwischen den Nuten 41 bzw« 42 entstehen, so daß die Einleitung der Kraft über das Übertragungsteil 37 auf die Kr'äftelnleitungsflachen 39 bzw, der Gegenkraft über das übertragung^ teil auf die Krafteinleitungsfläehen, 40 exakt erfolgt. Die Verwendung flacher Nuten hat den Vorteil, daß ein günstiges Verhältnis H/h geschaffen werden kann. Die Übertragungsteile 37 unö 38 sind an ihren beiderseitigen Enden mittels Schrauben 45 am Meßkörper befestigte Im Bereich der Befestigungsstellen ist der Geber passiv durch entsprechende Reduktion der Materialstärke der .Übertragungsteile 37* 3B.Im Bereich der Befestigungsschrauben 45 ist eine ausreichende Biegsamkeit bewirkt, so daß sichergestellt ist, daß Kraft und Gegenkraft im wesentlichen nur auf den eigentlichen Meßteil zur Wirkung kommen. 2u diesem Zweck sind die reduzierten Enden 46 des übertragungsteiis 37 von außen her bis in Höhe Jeweils einer Nut 41 und die reduzierten Enden 47 des Übertragungsfceils 38 bis In Höhe «iner Nut 42 erstreckt. Zur Aufnahme der Schubspamumgen in den Schubspannungszonen sind in der bereits beschriebenen Weise seitlich am Meßkärper 36 Dehnmeßstreifen G, <■» Cy und T, - T^ angebraöht» Die mit dem Kennbuchstaben C bezeichneten DetomeS« streifen reagieren im Beispiel auf- Druck und öl<© mit Kennbuchstaben T bezeichneten auf Zug, bei-einer Belastung ά&ρ Vorrichtung Insgesamt auf Druck. Selbstverständlich können die Dehnmeßstreifen in an sich bekannter Weise auch anders angeordnet sein, beispielsweise so, dal an Jeder Meßstelle bei Druck oder bei Sug eine Reaktion aufgenommen werden kann.

Pur dl© iß den Figuren 5 or&d 6 dargestellte toorösiuag der Dehnmeßstreifen Cj - C^ und % ■« Tg ist in Figur 7 eins geeignete Meßbrückenschaltung dargestellt* Es- können'übliohe Draht-, Pollen- oder HalbleiterdefonmeÖstreifen verwendet

10982S/036?

^ fa «>
BAD ORIGINAL

1638113

werden. Bei Speisung der Brücke über die Eingangsklemmen I-I wird mit dem an den Ausgangsklemmen der Brücke angeschlossenen üblichen Meßinstrument 44 eine der Gesamtsehubspannung entsprechende elektrische Meßgröße ermittelt.

Wo eine größere Belastungsfläche gewünscht v/ird, beispielsweise bei bestimmten Arten von Wiegesystemen, kann eine Vielzahl solcher Meßkörper 36 nebeneinander zwischen gemeinschaftlichen Übertragungsteilen 37 und 3B angeordnet und die Ausgangsspannungen ihrer Dehnmeßstreifen entsprechend zusammengefaßt v/erden.

Bei der in Figur B gezeigten Ausführungsform ist der Meßkörper 49 gleichförmig gestaltet* Die zu messende Kraft wird über ein im wesentlichen steifes, kammartiges Übertragungsteil 50 auf den Meßkörper geleitet» die Gegenkraft über ein dem Übertragungsteil 50 entsprechendes Übertragungsteil 51 * Die Übertragungsteile 50 und 5* liegen mit ihren Zinken auf der oberen bzw, unteren Fische des Meßkörpers 49 um eine halbe Zinkenteilung gegen®inander versetzt auf, so daß der Stirnfläche eines Zinkens des Übertragungsteils 50 die Lücke zwischen zwei Zinken des Übertragungsteils 51 auf der anderen Seite des Meßkörpers 49 gegenüber liegt/ Die auf dem Meßkörper 49 aufliegenden Stirnflächen 50a der Zinken des Übertragungsteils 50 definieren am Meikörper die Krafteinleitungsflächen, während auf der gegenüberliegenden Seite die Stirnflächen 51a des übertragung^,teils 51 eile Gegenkraftelnleitungsfläehen defftinieren* Analog den zuvor beschriebenen Äusführungsformen entstehen bei * Kraf tvrirkung im Meßkörper Schubspannungen, die mittels der Dehnmeßstreifen §2 aufgenommen werden.

In Figur 9 ist eins Variante der Ausführungsform gemSS Figur B dargestellt» bei welcher der Meßkörper 5^ auf seiner Krafteinleitungsseite mit zwischen Nuten hervorstehenden KrafteInleltungsflachen versehen 1st, während auf seiner öegenkraftelnleitungsselte die Gegenkrafteinleltungsfläohea analog sur Äusfülirungsform gemHS Figur ö durch die Zinkenflächen eines lcammartlgen Übertragungstelis 56

1098 2 5/036?

BAD ORIGINAt.

definiert sind, über den Kräfteinleltungsflachen liegt ein gemeinschaftliches Übertragungsteil 58· Die Sohubspannungen werden durch Dehnmeßstreifen 57 aufgenommen.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß bei den Ausführungsformen gemäß Figur 8 und Figur 9 die Teile 50, 51 und 56, 58 steife übertragungsteile im Sinne der Teile yj, 3Ö gemäß Figur 5 und 6 sind. Vielmehr können bei den Ausführungsformen gemäß Figur 8 und 9 die Teile 50» 51 und 56, 58 auch Bestandteile eines dreischichtigen, also aus den Teilen 49» 50, 51 bzw. 5^> 5^, 58 bestehenden Meßkörpern sein, sie können darüberhinaus auch durch Schweißen, Hartlöten oder dergleichen fest miteinander vereinigt sein. Weiterhin ist es auch bei den Ausführungsformen gemäß Figur 8 und 9 möglich, mehrere derartige Meßkörperanordnungen zusammenzusetzen*

In Figur 10 ist eine zusammengesetzte Vorrichtung abgebildet, bei welcher die einzelnen Meßkörper 59» ^Q, 6l die Gestalt eines I-Trägers besitzen* Rippenartige», quer verlaufende Erhebungen 65 auf der oberen Flanschflache jedes !-Trägers bilden die Krafteinleitungsflächen und gleichartige in Längsrichtung des Trägers gegenüber den Erhebungen 63 versetzt angeordnete Erhebungen 64 auf der unteren Flanschfläche des I-Trägers bilden die Gegenkrafteinleitungsflachen» Im Bereich der Schubspannungszonen sind die Dehnmeßstreifen 62 seitlich am Stegteil des I-Trägers angeordnet. Hierdurch ist ein gewisser Schutz der Meßstreifen und ihrer Zuleitungen gegeben, der noch durch besondere Abdeckmaßnahmen erhöht werden kann. Weiterhin wird auf diese Weise die Gefahr einer Beschädigung der Meßstreifen oder ihrer Zuleitungen beim Zusammensetzen mehrerer solcher Meßkörper,wie in Figur IO geseigt, vermindert. Zur gleichmäßigen Integrierten Einleitung der Gegenkraft auf alle Gegenkrafteinleitungsflächen 64 ist ein steifes Übertragungsteil 65 vorgesehen. Ein entsprechendes Übertragungsteils auf der Krafteinleitungsseite ist der Übersiöhtlichkeit wegen in Figur 10 zeichnerisch nicht dargestellt.

10982Β/Π36? " ^Ö

BAD ORIGINAU

Bei manchen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, anstelle steifer Ubertragungsteile nachgiebige Ubertragungsteile zu verwenden, beispielsweise um einen Ausgleich für ungleichförmige Belastungen und unebene tragende Flächen zu schaffen. Eine derartige AusfUhrungsform ist in Figur 11 abgebildet. Hier sind aus drei Teilen 66, 68, 69 analog der Ausführungsform gemäß Figur 8 bestehende Meßkörper, deren Teile 68, 69, wie im Zusammenhang mit Figur 8 erläutert, Bestandteil des Meßkörpers und nicht steife Übertragungsteile sind und deren mittleres Teil 66 seitlich mit Dehnmeßstreifen 72 versehen ist, zwischen Ubertragungsteilen 70 und 71 angeordnet. Wie durch das Teil 67 angedeutet ist, handelt es sich hier um eine Mehrfachanordnung von dreiteiligen Meßkörpern. Die Ubertragungsteile 70 und 71 sind für alle Meßkörper gemeinsam und bestehen vorzugsweise aus einem elastischen nachgiebigen Material, beispielsweise Gummi. Das Ubertragungsteil 70 ist mit quer verlaufenden Aussparungen 70a und das Teil 71 mit ebensolchen Aussparungen 71a versehen, wodurch die Biegsamkeit erhöht wird. Auch die kammartigen Teile 68 und 69 sind im Bereich ihrer Nuten biegsam. Ebenso ist in den mittleren Meßkörperteilen 66 bzw. 67 in den Meßzonen bei den Meßstreifen 72 wegen der relativ dicken Scherquerschnitte eine gewisse Biegsamkeit zulässig, so daß die gesamte Vorrichtung insgesamt eine Art biegsame Matte bildet.

Bei über Flächen verteilten Kraftwirkungen ist im Normalfall eine Integration der Einzelkräfte erwünscht. Es gibt jedoch Sonderfälle, bei denen es speziell darauf ankommt, variable Kraft- oder Druckprofile zu erfassen, beispielsweise die Kraftverteilung entlang den Walzen von Zieh- oder Strangpressen in der Metall- und Papierindustrie. Derartige Walzen erreichen Längen von ca. sechs. Meter. Hier besteht häufig die Aufgabe, die Kraftverteilung mit großer Genauigkeit festzustellen, um die Qualität der Walzerzeugnisse überprüfen zu können. Eine hierfür geeignete Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 12 in Seitenansicht und in Figur im Querschnitt gemäß der Schnittlinie 13-13 in Figur 12 dar-

- 9 -109825/0362

BAD ORIGINAL

-9 - 1688113

gestellt. Bei dieser Ausführungsform 1st der Meßkörper als I-Träger ausgebildet, von dessen oberer und unterer Flanschoberfläche abschnittsweise Material abgetragen ist, derart, daß über die obere Planschfläche eindeutig definierte Kraftelnleitungsflächen 79 und über die untere Planschfläche eindeutig definierte Gegenkrafteinleitungsflächen 80 hinausragen, wobei die Krafteinleitungsflächen 79 Jeweils auf Lücke den Gegenkrafteinleitungsfläehen 80 gegenüber liegen. Im Bereich der auf diese Weise, wie bereits zuvor näher erläutert, entstehenden Schubspannungszonen sind die die Schubspannungen aufnehmenden Dehnmeßstreifen ¹Jk, 75 seitlich am Stegteil des I-Trägers angeordnet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, durch Anbringen von Schlitzen 77 die Höhe des Steges 76a am Ort der Dehnmeßstreifen zu vermindern. Eventuelle Biegungseinflüsse können durch entlang der neutralen Achse 78-78 gekreuzt angeordnete Meßstrelfen kompensiert werden. Diese Vorrichtung wird von den Teilen, bei welchen die Kraftverteilung zu messen ist, entweder direkt oder Über zwischengeschaltete Übertragungsteile belastet. Durch die gestrichelten Linien 79a und 80a ist die Lastverteilung angedeutet. Zufolge der Vielzahl der Meßstellen und weil bei dieser Ausführungsform eine Integration der Belastung absichtlich vermieden wirdj kann diese Lastverteilung meßtechnisch erfaßt werden.

Figur 14 zeigt in Seitenansicht, Figur 1-5 im Querschnitt gemäß Linie 15-15 in Figur lh eine Ausführungsform der Erfindung zur Messung des Raddruckes eines Schienenfahrzeuges. Der Meßkörper 8l wird hier durch einen Abschnitt der Fahrschiene gebildet, besitzt somit wieder die Gestalt eines I-Trägers.In der Nähe zweier benachbarter Schwellen 82, 83 sind im oberen Flanschteil 81a des Meßkörpers bis auf den Steg durchgreifende Einschnitte 86, 87 und im unteren Flanschteil 8lb Einschnitte 88 und 89 angebracht. Die Anordnung der Einschnitte ist hierbei so getroffen, daß die Innenkante eines Einschnittes 86 bzw. 87 senkrecht über der Außenkante des zugeordneten Einschnittes 88 bzw* 89 liegt, wie durch die gestrichelten Linien 90 bzw. 91 angedeutet 1st, Im Bereich der damit gebildeten Schub-

. 109825/0362 _1Λ

i, /t:*'i,. ^r -'·■■■"· ■ ■ ' .■..-■■--

- ίο- - ■ I b 9 ö 11 3 ²K).2i

spannungszonen sind am Stegteil der Schiene seitlich die Dehnmeßstreifen 84, 85 angeordnet. Das Fahrzeugrad 92 Überträgt die Belastung 9j5 in Pfeilrichtung auf den Meßkörper. Bei geeigneter, an sich bekannter Schaltung der Dehnmeßstreifen ist es zur Ermittlung der Lastkraft nicht erforderlich, daß das Rad in der gezeichneten Stellung in der Mitte der Meßstrecke bei der Messung steht. Mit dieser Vorrichtung können sowohl Einzelradkräfte als auch bei geeigneter Zusammenschaltung Achslasten oder das Gewicht des ganzen Fahrzeugs ermittelt werden.

Figur 16 zeigt eine Ausführungsform zur Messung der Lager*» kräfte eines rotierenden Körpers, beispielsweise einer Welle. Zwischen der Welle 9*l· und dem Ständer 95 ist ein Meßkörper 96 In Form eines Kreisringes angeordnet. Analog zu den zuvor beschriebenen gestreckten Ausführungsformen sind an der inneren Umfangsflache des Meßkörpers 96 Nuten 100 angebracht, zwischen denen sich definierte Krafteinleitungsflächen befinden, und am äußeren Meßkörperumfang Nuten 101 mit dazwischen befindlichen definierten Gegenkrafteinlei tungsf lachen. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß in radialer Richtung gesehen einer Nut 100 am inneren Umfang des Meßkörpers eine Gegenkrafteinleitungsfläche am äußeren Umfang des Meßkörpers gegenüberliegt und umgekehrt einer Nut 101 am äußeren Umfang eine Krafteinleitu djsflache ajn inneren Umfang gegenüberliegt. Damit entstehe,! .adial verlaufende Schubbelastungszonen., in deren Bereich seitlich am Meßkörper 96 Dehnmeßstreifen 97 angeordnet sind* Mit dieser AusfÜhrungsform kann sowohl Integriert die Gesamtbelastung als auch bei entsprechender. Einzelschaltung der Meßstellen die Lastverteilung über den Umfang aufgenommen werden.

Ähnlich in Aufbau und Wirkungswelse ist die in Figur 17 gezeigte AusfUhrungsfarm, bei welcher die Vorrichtung als Rallenlager^ausgebildet 1st, welche zwischen einem rotierenden; Außenring IQh und einer Welle 105 eingefügt 1st. Der

BAD

- Il -

Meßkörper .107 ist an seinem inneren Umfang mit Nuten 108 und zwischen diesen liegenden definierten Gegenkrafteinleitungsflächen versehen. Nahe der äußeren Umfangsflache des Meßkörpers 107 sind in axialer Richtung verlaufende Aussparungen, vorzugsweise Bohrungen 111, vorgesehen, die in radialer Richtung gesehen jeweils einer Gegenkrafteinleitungsfläche am inneren Umfang des Meßkörpers gegenüberliegen. Dadurch wird erreicht, daß die äußere Ümfangsflache des Meßkörpers 107 in der für die Rollenlagerung 106.erforderlichen Weise glattflächig ist und trotzdem analog der Ausführungsform gemäß Figur 16 in der radialen Richtung 110 verlaufende Schubspannungszonen entstehen, in deren Bereich seitlich am Meßkörper 107 die Dehnmeßstreifen 112 zur Aufnahme der durch die Lagerkräfte 109 verursachten Schubspannungen angeordnet sind.

Die Ausführungsform gemäß Figur 18 stellt praktisch eine Umkehrung der Ausführungsform gemäß Figur 17 dar, vzobei die Welle 105' über Kugellager 106'auf der inneren Ümfangsflache des kreisringförmigen Meßkörpers 107' läuft,und nahe dieser Ümfangsflache die Bohrungen 111' angebracht sind, welchen an der äußeren Ümfangsflache des Meßkörpers Io7^f zwischen zwei Nuten loS' liegende Gegenkrafteinleitungsflachen in radialer Richtung gesehen eg gegenüberliegen. Die Schubspannungen in den Schubspannungszonen 110^f zufolge der Kraft« wirkung 109' werden durch seitlieh sua Meßkörper 107' angebrachte Dehnmeßstreifen 112' aufgenommen.

Es versteht sich, daß bei den Ausführungsformen der Figuren 16 bis l8 mit radialer Kraftwirkungsrichtung die Abmessungen der Kraft- bzw. Gegenkrafteinleitungsfläehen am inneren Umfang des kreisringförmigen MeSkörpers sich zu den Abmessungen der Gegenkraft- bzw. Krafteinleitungsflächen cim äußeren Meßkörperumfang verhalten müssen wie der innere Meßkörperumfang zum äußeren Meßkörperumfang. .

Figur 19 zeigt im Ausschnitt eine Ausführungsform eines gekrümmten Meßkörpers, wie er .beispielsweise in Kreisringform zur

109825/(136? " * ² "^ , :-;\ ...

BAD ORIGINAL

Messung von axial gerichteten Kräften Verwendung findet. Die definierten Krafteinleitungsflächen 98¹ befinden sich zwischen Nuten 100' auf der einen axialen Begrenzungsfläche des Meßkörpers 96', während sich die Gegenkrafteinleltungsflachen auf der axial gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Meßkörpers zwischen Nuten 101' befinden» Die Anordnung 1st hierbei wieder so getroffen, daß in axialer Richtung gesehen eine Krafteinleitungsfläche 98* einer Nut 101' gegenüberliegt. Im Bereich der so geschaffenen Schubspannungszonen sind an der in radialer Richtung gesehen inneren und äußeren Ümfangsflache des Meßkörpers 96' die Dehnmeßstreifen 97' angeordnet«

Bei den Ausführungsformen gemäß Figur 17 und Figur l8 wird teilweise eine definierte Kraft- bzw. Gegeikrafteinleitung nicht wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen durch Anbringen von Nuten, d. h. durch Materialabtrag an der Oberfläche, sondern durch Materialentfernung im Innern des Meßkörpers, jedoch in der Nähe einer Oberfläche bewirkt. Daß die letztgenannte Maßnahme,Im folgenden soll der Einfachheit halber anstelle aller anderen Möglichkeiten/entsprechende Aussparungen im MeßkörperInnern an der Nähe einer Oberfläche zu erhalten, von solchen Aussparungen kurz als von Bohrungen gesprochen werden, geeignet ist, die BelastungskrSfte in die vorgeschriebenen Richtungen zu leiten, was abhängige Schubspannungseffekte mit hohen Spitzenspannungen an Stellen herbeiführt, die für das Aufbringen von Dehnmeßstreifen an der Oberfläche geeignet sind, sei anhand der Figur 20 erläutert. Hier besteht der Meßkörper aus einer flachen, im Querschnitt rechteckfönnigen Stange oder einem quaderförmigen Materialklotz 114, Im Meßkörper sind parallel zueinander und zu einer seiner Oberfläche! verlauf ende Bohrungen 115 in der Nähe der «inen Oberfläche und Bohrungen 116 in der Nähe der gegenüberliegenden Oberfläche derart angeordnet, daß die Bohrungen 115 jeweils auf Lücke zu den Bohrungen 116 liegen. Zwischen den Bohrungen 115 und der ihnen naheliegenden Meßkörperoberfläche Ht44-verbleiben nur dünne und somit ausreichend nachgiebige Querschnitte 115a

109825/036? - 15 -

BAD Ä

- 13 - 1638113 *ο·2ΐ·-

während zwischen je zwei Bohrungen 115 größere und damit steife Querschnitte 115b verbleiben. Analog sind die Verhältnisse auf der gegenüberliegenden Seite, wo zwischen den Bohrungen 116 und der ihnen naheliegenden Oberfläche dünne und damit ausreichend nachgiebige Materialquerschnitte Il6a und zwischen jeweils zwei benachbarten Bohrungen 116 stäitere und damit steife Querschnitte 116b verbleiben. Analog zu den zuvor beschriebenen AusfUhrungsformen dienen bei Einleitung von Kraft und Gegenkraft in Richtung der Pfeile 11? die querschnitte 115b zur Einleitung beispielsweise der Kraft von der einen Seite und die Querschnitte 116b zur Einleitung der anderen, beispielsweise der Gegenkraft von der anderen Seite. Zufolge der gegeneinander versetzten Anordnungen der Bohrungen 115 auf der einen und 116 auf der anderen Seite entstehen Schubspannungszonen Il8, in deren Bereich seitlich am Meßkörper die Dehnmeßstreifen 119 angebracht sind. Die gewünschten Dimensionen für diese Schubspannungszonen können durch geeignete Wahl der Abstände der Bohrungen und deren Abmessungen festgelegt werden. Um zu vermeiden, daß man bei gewünschter größerer Flächenausdehnung der Vorrichtung, wie anhand einiger vorhergehender Ausführungsbeispiele erläutert, mehrere Meßkörper zusammensetzen muß, ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 20 eine Möglichkeit aufgezeigt, einen einstUckigen Meßkörper größerer Abmessungen zu verwenden. Hierzu sind in den Meßkörper 114 senkrecht zu den Bohrungen 115 und Ij6 verlaufende Öffnungen 120, 121, vorzugsweise durch Bohrungen, eingebracht, durch welche auch im Innern des Meßkörpers im Bereich der Schubspannungszonen Dehnmeßstreifen 122 angebracht und elektrisch angeschlossen werden können. Selbstverständlich können auch bei dieser Ausführungsform die zuvor beschriebenen Übertragungsteile angewandt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 21 und 25 in zwei verschiedenen Seitenansichten und in Figur 22 in Draufsicht dargestellt. Es handelt sich um eine aus mehreren Meßkörpern 124 bis 126 zusammengesetzte

- 14 10 9825/036?

BAD CFWSINÄU*

Vorrichtung. Die Meßkörper sind untereinander verbunden« Zur Einle-itung der Kraft ist ein allen Meßkörpern gemeinsames Übertragungsteil 127 und zur Einleitung der Gegenkraft ein ebenfalls allen Meßkörpern gemeinsames Übertragurtgsteil 128 vorgesehen. Zur Erfassung einer Druck» belastung F' in der Größenordnung von 1,5 Millionen kp, die ungleichmäßig verteilt oder unsymmetrisch konzentriert sein kann, besitzt die gesamte Vorrichtung eine sehr geringe Gesamthöhe 129 von ca. β cm sowie eine Ausdehnung von ca. Io χ 16 cm . Die Nebeneinanderanordnung der Meßkörper ist aus Figur 23 ersichtlich. Jeder der einzelnen Meßkörper 124 bis 126 wird zunächst in der zuvor beschriebenen Weise für sich allein hergestellt und sodann mit dem zugehörigen Übertragungsteil 127a bzw. 128a durch Hartlöten und/oder Schweißen,wie in Figur 21 und Figur 23 für den Meßkörper ersichtlich, an den Stellen 124c bzw. 124d verbunden. An den Meßkörpern sind die Dehnmeßstreifen 130 und 131 angebracht. Die Übertragungsteile 127a und 128a sind etwas breiter als der Meßkörper und sind nahe ihren schmalen Enden an den Stellen 127b und 127c mit Aussparungen bzw. Schlitzen versehen, so daß sie an den Stellen 127d und 127e nahe dem Ort ihrer festen Verbindung mit dem Meßkörper biegbar sind. Diese Maßnahmen sind bei den Übertragungsteilen aller Meßkörper vorgesehen, dadurch wird gewährleistet, daß die Einleitung der Kraft bzw. Gegenkraft ohne unerwünschten Kraftnebenschluß über die Befestigungsmittel der Übertragungsteile an den Meßkörpern auf die definierten Krafteinleitungsbzw. Gegenkrafteinleitungsflächen'der Meßkörper erfolgt. Zusätzlich sind die Befestigungsenden der Übertragungsteile außerhalb dieser Biegestellen,wie aus Figur 21 ersiohtlich, schwächer gehalten, um einem unerwünschten Kraftnebenschluß zu begegnen. Im allgemeinen genügt es, diese Maßnahmen auf einer Seite der Gesamtanordnung, beispielsweise auf der Krafteinleitungsseite, zu ergreifen. Für eine optimale Integration sind zwei benachbarte Meßkörper, wie aus Figur 23 ersichtlich, gegeneinander verkehrt angeordnet, so daß bei Anordnung der Aussparungen 127b und 127c auf der einen Seite,die entsprechenden Aussparungen und Schlitze 128b

10 9825/036?' .. _l5 „

BAD R

!698113 40.21

und 128c auf der anderen Seite liegen. Zusätzlich ergibt sicn auch eine umgekehrte Anordnung der Nuten 125a und 125b im Meßkörper 125 im Vergleich zu den Nuten 124a und 124b im Meßkörper 124 (Figur 22), Die den einzelnen Meßkörpern zugeordneten Ubertragungsteile 127 bzw. 120 werden sodann durch Verschweißen an den Stellen 127w bzw. 12öw (Figur 2.3) miteinander verbunden, so daß die Vorrichtung eine kompakte Einheit bildet. Die an den einzelnen Meßkörpern angebrachten Dehnmeßstreifen können,um Summeneffekte zu erzielen, in geeigneter Weise zusammengeschaltet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die erörterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Fachmännische Variationen, beispielsweise zur Erfassung von Zugkräften oder Zug- und Druckkräften sowie zur Durchführung von Kompensationsmaßnahmen^ sind ohne weiteres möglich.

9825/036?

BAD

Claims

Patentansprüche

Elektrische Kraftmeßvorriehtung, bei welcher die zu messende Kraft und die Gegenkraft entlang zueinander im wesentlichen parallel verlaufender, seitlich gegeneinander versetzter Wirklinien in einander entgegengesetzten Richtungen in einen MeBkÖrper eingeleitet und die dabei im Meßkörper hervorgerufenen Schubspannungen durch am Meßkörper angeordnete elektrische Dehnungsmeßstreifen in entsprechende Meßsignale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich der im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt besitzende Meßkörper .(23; 36} h9; 5^, 55? 59* 60, 6lj 66, 67, 68, 69s 78} 81} 36% 96'} 107? 107*} H4j 124, 125, 126) quer zur Kraftwirkungsrichtung (P., Fp, F.«) erstreckt und an seiner der Kraftwirkung unterliegenden einen Seite mit Abstand voneinander angeordnete^ definierte Krafteinleitungsflächen (23d; 39; 63i 79i 98¹} 115b), auf seiner gegenüberliegenden, der Wirkung der Gegenkraft unterliegenden Seite, auf Lücke zu den Krafteinlei tungsf läehen angeordnete definierte GegenkrafteinleitungsflMchen (23ej 40} 64} 80} 116b) besitzt* d«ir&rt£ daß sich zwischen den über die Krafteinleitungsfläehen von der zu messenden Kraft beaufschlagten Meßkörperzonen und den Über die Gegenkrafteinleitungsfläehen von der Gegenkraft beaufschlagten Meßkörper-Zonen im MeSkÖrpsr schmale,- im wesentlichen einer Schubspannung unterworfene Zonen (24a, 25ai 24a^!, 25a¹} I¹S) befinden, und daß die Dehnungsmeßstreifen {Jhi 34'ι C₁-C₀, Tj-fgj 52} 57? 62? ?2| Iky Ö4j 97; 97'; 112; 112¹} 119, 122} 130, 131) seitlich am Meßkörper im Bereich der Schubspannungszonen in an sich bekannter Welse Im Winkel von etwa 45° zur Kraftwirkungsrichtung angeordnet sind. 109825/0362

- 17 BAD OFüÖINAU

2. Kraftmeßvorriehtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß* in Kraftwirkungsrichtung gesehen, die Ausdehnung der Dehnungsmeßstreifen geringer als die der Schubspannungszonen ist und die Dehnungsmeßstreifen seitlich am MeßkÖrper etwa in der Mitte der Erstreckung (H) der Schub« spannungszonen in Kraftwirkungsrichtung, d. h. im. Bereich maximaler Schubspannung, angeordnet sind*

3·Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungsflächen auf der einen und die Gegenkrafteinleitungsflächen auf der gegenüberliegenden Seite des MeßkÖrpers durch über die betreffende Seitenfläche herausragende Erhebungen, (2$a_s 2j5ei 39* 40; .6j5j"64; 79a, 80a; 8la, 8lbj 98} gebildet sind und diese im wesentlichen gleiche Abmessungen haben wie die dazwischenliegenden Oberflächente ils fclieke.

4. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,, daß der Meßkörper die Gestaltung eines I-Trägers (jS) besitzt, dessen Planschoberflachen zwischen quer zu seiner Längsachse verlaufenden und bis auf den mittleren Stegteil durchgehenden Schlitzen (77) die Kraft« bzw. Oegenkrafteinleitungsflächen aufweisen, und daß die Dehnungsmeßstreifen seitlich am Stegteil (76©) angebraehfc- sind. ο

_& 5· Kraftmeövorricbtung.'öach "Anspruch l_säadisreh ^ gekennzeichnet* daß der Meßkörper die Gestalt **· eines I-Träger© besitatj» in dessen Planschen oberflächen quer jsu seiner Längsachse ver-_Μ laufende ÄusnehHiuogers vorgesehen sind, derart, daß, in Richtung ö@r HEngsach.se des Trägers gesehen, die EvBtpmkwßg u®r einselnen- Aus«

BADORlGfNAiIo ™

- 18 - 40.21

nehmungen etwa gleich derjenigen der zwischenliegenden Flansehoberflächenteile ist und, in der quer zur Längsachse des Trägers verlaufenden Kraftwirkungsrichtung gesehen, einer Ausnehmung in einem Plansch ein zwischen zwei Ausnehmungen liegendes Oberflächenteil des anderen Flansches gegenüberliegt, und daß die Dehnungsmeßstreifen seitlich am Stegteil des Trägers angeordnet sind.

6. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Krafteinleitungsflächen die zu messende Kraft bzw. auf die Gegenkrafteinleitungsflächen die Gegenkraft jeweils Über ein gemeinsames steifes Übertragungsteil (37, 2«i 50,'51; 56, 5B; 65) einwirkt.

7· Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ci3 Kraft- bzw. Gegenkrafteinleitungsflächen (115b, Il6b) durch im Meßkörper (11*0 an oder nahe seinen der Kraftbzw. Gegenkraftwirkung zugewandten Oberflächen und quer zu seiner Längsachse und zur Kraftwirkungsrichtung verlaufende Bohrungen (1^V5* 116) begrenzt sind.

ö. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkärper die Gestalt eines Kreisringes (96) bei radialer Kraftwirkungsrichtung besitzt, an dessen, in radialer Richtung gesehen, innerer bzw. äußerer Mantelfläche die Kraftbzw. Gegenkraftelnleitungsflachen angeordnet sind, und sich die Abmessungen der Krafteinleitungsflächen zu den Abmessungen der Gegenkrafteinleitungsflächen verhalten wie die Gesamtabmessungen der beiden Mantelflächen zueinander.

10 982570 362

. - 19 «

BAD ORIGINAL

- 19 - 40.21

9. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (96') die Gestalt eines Kreisringes bei axialer Kraftwirkungsrichtung besitzt, an dessen beiden axialen Begrenzungsflächen die Kraft- bzw». Gegenkrafteinleitungsflächen angeordnet sind.

10. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen quaderförmlger Ausbildung des Meßkörpers (49) die zu messende Kraft bzw. die "Gegenkraft über zwei gleiche, steife, kammartige Übertragungsteile (50* 515* deren Zinken (50a, 51a) um eine halbe Zinkenteilung gegeneinander «ersetzt dem Meßkörper zugewandt sind, auf 2wei gegenüberliegenden Seiten in den Meßkörper eingeleitet werden und die auf der Meßkörperoberfläche sfett aufliegenden stumpfen Stirnflächen der Kammzinken die Kraft-= bzw. Gegenkrafteinleitungsflächen definieren.

11. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet., daß bei Anordnung mehrerer Meßkörper (5^* 55j 59* 60, 6l; 124, 125, 126) die Kraft bzw. die Gegenkraft über je ein gemeinsames steifes Obertragungsteil (56, 58; 65; 127, 128) auf die Kraft- bzw. Gegenkrafteinleitungsflächen einwirkt.

12. Kraftmeßvorriehtung nach einem der Ansprüche 6, 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die steifen Ubertragungsteile zumindest teilweise biegeweiche Randzonen (46, 4'fj 12?d, 12Je) besitzen, In welchen Vorrichtungen (45) zur Herstellung einer Verbindung mit dem/den Meßkörper(n) zur Wirkung kommen.

109825/036?

BAD ORfQINAL