DE2424487B2 - Einrichtung zur erfassung von zugspannungen in einem konstruktionselement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Zugspannungen in einem Konstruktionselement mit einem beidseits kraftschlüssig mit diesem verbundenen Dehnungsstab, der einen querschnittsverminderten Abschnitt aufweist, an welchem eine aus Dehnungsmeßstreifen bestehende Widerstandsbrücke befestigt ist.

Ein derartiger Zugspannungsmesser ist nach der US-PS 28 01 388 bekannt. Er ist zur Befestigung an einer Außenfläche des zu überwachenden Maschinenteils vorgesehen und zum Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse mit einem besonderen Gehäuse versehen. Wegen der äußerlichen Anbringung des bekannten Zugspannungsmessers ist bei gleichzeitigem Vorhandensein von Biegekräften ein von diesen herrührender, verfälschender Einfluß auf das Meßergebnis zu erwarten, und es läßt auch der für ein gutes Meßergebnis zu fordernde enge Temperaturkontakt zwischen Konstruktionsteil und Meßwertgeber zu wünschen übrig.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden, d. h. einen Meßwertgeber für Zugspannungen zu schaffen, bei dem auf einfache Weise ein optimaler mechanischer Schutz, eine weitgehende Elimination des Einflusses der Biegekräfte, ein guter und gleichmäßiger Temperaturkontakt sowie eine problemlose Austauschbarkeit erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß in dem Konstruktionselement eine in Richtung der neutralen Faser und in Richtung der Zugspannungskraft verlaufende Bohrung zur Aufnahme des Dehnungsstabes vorgesehen ist.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind soll nachstehend an Hand der Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein gabelförmiges Zugankerelcment I mit zwei Bohrungen 2 zur Aufnahme eines Bolzens 3 an dem beispielsweise ein das Lager einer Walze aufnehmendes, nicht weiter dargestelltes Einbaustück 4 befestigt sein möge. Der Anpreßkraft der Walze aiii ihre Unterlage ist bestimmt durch die am Gabelende

angreifende Zugkraft K, welche durch die erfindungsgemäße Einrichtung erfaßt werden soll. Hierzu ist in den Zuganker 1 eine in Richtung der neutralen Faser N, d. h. beim bezeichneten Ausfühn-.ngsbeispiel in Richtung der Symmetrieachse des Zugankers 1 verlauft» < Bohrung vorgesehen, in welche ein von öl 5 und einer metallischen Schutzhülse 8 umgebener Dehnungsstab 7 eingebracht ist. Die Hülse 6 ist an ihrem einen Ende mittels eines Gewindes mit dem Zuganker 1 verschraubt und stützt sich gegen ihn an ihrem anderen Ende mit einer Bundfläche ab. Der Dehnungsstab 7 weist in seiner oberen Hälfte einen querschnittsverminderten Abschritt 8 auf. Er ist an seinem unteren Ende mittels eines Bolzengewindes in die Hülse 6 eingeschraubt und stützt sich an seinem anderen Ende mittels einer Bundfläche 9 gegen dieselbe ab. Schrauben 10 sind zur Sicherung gegen Verdrehung des Dehnungsstabes gegenüber der Hülse 6 vorgesehen. Das sich im Zwischenraum zwischen dem Dehnungsstab 7 und der Hülse 6 befindliche öl 5 soll ein gutes Wärmeleitermögen haben, um einen guten Temperaturkontakt zwischen der Hülse 6 und dem Dehnungsstab 7 zu gewährleisten. Die Abdichtung dieses ölraumes wird durch Dichtmasse in den Gewindegängen des Dehnungsstabes 7 und einen Dichtring 11 erreicht. In den Zwischenräumen zwischen der Hülse 6 und dem Zuganker 1 befindet sich Fließfett. Auf diese Weise kann ein guter Temperaturkontakt auch zwischen dem Zuganker 1 und der Hülse 6 hergestellt werden, was bei betriebsmäßigen Erwärmungen des Zugankers 1 deshalb wichtig ist, weil dadurch der Einfluß der unter der Wirkung von Wärme hervorgerufenen Dehnungen auf das Meßergebnis eliminiert werden kann. Besonders gut läßt sich dieses Ziel erreichen, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Zugankers 1 mit dem des Dehnungsstabes 7 übereinstimmt. Der Dehnungsstab 7 stellt mit der mit ihm verschraubten Schutzhülse 6 einen leicht und problemlos montierbaren bzw. auswechselbaren Meßwertgeber dar.

An dem querschnittsverminderten Abschnitt 8 sind nun vier Dehnungsmeßstreifen 12 symmetrisch zur neutralen Faser N befestigt, und zwar jeweils zwei in Richtung dieser neutralen Faser und zwei senkrecht dazu. Die elektrischen Zuleitungen zu diesen Dehnungsmeßstreifen 12 werden durch zwei Bohrungen 13 im Dehnungsstab zu vier Kontaktstiften 14 geführt, welche in einer Glasdurchführung 15 eingeschmolzen und dort in an sich bekannter Weise zu einer Widerstandsbrücke verschaltet sind. Die Glasdurchführung ist an ihrem Umfang mit einer Bohrungswand des Deh- 5<* nungsstabes 7 öldicht verklebt. Am underen Ende der Kontaktstifte 14 kann ein vieradriges Kabel angeschlossen werden, welches seinerseits durch eine weitere Durchführung 16, die der Zugentlastung dient, hindurchgeführt und mit einer Sp^nnungsquelle sowie einem Ausgangsverstärker verbunden wird. Um eine kompaktere Baueinheit zu bekommen, ist es auch möglich, den Brückenausgangsverstärker vorzugsweise als integrierten Schaltkreis auszuführen und ihn unmittelbar an die oberen Enden der in die Glasdurchführung 15 eingeschmolzenen Kontaktstifte 14 anzuschließen, so daß er sich in der dortigen Bohrung des Dehnungsstabes 7 befindet.

Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Anordnung ist folgende: Unter der Voraussetzung, daß die Querschnittsabmessungen in den einzelnen Teilen des Dehnungsstabes so gewählt sind, daß der mit 8 bezeichnete Abschnitt den kleinsten Querschnitt aufweist, wird sich eine unter der Wirkung einer Zugspannung K hervorgerufene Dehnung des Stabes 7 hauptsächlich in diesem Abschnitt bemerkbar machen. Diese Dehnung wird dann von den Dehnungsmeßstreifen 12 aufgenommen und in der Mcßbrückenschaliung in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Im Bereich der elastischen Verformung ist dieses Signal proportional der Zugspannungskraft K. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertgebers wird um so größer, je kleiner das Verhältnis der Querschnitte des Abschnitts 8 zu dem Querschnitt des übrigen Teils des Dehnungsstabes 7 ist Zweckmäßig ist es, für dieses Verhältnis etwa den Wert 1 :10 zu wählen. Die Empfindlichkeit kann weiter noch dadurch gesteigert werden, daß für den querschnittsverminderten Abschnitt 8 ein Material mit einem kleineren Elastizitätsmodul gewählt wird als für den übrigen Teil des Dehnungsstabes 7. Das Teilstück 8 könnte dann beispielsweise aus Kupfer oder Silber bestehen und an den Dehnungsstab 7 angeiöte! sein.

In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform des Dehnungsstabes 7 gezeigt, welche insbesondere bei kleineren radialen Abmessungen fertigungstechnische Vorteile gegenüber der in F i g. 1 dargestellten Variante aufweist. Der zylindrische Dehnungsstab 7 ist hier in eine in der Symmetrieachse N einer Kopfschraube, beispielsweise einer Sechskantschraube 16 verlaufende Bohrung eingebracht und mit ihr in gleicher Weise kraftschlüssig mittels eines Bolzengewindes an einem Ende und einer Bundfläche 9 am anderen Ende verbunden, wie der in F i g. 1 gezeigte Dehnungsstab 7 mit der Hülse 6. Am oberen Ende des Dehnungsstabes 7 ist eine axial verlaufende und sich über seinen Bundbereich hinaus erstreckende Sackbohrung 17 vorgesehen, wodurch ein querschnittsverminderter Abschnitt 8 entsteht. An ihrem unteren Ende weist die Sackbohrung einen kleineren Durchmesser auf. In diesem Bereich sind mindestens zwei radial verlaufende und nach außen führende Bohrungen 18 angebracht, die zum Temperaturausgleich für das sich in den Zwischenräumen zwischen dem Dehnungsstab 7 und der Sechskantschraube 16 sowie für das sich in der Sackbohrung 17 befindliche öl dienen. An dem querschnittsverminderten Teil 8 des Dehnungsstabes 7 sind wiederum die vier Dehnungsmeßstreifen 12 befestigt, und zwar entweder an der Wand der Sackbohrung 17 oder bei kleineren Abmessungen des Dehnungsstabes 7 — wie gestrichelt angedeutet — an seinem äußeren Umfang. In letzterem Falle können die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Dehnungsmeßstreifen und den in der Glasdurchführung 15 eingeschmolzenen Kontaktstiften 14 einfach durch die Ausgleichsbohrungen 18 geführt werden. An den oberen Enden der Kontaktstifte 14 ist ein vieradriges Kabel 19 angeschlossen und durch eine Durchführung 20 geführt. Die anderen Kabelenden können über Steckverbindungen 21 λ und 216 mit einer Auswerteinheit 22 verbunden werden. Es kann sich als vorteilhaft und zweckmäßig erweisen, die .Steckvorrichtungen 21a konstruktiv mit dem Kopf des Dehnungsstabes 7 zu verbinden.

Wie bei der Anordnung nach F i g. 1 können auch mit der Anordnung gemäß F i g. 2 an der Sechskantschraube 16 angreifende Zugspannungskräfte erfaßt werden. Da der Durchmesser des Dehnungsstabes 7 relativ zu dem der Schraube 16 klein gehalten werden kann, braucht keine nennenswerte Schwächung von deren Querschnitt auftreten, so daß die Sechskantschraube in vielen !"allen auch gleichzeitig noch ihre eigentli-

ehe Funktion als Befestigungselement erfüllen kann. Vorteilhafte Anwendungsfälle für diese Ausführung sind beispielsweise die Erfassung und Justage des Anpreßdrucks bei Dichtflächen, was mit vorliegender Erfindung weitaus genauer durchgeführt werden kann als mit bisher hierfür üblichen Drehmomentschlüsseln.

Mit den beiden Varianten gemäß den F i g. I und 2 besteht die Möglichkeit, nicht nur Zugspannungskräfte, sondern auch Druckkräfte zu erfassen, wenn der Dehnungsstab unter einer entsprechenden größeren Vorspannung in das jeweilige Konstruktionselement eingebracht ist. Dies kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß er so weit in die Hülse 6 bzw. die Schraube 16 eingeschraubt wird, daß seine Bundfläche 9 einen Anpreßdruck auf die ihr zugeordnete Auflagefläche ausübt.

F i g. 3 zeigt Einzelheiten zur elektrischen Schaltung des Meßwertgebers. Die Zuleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen sind mit den unteren Enden von vier Kontaktstiften 14 so verbunden, daß eine aus vier Zweigen bestehende Brückenschaltung entsteht. Zwei Diagonalpunkte dieser Brücke werden von einer Spannungsquelle, beim dargestellten Beispiel von einer Gleichspannungsquelle 23, über die Leitungen a und b mit Spannung versorgt, während das Briickenausgangssignal über die Leitungen cund d einem elektronischen Differenzverstärker 24 zugeführt wird, in dessem Ausgangskreis ein Anzeigeinstrument 25 angeordnet ist. Die Spannungsquelle 23, der Verstärker 24 und das Anzeigeinstrument 25 können zweckmäßigerweise in der Auswerteinheit 22 baulich zusammengefaßt werden.

F i g. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung zur Walzkraftmessung bei einem mit 26 bzeichneten. nur schematisch dargestelltem Walzengerüst. Das eine Lager 27 der Oberwalze 28 wird von einem Einbau-ίο stück 4 aufgenommen, welches mittels zweier Bolzen 3 an zwei gabelförmigen Zugankern 1 befestigt ist, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der F i g. 1 im Prinzip schon angedeutet wurde. Das andere Lager der Oberwalze wird in gleicher Weise gehaltert, ebenso kann dies bei den Lagern der Unterwalze der Fall sein, was jedoch der besseren Übersicht halber nicht dargestellt ist.

Die Zuganker 1 sind in im Ständergerüst vorgesehenen Führungen 30 beweglich und können mittels je eines Exzenterbolzens 31 quer zur Walzrichtung IV verstellt worden, womit sich der Walzspalt entsprechend verändert. Mit den in längs der neutralen Faser verlaufenden Bohrungen eingebrachten Meßwertgebern 7 läßt sich die Walzkraft, d. h. der Anpreßdruck der Walze 28 auf das Walzgut 32 erfassen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erfassung von Zugspannungen

in einem Konstruktionselement mit einem beidseits kraftschlüssig mit diesem verbundenen Dehnungs stab, der einen querschnittsverminderten Abschnitt aufweist, an welchem eine aus Dehnungsmeßstreifen bestehende Widerstandsbrücke befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Konstruktionselement (1, 16) eine in Richtung der neutralsn Faser (N) und in Richtung der Zugspannungskraft (K) verlaufende Bohrung zur Aufnahme des Dehnungsstabes (7) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsstab mit einer ihn umgebenden metallischen Hülse (6) kraftschlüssig verbunden ist, weiche ihrerseits mit dem Konstruktionselement kraftschlüssig verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des die Dehnungsmeßstreifen tragenden Abschnitts (8) etwa eine Größenordnung kleiner ist als der Querschnitt des übrigen Teils des Dehnungsstabes.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Konstruktionselements gleich dem des Dehnungsstabes gewählt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der querschnittsverminderte Abschnitt des Dehnungsstabes aus einem Material mit einem kleineren Elastizitätsmodul als der übrige Teil besteht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsstab an seinem einen Ende mit einem Bolzengewinde und an seinem anderen Ende mit einer Bundfläche (9) zur Abstützung gegen das Konstruktionselement oder die ihn umgebende Hülse versehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsstab zylinderförmig ist und an seinem der Bundfläche zugeordneten Ende mit einer axial verlaufenden und sich über den Bundbereich hinaus erstreckenden Sackbohrung (17) zur Bildung des querschnittsverminderten Ab-Schnitts versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Dehnungsstab und dem Konstruktionselement bzw. der ihm umgebenden Hülse mit öl von gutem Wärmeleitvermögen ausgefüllt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung an ihrem Ende einen geringeren Durchmesser aufweist als an ihrem Anfang und mit radial verlaufenden ölausgleichsbohrungen (18) versehen ist, derart, daß der Querschnitt des Dehnungsstabes im Bereich der ölausgleichsbohrungen größer ist als in dem die Dehnungsmeßstreifen tragenden Abschnitt.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen der Dehnungsmeßstreifen durch mindestens eine dichtende Durchführung (15) an einer Stirnseite des Dehnungsstabes herausgeführt sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge- &5 kennzeichnet, daß die Dehnungsstreifen außen am Dehnungsstab angebracht und ihre elektrischen Zuleitungen durch die Ölausgleichsbohrungen geführt

12 Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung (15) aus einer an ihrem Umfang mit einer Bohrungswand im Deh-

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führung (15) mit vier beidseits herausragenden Kontaktstiften (14) besteht.

13 Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Glasdurchführung (15) aufnehmenden Bohrung des Dehnungsstabes ein Brückenausgangsverstärker angeordnet und unmittelbar mit zwei der dem querschnittsverminderten Teil abgewandten Enden der Kontaktstifte elektrisch verbunden ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Walzkraftmessung bei Walzengerüsten (26), deren Walzenlager (27) mittels Zuganker (1) verstellbar sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daft das Konstruktionselement in einer Kopfschraube besteht.