DE2451924A1

DE2451924A1 - Geraet zum messen einer torsionsspannung

Info

Publication number: DE2451924A1
Application number: DE19742451924
Authority: DE
Inventors: Jun Nelson M Mercer
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-11-05
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1975-05-07
Also published as: GB1461138A; CA1019980A; AU7370674A

Description

FORD-WEHKE AKTIENGESELLSCHAFT, 5 KÖLN-DEUTZ, OTTOPLATZ 2

Gerät zum Messen einer Tdsionsspannung.

Zum Messen der Tarsionsspannung in einem auf Torsion beanspruchten Körper ist es bekannt, an diesem Körper elektrische Widerstände anzubringen und zur Bildung einer Meßbrücke, wie einer Wheatstonebrücke, elektrisch untereinander zu verbinden. Die Widerstände sind dabei so Angeordnet, daß wenigstens eine Teilstrecke des Widerstandsweges im wesentlichen gleich ausgerichtet ist wie die Torsionsachse, so daß bei einer Torsionsbeanspruchung des betreffenden Körpers diese Teilstrecke eine Verzerrung erfährt und dann aus dieser Verzerrung ein reversibler Widerstandswechsel gemessen werden kann, der einen Rückschluss auf die Grosse der Torsionsbean-

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spruchung ergibt. Eine solche Meßanordnung ist beispielsweise aus der ÜS-PS 2 428 012 bekannt.

Es ist weiterhin bekannt unter einem jeweiligen Winkel von 45 zur Torsionsachse zwei Dehnungsmeßstreifen an dem auf Torsion beanspruchten Körper anzubringen und an einem dazu ferner Ort an eine Haltbrücke anzuschliessen. Anordnungen dieser Ausbildung ergeben nur dann eine Torsionsmessung, wenn auf den betreffenden Körper auch tatsächlich eine Torsionsbeanspruchung einwirkt, und um deren Auftreten überhaupt erfassen zu können, muß dabei zu dem an einer ferner). Stelle angeordneten Widerstandsmeßgerät hin eine elektrische Verbindung unter Verwendung einer Schleifringbürste und eines Schleifringes hergestellt werden. Ein weiterer Nachteil solcher Meßanordnungen ist, daß solche Dehnungsmeßstreifen eine Änderung des Widerstandswertes in direkter Abhängigkeit von dem jeweils vorherrschenden Spannungszustand erfahren, so daß zur Ermittlung der Dauerermüdungsfestigkeit des betreffenden Körpers durchgeführte Messungen über einen längeren Zeitraum ständig zu wiederholen sind und danach eine ziemlich mühevolle und auf jeden Fall ζ jonlich aufwendige. Analyse und Auswertung der einzelnen Meßwerte zu erfolgen hat, um die notwendigen Rückschlüsse auf die Ermüdungsfestigkeit zu bekommen. Die auf diese Weise ermittel-· ten Werte sind zwar hinreichend genau, so daß mit ihnen gearbeitet werden kann, jedoch haben sie eindeutig gewisse Fehlerquellen, die insbesondere in der elektrischen Verbindung über die Schleifringbürste und den Schleifring begründet liegen.

Nach einem neueren Meßverfahren wird die Dauerermüdungsfestigkeit unter Verwendung einer Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen der beispielsweise in der ÜS-PS 3 272 003 gezeigten Art ermittelt. Diese Dehnungsmeßstreifen haben einen elektrischen Widerstand, der sich beim Auftreten einer genügend grossen Dimensionsänderung irreversibel verändert. Eine solche

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Dimensionsänderung findet beispielsweise auch dann statt, wenn in dem betreffenden Körper ein genügend grosser Spannungszustand vorherrscht, der entweder aus einer Druckoder einer Dehnungsbeauf schlagung resultiert. Bei dem hier in Betracht gezogenen Meßverfahren, das in grösseren Einzelheiten unter dem Titel "Determination of Accumulated Structural Loads for S/N Gage Resistance Measurements" in der SAE-Druckschrift Nr. 730139 beschrieben ist, wird jeder einzelne Dehnungsmeßstreifen einem anderen Vielfachen der Spannung ausgesetzt, die in dem betreffenden Körper oder einem Teilstück desselben tatsächlich auftritt, und es muß dann auch hier über einen ansehliessenden Rechenvorgang aus den betreffenden Einzelwerten die Grosse ermittelt werden, welche die Gesamtbelastung des betreffenden Bauteils ausweist.

Die Anwendung dieses Meßverfahrens setzt die Verwendung der speziellen Dehnungsmeßstreifen voraus, welche die Fähigkeit haben, sich an die zurückliegenden Spannungszustände des betreffenden Bauteils zu erinnern. Ein solches Erinnerungsvermögen dieser Dehnungsmeßstreifen schränkt aber die Messung von Druck- und Dehnungsspannungen auf solche Anwendungsfälle ein, wo diese Spannungen oberhalb eines gewissen Mindestwertes liegen. Es ist darin ebenso ein gewisser Nachteil zu erblicken wie in dem Umstand, daß auch dabei die Ermittlung der Dauerermüdungsfestigkeit einen beträchtlichen Rechenprozess erfordert, weil die Werte, die für aufgetretene Druck- und Dehnungsspannungen ermittelt werden, nicht direkt einen Rückschluß auf die Dauerermüdungsfestigkeit ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zum Messen der Torsionsspannung in einem auf Torsion beanspruchten Bauteil zu schaffen, welches die Anwendung des in der vorerwähnten SAE-Druckschrift Nr. 730139 beschrie-

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benen Meßverfahrens zur direkten Ermittlung der Dauerermüdungsfestigkeit erlaubt ο

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein im wesentlichen biegesteifer Hebel vorgesehen ist, der in einer Anordnung vorzugsweise parallel zur Torsionsachse an seinem einen Ende an dem auf Torsion beanspruchten Körper befestigt ist und nahe seinem anderen Ende der Befestigung des einen Endes wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens dient, dessen anderes Ende an dem betreffenden Bauteil vorzugsweise so befestigt ist, daß dieser Dehnungsmeßstreifen im wesentlichen quer zur Torsionsachse ausgerichtet ist.

Es wird damit ein Meßgerät bzw. eine Meßanordnung in Vorschlag gebracht, bei der in Abhängigkeit von der Wirkrichtung des jeweiligen Drehmoments auf den Dehnungsmeßstreifen entweder eine Druck- oder eine Dehnungsbeaufschlagung einwirkt, weil die Drehmomentbeaufschlagung eine entsprechende Relativbewegung des freien Hebelendes in bezug auf das Ende des Dehnungsmeßstreifens erfährt, welches an dem mit dem Drehmoment beaufschlagten Bauteil befestigt ist. Sofern an dem im wesentlichen biegesteifen Hebel mehrere Dehnungsstreifen an verschiedenen Stellen befestigt sind, kann dann für jeden einzelnen Streifen das bestimmte Vielfache bzw. der bestimmte Bruchteil des Druckes oder der Dehnung ermittelt werden, der bzw. die auf die übrigen Dehnungsmeßstreifen einwirken.

Weitere Teilmerkmale der vorliegenden Erfindung sind in den darauf bezogenen Ansprüchen erfasst. Zwei augenblicklich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.

Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsform ist ein Zylinder 10 gezeigt, welcher das auf Torsion entweder

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in Richtung des Pfeils 12 oder in Richtung des Pfeiles 1% beanspruchte Bauteil darstellen soll. Das Bauteil kann auch jede andere Formgebung haben. An der Mantelfläche des Zylinders 10 ist ein Befestigungsblock 16 für einen im wesentlichen biegesteifen Hebel 20 befestigt, der sich im wesentlichen parallel zur Torsionsachse des Zylinders 10 erstreckt und an dessen freiem Ende die einen Enden von insgesamt drei Dehnungsmeßstreifen 24 befestigt sind, deren andere Enden über einen jeweiligen Befestigungsblock 22 ebenfalls an der Mantelfläche des Zylinders 10 befestigt sind. Die einzelnen Dehnungsmeßstreifen 24 sind gegenseitig auf Abstand angeordnet und bilden zusammen mit dem Hebel 20 das eigentliche Meßgerät 26 zum Messen der Torsionsspannung, die bei einer Torsionsbeanspruchung des Zylinders 10 in diesem auftritt.

Die Dehnungsmeßstreifen 24 sind bevorzugt solche der in der US-PS 3 272 003 gezeigten Art. Sie haben an ihren beiden Enden eine jeweilige Punktbefestigung an dem Hebel 20 bzw. an dem zugeordneten Befestigungsblock 22, wobei diese Punktbefestigung entweder durch Kleben oder Löten oder auch mechanisch mittels Schrauben oder Nieten bewerkstelligt sein kann. Die Befestigung soll dabei vorzugsweise so getroffen sein, daß sich die Dehnungsmeßstreifen bzw. ihre jeweilige Spannungsachse i» wesentlichen quer zur Torsionsachse erstreckt, d.h. die Spannungsachse der einzelnen Dehnungsmeßstreifen soll vorzugsweise in einer jeweiligen Radialebene des Zylinders 10 liegen, so daß entlang von dessen. Torsionsachse wieder dieselben Werte für die gegenseitigen Abstände der einzelnen Dehnungsmeßstreifen auftreten wie an dem Hebel 20, der nach der vorerwähnten Forderung vorzugsweise parallel zur Torsionsachse verlaufen soll.

Die Anordnung des Hebels 20 parallel zur Torsionsachse und die quer dazu ausgerichtete Anordnung der einzelnen Dehnungs-

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meßstreifen 24 ergibt bei einer Torsionsbeanspruehung des Zylinders 10 eine lineare Ortsveränderung der einzelnen Befestigutigsblöcke 22 relativ zum freien Ende des Hebels 20, so daß die einzelnen Dehnungsmeßstreifen 24 in Abhängigkeit von der Wirkrichtung der Torsionsbeanspruchung entweder eine Druck- oder eine Dehnungsbeaufschlagung erfahren, die Dehnungsstreifen also entweder verkürzt oder gestreckt werden. Weil die einzelnen Befestigungsblöcke 22 in unterschiedlichen Abständen von dem Befestigungsblock 16 für den Hebel 20 angeordnet sind, erfahren sie bei jeder Torsionsbeanspruchung des Zylinders 10 unterschiedlich grosse Ortsveränderungen relativ zu dem freien Hebelende, so daß auch die einzelnen Dehnungsmeßstreifen 24 entsprechend unterschiedlich entweder verkürzt oder gestreckt werden. Es i&t folglich möglich, das in der SAE-Druckschrift. Nr. 730139 beschriebene Meßverfahren zur Ermittlung der Dauerermüdungsfestigkeit anzuwenden, wobei die folgenden Berechnungsformeln gelten.

Die Torsionsspannung γ kann entweder experimentell ermittelt oder in Abhängigkeit von dem Querschnitt des Bauteils, das auf Torsion beansprucht wird, einem Nachschlagwerk entnommen, werden. Sofern das Bauteil ein Zylinder ist, dessen geometrische Achse dann gleichzeitig die Torsionsachse ist, kann die Torsionsspannung durch folgende Gleichung erfasst werden: - '

In dieser Gleichung ist r der Halbmesser des Zylinders und θ der Torsionswinkel des Zylinders je Einheitslänge, ausgedrückt im Winkelmaß. Sofern die Winkeldrehung gering ist, so daß die folgende Gleichung

sin θ->θ (2)
erfüllt ist, kann die Dimensionsänderung, die ein quer zur

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Torsionsachse angeordneter Dehnungsmeßstreifen unter der Einwirkung dieser Winkeldrehung erfährt, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Ai = 2r ψ(3)

wobei öder Drehwinkel ist, der an dem Dehnungsmeßstreifen auftritt. Dieser Winkel kann durch die folgende Gleichung erfasst werden:

♦■ ^θ «■„

wobei L die Länge des Hebels, ausgedrückt in Einheiten der

Zylinderlänge₍ist. Aus den vorstehenden Gleichungen (4) und (3) ergeben sich die beiden folgenden Gleichungen:

/=k T

Δ i = 2r

2, Al = rθ =γ

L
c

Sofern kalibrierte Dehnungsmeßstreifen benutzt werden, ist die WiderstandsänderungüΛ proportional zur Spannung im Dehnungsmeßstreifen, so daß sich die beiden folgenden Gleichungen ergeben:

wobei 1 die Länge des Spaltes ist, der durch den Dehnungsmeßstreifen überbrückt wird. Aus den beiden vorstehenden Gleichungen (8) und (6) ergeben sich die beiden folgenden Gleichungen:

ίΔί\ = γ

L_c

A A-

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Aus dieser letzten Gleichung ist ersichtlich, daß sich für die Widerstandsänderung ein Multiplikationsfaktor ergibt, der gleich der Länge L des Hebels geteilt durch die Länge des Spaltes ist, welcher durch den Dehnungsmeßstreifen überbrückt wird.

Bei der anderen Ausführungsform gemäß Figur 2 der Zeichnung ist ebenfalls ein Zylinder 10 als das Bauteil gezeigt, welches einer Torsionsbeanspruchung unterworfen werden soll. Gezeigt ist hier nur das freie Ende des Hebels 20, dem nur ein einziger Befestigungsblock 22 zugeordnet ist, an welchem das eine Ende eines Dehnungsmeßstreifens 28 befestigt ist, der mit seinem anderen Ende am freien Hebelende befestigt ist. Der Dehnungsmeßstreifen 28 hat an seinen beiden Enden im wesentlichen starr ausgebildete Befestigungsstücke 30a und 30b, die über eine jeweilige Schraubverbindung 32 eine Punktbefestigung an dem Hebel 20 bzw. an dem Befestigungsblock 22 haben. Die Befestigungsstücke 30a und 30b sind stufenförmig ausgebildet, so daß sich Spalte unterschiedlicher Längen ergeben, in denen ein jeweiliger Dehnungsmeßstreifen 2k der in der US-PS 3 272 003 beschriebenen Art angeordnet ist. Die Dehnungsmeßstreifen 24 sind in einen Kunststoff 36 eingebettet, der die beiden Befestigungsstücke 30a und 30b miteinander verbindet und der so ausreichend flexibel sein soll, daß für die Relativbewegung der beiden Befestigungsstücke 30a und 30b nur wenig oder gar kein Widerstand auftritt. Das Meßgerät 26 dieser Ausbildung gemäß Figur 2 ist besonders kompakt gebaut und hat den Vorteil, daß es ohne grössere Beschädigungsgefähr für die einzelnen Dehnungsmeßstreifen 24 gehandhabt werden kann. Es unterscheidet sich in übrigen von der anderen Ausführung s form darin, daß es für die Torsionsspannung nur eine einfache Multiplikation ergibt, wobei aber eine Anordnung getroffen ist, die auch die Anwendung des in der SAE-Druckschrift Nr. 730139 beschriebenen "3 in i^M-Multiplikators erlaubt, um so eine Multiplikation mit sehr hohen Multiplikationswerten zu ergaben. Es können folglich mit dieser An-

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Ordnung auch sehr kleine Torsionsspannungen extrem genau multipliziert werden, so daß eine entsprechend hohe Genauigkeit bei der Errechnung der Dauerermüdungsfestigkeit erhalten wird.

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Ansprüche

l.J Gerät zum Messen der Torsions spannung in einem auf Torsion beanspruchten Bauteil, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen biegesteifen Hebel, der an seinem einen Ende an dem auf Torsion beanspruchten Bauteil befestigt ist und an welchem an einer dazu im Abstand liegenden Stelle das eine Ende wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens befestigt ist, dessen anderes Ende an dem Bauteil befestigt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Befestigungsende des Hebels an dem auf Torsion beanspruchten Bauteil und der Befestigungsstelle des Dehnungsmeßstreifens an dem Hebel gleich einem gewünschten Vielfachen des von der einen Seite zur anderen Seite des Dehnungsmeßstreifens reichenden Spaltes ist.

3. Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der biegesteife Hebel im wesentlichen parallel zur Torsionsachse des auf Torsion beanspruchten Bauteils ist und daß die beiden Befestigungsstellen des Dehnungsmeßstreifens auf einer im wesentlichen quer zum Hebel ausgerichteten Verbindungslinie angeordnet sind.

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