DE2943613A1

DE2943613A1 - Messbolzen zur umwandlung von kraeften in elektrische signale

Info

Publication number: DE2943613A1
Application number: DE19792943613
Authority: DE
Inventors: Sandor Prof Dr Kovacs
Original assignee: Vasipari Kutato Intezet
Current assignee: Vasipari Kutato Intezet
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1979-10-29
Publication date: 1980-07-17
Also published as: JPS5594125A; DE2943613C2; GB2039373A; FR2446470A1; AT383682B; HU180974B; DD147721A5; GB2039373B; FR2446470B1; JPS5928847B2; US4350048A; ATA605379A; SU1093262A3

Description

Meßbolzen zur Umwandlung von Kräften in elektrische Signale

Auf dem Gebiet der Kraftmessung mittels elektrischer Methoden ist es eine der Hauptaufgaben, die Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Diese Umwandlung kann mittels eines MeB-körpers erfolgen, der als mechanischer Zweipol in den Weg der Kraftübertragung eingeschaltot ist. An seinem einen Pol wirkt die zu messende oder aktive Kraft, an seinem anderen Pol die Reaktionskraft, In dem Meßkörper bildet sich zwischen den beiden Polen das zum Gleichgewicht erforderliche mechanische Spannungsfeld aus, welches auch als Deformation wahrnehmbar ist. Die Beziehung zwischen Spannung und Deformation wird von den geometrischen Abmessungen und den für das Material charakteristischen Stoffkonstanten bestimmt.

Die bekannten MeBwandler werden zvnn größten Teil auf der Grundlage der Zusammenhänge der elementaren Festigkeitslehre dimensioniert. An einem geeigneten Teil der Oberfläche des Meßkörpers wird das die Deformation abfühlende elektrische Meßeleäsent angebracht ₄ das meistens als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet ist, dessen Wirkung auf piezoresistenten Eigenschaften beruht. Der aus Widerständen aufgebaute Meßkreis liefert das elektrische Ausgangssignal, das proportional zu der zxs messenden Kraft ist.

In der bisherigen Praxis wurde hauptsächlich angestrebt, daß die Wirkungslinien der zu messenden Kraft und der Reaktionskraft zusammenfallen. Dies kann am einfachsten mit einem auf Zug oder Druck beanspruchten Prisma verwirklicht werden. Das Spannungsfeld» welches sich in dem Meßkörper ausbildet, wird von den Wirkungslinien geschnitten. Das

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Prisma mit Rohrquerschnitt repräsentiert jedoch bereits einen Fall, in welchem das Spannungsfeld die Wirkungr.linie umläuft und die Kraft über den Rohrquerschnitt verteilt ist. Die Gleichmäßigkeit der Verteilung ist für die einwandfreie Funktion unerläßlich. Wenn die Achse und die Wirkungslinie nicht zusammenfallen, muß die Kompensation dieses Fehlers durch eine geeignete Ausbildung des Meßkreises gewährleistet sein.

Die Ausbildung von auf Zug oder Druck beanspruchten Teilen innerhalb des Meßkörpers bedeutete einen Forcschritt, weil auf diese Weise der Signalpegel erhöht werden konnte.

Bei der Verwendung mehrerer prismatischer Körper ist es notwendig, daß dor gemeinsame Schwerpunkt der Querschnitte auf der Wirkungslinie liegt.

Die Beanspruchung auf Zug und Druck ist auch bei auf Biegung beanspruchten Trägern vorhanden. Auch dies bildet die Grundlage für zahlreiche Konstruktionsausführungen. Bei einem als einfacher, an einem Ende eingespannter Träger ausgeführten Meßkörper bleibt jedoch infolge des Verbiegens der das Moment erzeugende Kraftarm nicht konstant und dies verursacht einen nicht-linearen Fehler. Bei einem an beiden Enden unterstützten Träger tritt an den Unterstützungsstellen Reibung auf; wird der Träger hingegen starr eingespannt, so entstehen sonstige zusätzliche Spannungen. Um diese schädlichen Erscheinungen zu beseitigen, wurden zahlreiche Lösungen ausgearbeitet, deren gemeinsamer Nachteil die große Konstruktionshöhe entlang der Wirkunaslinie der Kraft ist.

Bei vielen Vorrichtungen wird die Funktion des Rezeptors von der Zug- oder Druckspannung ausgelöst, die sich als Resultierende der durch Scherung hervorgerufenen Gleit-

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spannungen ausbildet. Ein ähnlicher Unisetzungsmechanismus ist auch bei der Biegung möglich (in Ebenen, die parallel zu der durch die Biegekraft und den Biegearm bestimmten Ebene sind).

Die Torsion liefert ebenfalls - als Resultierende der Scherspannung - auf 7iUg und Druck beanspruchte Stellen an dem HeSkörper. Kraftmesser mit auf Torsion beanspruchten Meßkörpern wurden in unterschiedlicher Ausführung hergestellt und bei jeder dieser Ausführungsformen sind jedoch in der Richtung senkrecht zur Torsionsachse beträchtliche Konstruktionsabmessungen und infolgedessen entsprechend groß dimensionierte und als starr i.u betrachtende Anschlußbauteile erforderlich. Wenn die verdrillten Meßteile als prismatische Körper ausgeführt sind, deren Torsionsachse in eine senkrocht zu der zu messenden Kraft verlaufender! Ebene fällt, so können die KonsLruktionsabniessungen in Richtung der Kraft zwar vermindert "werden, jedoch werden die Abmessungen in der die Torsionsachsen enthaltenden Ebene größer,. Die Wirkungslinie der zu messenden Kraft und die Wirkungslinie der an der anderen Hälfte des MoSwandlers entstehenden Roaktionskraft fallen auch hier zusammen. Daher funktioniert der Meßwandler, wie im Falle aller bekannten MeBkörper überhaupt, als mechanischer Zweipol. Die Meßwandler mit auf Biegung beanspruchtem Meßkörper erfordern jedoch a~aßer der zu messenden Kraft und der Reaktionskraft entweder noch isehrere Reaktionskräfte oder - wenn zu messende Kraft und Reaktionskraft ein Kräftepaar bilden - ein Reaktionsmoment, daß dem von diesen Kräften gebildeten Moment entgegengesetzt ist, Diese Kräfte bzw. Momente zu erzeugen und dauernd auf einem konstanten Wert zu halten, erfordert spezielle Konstruktionslösungen und diese weichen beträchtlich von den als herkömmlich zu betrachtenden Meßwandlern ab„ Das Verhältnis von Vorteilen und Aufwand entscheidet,

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ob die spezielle Konstruktion anwendbar ist oder nicht. Wird auch noch die sich aus don IIcrEtellungstoleranzen ergebende Meßstreuung berücksichtigt, so verbleiben kaum Vorteile.

Alle diese Varianten könm.!n als einziger Zweipol behandelt werden, wenn die zum Gleichgewicht erforderlichen Momente als Innenkraft und Innenmoment betrachtet werden, und für die einwandfreie Funktion ist es erforderlich, daß die Wirkungslinie der zu messenden Kraft und die Wirkungslinie des Mcßwandlers zusammenfallen. Die Erfüllung dieser Bedingung ist bei den bekannlen Meßwandlern eine der wichtigsten Bedingungen für eine ordnungsgemäße Funktion des ganzen Meßsystems überhaupt. Den unterschiedlichen Meßaufqaben entsprechend wird u.io:;o Bedingung in unterschiedlicher Weise erfüllt. In allen Fällen sind die Meßwandler und die zum Einbau erforderlichen Elemente in Richtung der Wirkungslinie ausgesprochen groß.

Ein typisches Beispiel für die Anwendung von Meßbolzen sind die Kranwagen. Bei Kränen können die Kraftmesser in die Laufkatze, in die Hakenkonstruktion oder in die Halterung der HakenkonstruktJon eingebaut werden. Die Kraftrezeptoren werden auch von der lasttragenden Konstruktion belastet, wodurch der nutzbare Meßbereich der Meßzellen verringert wird; sämtliche meßtechnischen Parameter werden jedoch auf diesen bezogen. Daher ist es unter meßtechnischem Aspekt zweckmäßig, eine Konstruktion mit so geringem Gewicht wie nur möglich einzubauen. Bei Einbau des Kraftmessers in die Hakenkonstruktion wird das geringste Konstruktionsgewicht, bei Einbau in die Laufkatze hingegen das größte Konstruktionsgewicht verlangt. Bei Einbau in die Hakenkonstruktion ändert sich der Meßbereich des Kraftmessers kaum, während beim Einbau in die Laufkatze mit einem Verlust von 30 bis 50% des nutzbaren Meß-

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bereichs gerechnet werden muß. Bei der Projektierung der Hakenkonstruktion ist der Konstrukteur an sehr strenge Sicherheitsvorschriften gebunden; es kann vorkommen, daß die zur Lösung der Meßaufgaben erforderlichen Abwandlungen eben wegen dieser Vorschriften nicht möglich sind. Das Halterungssystem der Hakenkonstruktion bietet etwas mehr Freiheit. Das erforderliche Konstruktionsgewicht ist noch erträglich und übersteigt 4 bis 7% des Meßbereiches nicht, d.h. nur 4 bis 7% des nutzbaren Meßbereiches gehen verloren.

Bei einem Teil der Krankonstruktionen kann eine gewisse Verminderung der Hubhöhe in Kauf genommen werden. In diesem Fall ist der Aufwand für den Einbau des Kraftmessers verhältnismäßig gering. Bei anderen Anwendungsfällen, in erster Linie bei den hochbelastbaren Krankonstruktionen der Hüttenindustrie, kann eine Verminderung der Hubhöhe nicht zugelassen werden,, so daß in diesem Fall »der Kraftmesser nur unter beträchtlich großem Umbauaufwand angebracht werden kann.

Einbau der bekannten Kraftmesser muß darauf geachtet werden, daß sich in dem Kraftmessersystem nur mit der Wir kungslinie zusammenfallende Kräfte ausbilden dürfen. Bei der betriebsmäßigen Benutzung kann es jedoch vorkommen» dafl auch bedeutende anders gerichtete Kräfte auftreten, was eine zusätzliche Belastung für das Meßsystero bedeutet» Diese Belastungen beeinflussen die Lebensdauer der MeS-körper uad können oftmals zn unreparablen Schäden führen.

Bei den Kraftmessern, die vom Prinzip des Trägers ausgehen, wird das zur Lösung des jeweiligen MeBprobleros erforderliche mechanische Spannungsfeld an dem Träger ausgebildete Bei anderen Meßwandlern wird die mechanische Spannung aus Zug, Druck oder Scherung als Istwert ver-

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wendet. Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, daß beim Einbau zusätzliche Elemente benötigt werden, d.h. der Wandler die Umwandlung der Kraft in ein elektrisches Signal nicht als selbständige Maschineneinheit löst.

Bei näherer Betrachtung der bekannten Systeme zeigt sich, daß eigentlich nur die Bolzen eine bedeutende Aufgabe zu erfüllen haben. Sie verbinden die einzelnen Konstruktionselemente miteinander, bestimmen deren Lage zueinander und ermöglichen dabei gleichzeitig eine gewisse Bewegung. Die zylindrischen Flächen dieser Bolzen versehen eine doppelte Aufgabe. Mit einem Teil sind sie unbeweglich mit einem Halteelement verbunden, während ihr anderer Teil als Lagerung dient. Sie sind auf Scherung und Biegung beansprucht und ferner vermitteln sie die Kraftübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen.

Die Erfindung zielt auf die Beseitigung der aufgeführten Mangel ab und schafft einen Meßbolzen, mit dem die Kräfte zwischen den einzelnen Konstruktionsbauteilen störungsfrei übertragen werden können, wobei anstelle der einfachen Scher- und Biegebeanspruchung eine Beanspruchung gewählt wird, bei welcher die mechanische Spannung für meßtechnische Zwecke genutzt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist demnach insbesondere ein Meßbolzen zur Umwandlung von Kräften in elektrische Signale, bei dem wenigstens ein Meßelementenpaar vorzugsweise aus einem längeren und einem kürzeren Meßelement vorhanden ist, welche an ein Kuppelelement derart angeschlossen sind, daß ihre Torsionsachsen zueinander parallel sind und symmetrisch zu beiden Seiten der von den Wirkungslinien der die Torsion erzeugenden Kraft und der Reaktionskraft bestimmten Ebene, bezogen auf die geometrische Achse des Meßbolzens exzentrisch,

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liegen, daß die durch ihre Achsen bestimmte Ebene senkrecht auf der von der die Torsion erzeugenden Kraft und der Reaktionskraft bestimmten Ebene steht und daß jeweils das eine Ende der Meßelemonte unter Zwischenschaltung eines Kraftarmes mit einem die torsionserzeugende Kraft aufnehmenden Anschlußelement bzw. einem die Reaktionskraft aufnehmenden Anschlußelement verbunden ist, während die jeweils anderen Enden der Meßelemente starr miteinander verbunden sind.

Der Meßbolzen weist zweckmäßig zwei als Stäbe ausgebildete Meßelemente auf, deren Enden auf der einen Seite mittels eines scheibenförmigen Kuppelelements, dessen Durchmesser größer ist als die der Stäbe, dessen Achse jedoch zu deren Achse parallel verläuft, starr miteinander verbunden sind,, wobei beide MeSeleiaente vorzugsweise an der gleichen Stirnfläche des Kuppelelementes exzentrisch zu dessen Achse befestigt sind. Das andere Ende des ersten Meßelementes ist exzentrisch an dein die Reaktionskraft aufnehmenden, scheibenförmigen Ansehlußelement befestigt, dessen Achse zu der Achse des ersten Meßelementes parallel ist. Das andere Ende des zweiten Meßelementes ist an einem die torsionserzeugende Kraft aufnehmenden, scheibenförmigen Anschlußelement befestigt, dessen Achse zu der des zweiten Meßelementes parallel verläuft und welches eine zum Hindurchführen des ersten Meßelementes dienende Ausnehmung aufweisen kann. Hierbei ist es aus praktischen Gründen \?orteilhaft» die MeBelemente unterschiedlich lang auszubilden, wobei vorzugsweise das erste MeSelement langer als das zweite Meßelement ist.

Der erfindungsgeBiäße MeSfaoizen kann in einer Ausgestaltung auch mehrere MeSelementpaare enthalten. Diese sind paarweise starr miteinander verbunden. Diese Verbindung kann an ihren längeren oder ihren kürzeren Meßelementen oder an dem ihnen jeweils gemeinsamen Kuppelelement erfolgen.

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Das erfindungsgeraäße Kraftmeßsystem vereinigt in sich die Eigenschaften eines Bolzens als Maschinenelement mit sämtlichen der sich daraus ergebenden einfachen Anwendungsmöglichkeiten: das mechanische Spannungsfeld wird unter Beibehaltung der mechanischen und elektrischen Symmetrie erzeugt, das inhomogene Spannungsfeld unter Beibehaltung der "Einkörper-Prinzipien" hervorgerufen. Dieser Doppelcharakter wird in der Meßbolzenzelle verwirklicht.

Der vorgeschlagene Meßbolzen enthält eine grundsätzliche Rahmenkonstruktion, die jeden Vorteil der sogenannten Bolzenzellen dadurch in sich vereint, daß die Parallelität der Torsionsachsen der verdrillten Meßteile durch die Maßtoleranzen nicht beeinflußt wird, so daß zwischen der zu messenden Kraft und dem durch sie erzeugten Spannungszustand eine eindeutige Beziehung besteht. Durch die grundsätzliche Rahmenkonstruktion ist ferner eine hohe Vielseitigkeit in der Anwendung gewährleistet. Die Konstruktion zeigt gegen schräg einwirkende Kräfte oder seitliche Krafteinwirkungen eine hochgradige Starrheit und mißt nur die in Meßrichtung fallenden Kraftkomponenten. In der darauf senkrecht stehenden Richtung ist infolge der hohen Steifigkeit die Beanspruchung unbedeutend, ein zur Messung erforderliches Torsionsmoment wird jedoch nicht hervorgerufen, da die Wirkungslinie der Kraftkomponente die Torsionsachsen schneidet.

Vorteilhaft ist ferner, daß beliebige elementare Grundkonstruktionen so miteinander verbunden werden können, daß die Torsionsachsen parallel bleiben. Auf diese Weise wird ein Meßbolzen erhalten, der den Einbau von zweifach, dreifach usw. unterstützten Trägern ermöglicht.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der

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Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den Einbau einer Ausführungsform des Meßbolzens gemäß der Erfindung,

2 die Draufsicht auf den Meßbolzen aus Fig. 1_{ Fig. 3 den Schnitt gemäß der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 den scheraatischen Kräfteplan für den Meßbolzen aus Fig. 1 ₄

Fig. 5 ein perspektivisches Bild des Meßbolzens zusammen mit dem mechanischen Modell,

Fig. 6 eine Ausführungsform für den Zusammenbau mehrerer Grundausführungsfonnen des Meßboizens,

Fig. 7 eine andere Ausfuhrtmgsform für den

von zwei Grundausführungsformen des Meßbolzens,

Fig, 8 eine dritte Axisfiihrungsforxn für den Zusammenbau von zwei Grundausführungsformen des MeSbolzens,

Fig. 9 eine «eitere Möglichkeit für den Zusammenbaii von zwei Grundausfuhrungsforroen des üeSbolzens,

Fig. 10 ein Einbaubeispiel für die Äusführungsform aus Fig, 7,

Fig, 11 den Schnitt 11-11 in Fig, 10, Fig, 12 die Lösung aus Fig, 9_t teilweise ±m liämjsschnitt,

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Fig. 13 den Schnitt 13-13 aus Fig. 12,

Fig. 14 ein Einbauschema in einer mehrseiligen Lasthebekonstruktion und

Fig. 15 den Längsschnitt der Ausführungsform aus Fig. 14.

In der Grundlösung der aus der Zeichnung ersichtlichen Ausführungsformen des Meßbolzens gemäß der Erfindung besteht dieser aus einer insgesamt bolzenförmigen Konstruktion aus zwei achsgleichen, axial aneinandergesetzten Bolzenteilen, nämlich dem Bolzenmeßteil, auf welchen die zu messende Kraft einwirkt, und dem Bolzenstützteil, auf den die Reaktionskraft einwirkt. Der Bolzenstützteil kann als die Reaktionskraft aufnehmendes Anschlußelement durchgehend zylindrisch ausgebildet sein. Der Bolzenmeßteil hingegen ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Hierzu gehören zwei die eigentlichen Meßelemente bildenden Drehstabelemente, die parallel zur Achse des Meßbolzens nebeneinander zu beiden Seiten der Achse mit untereinander gleicher Exzentrizität gegenüber der Achse verlaufen und unterschiedlich lang sind. Die Drehstabelemente enden an ihrer dem Bolzenstützteil abgewendeten Stirnseite auf gleicher Höhe und sind dort über ein als starr anzusehendes Kuppelelement miteinander verbunden. Mit seinem anderen Ende ist das kürzere Drehstabelement an einem als starrer Körper anzusehenden Anschlußelement exzentrisch zu dessen mit der Bolzenachse zusammenfallenden Achse angeschlossen, von welchem die zu messende Kraft übertragen wird. Das längere Drehstabelement hingegen ist an diesem Anschlußelement berührungsfrei vorbeigeführt und mit seinem anderen Ende an dem Bolzenabstützteil exzentrisch zu dessen mit der Achse des Meßbolzens zusammenfallenden Achse fest angeschlossen. Der Meßbolzen wird derart eingebaut, daß die die Achsen der

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Drehstabelemente enthaltende Ebene senkrecht zu der die Wirkungslinien der zu messenden Kraft und der Reaktionskraft enthaltenden Ebene verläuft, so daß die Drehstabelemente symmetrisch beiderseits der zuletzt genannten Ebene angeordnet sind.

Eine solche Grundausführungsform des Meßbolzens gemäß der Erfindung ist aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich. Das die zu messende Kraft P übertragende Anschlußelement 15 ist scheibenförmig und an seiner einen Stirnfläche ist exzentrisch das kürzere Drehstabelement 2 mit seinem einen Ende angeschlossen, dessen anderes Ende an der Stirnseite des ebenfalls scheibenförmigen Kuppe Ie leinen te s 3 festgelegt ist, so daß es exzentrisch zu dessen mit der Bolzenachse 5 zusammenfallenden Achse parallel zu dieser verläuft» Diametral gegenüberliegend ist an derselben Stirnfläche des Kuppelelementes 3, an welcher das kürzere Drehstabe leinen t 2 endet, das längere Drehstabelement 1 mit derselben Exzentrizität z*ur Achse 5 wie das kürzere Drehstabe lessen t 2 angeschlossen. Das längere Drehstabe lement 1 ragt durch eine Ausnehmung 16 in dem ersten Anschlußelement 15 über dieses hinaus und endet exzentrisch zur Achse des die Reaktionskraft R aufnehmenden_, axial im Abstand vom ersten Ansehlufieleffient 15 angeordneten zweiten Anschlußelementes 12, welches zylindrisch ausgebildet ist und mit seiner Achse mit der Bolzenachse 5 zusammenfällt. In der Ausf ührungsforn? aus den Fig. 1 bis 3 ist das zweite AnscJilufieleraent ί2 als Lagerungsteil des Meßbolzens ausgebildet, während das erste Ansehliißeiement 15 in eine in einem Lagerbock 4 gelagerte Buchse 9 koaxial eingepaßt ist.

Der das Anschlußelexsent 12 lagernde Lagerbock 11 ist auf einer Grundplatte 10 befestigt* wohingegen der die Buchse abstützende Lagerbock 4 unter Zwischenschaltung von Distanzstücken 6, 7 an der lasttragenden Konstruktion 8 befestigt ist.

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Die Meßelemente 1, 2 sind über ein Kabel 17 mit dem Meßgerät verbunden. Die die Meßelemente 1, 2 bildenden Drehstabelemente sind als zylindrische Körper ausgeführt und verlaufen mit ihren Achsen in der Einbaulage in der Horizontalachsebene des Meßbolzens exzentrisch zu dessen Achse 5 und symmetrisch zu beiden Seiten derselben. Das scheibenförmige Kuppelelement 3 hat einen kleineren Durchmesser als der innere Durchmesser der Buchse 9 und ist starr mit den Enden der Meßelemente 1 und 2 verbunden. Zweckmäßig wird das Kuppelelement 3 aus zwei Stücken hergestellt, die mit dem Meßelement 1 bzw. dem Meßelement 2 gemeinsam bearbeitet werden. Bei der Herstellung fertigt man zweckmäßig das längere Meßelement 1 mit dem Anschlußelement 12 und dem unteren Teil des Kuppelelementes 3 aus einem Stück, während der andere Teil von dem kürzeren Meßelement 2, dem Anschlußelement 15 und dem oberen Teil des Kuppelelementes 3 gebildet wird. Nach der Bearbeitung werden die beiden Teile zweckmäßig mittels einer unlösbaren Verbindung zu einem starren System vereinigt. Die Anschlußelemente 12 und 15 können auch als Einzelstücke angefertigt werden; in diesem Fall erfolgt die Verbindung mit den Meßelementen 1 und 2 zweckmäßig durch eine Schrumpfverbindung.

Die dargestellte Konstruktion ist nur eine der möglichen Lösungen. Es sind jedoch auch zahlreiche andere Ausführungsformen möglich. Die Anschlußelemente 12, 15 können beispielsweise auch eckige prismatische Körper sein und auch das Kuppelelement 3 kann als weitgehend beliebig gestaltetes starres Element ausgeführt werden.

In Fig. 4 ist das prinzipielle Kräftediagramm der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform dargestellt, wobei jedoch die Meßelemente 1 und 2 dieselbe Länge Io haben. Die zu messende Kraft P, die über die Buchse 9 auf das Anschlußelement 15 einwirkt, erzeugt an der Einbaustelle

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das Kräftepaar P1-P2 mit dem Abstand Ip und dadurch entsteht ein Reaktionsmoment, durch welches die Buchse 9 parallel zu der geometrischen Achse 5 gehalten wird, während die Kraft P über den der Exzentrizität el entsprechenden Arm in dem Drehstabelement 1 ein Torsionsmoment erzeugt. Das Anschlußelement 15 mit der Buchse 9 arbeitet wie ein an einem Ende eingespannter Träger, der jedoch infolge seiner geometrischen Maße als absolut starr zu betrachten ist. In dem kürzeren Drehstabelement 2, welches starr mit dem Kuppelelement 3 und dem AnschluSelement 15 verbanden ist, wird als in einem an beiden Enden eingespannten Träger auch ein Biegemoment hervorgerufen. Dieses steht senkrecht auf der Längsachse des Drehstabelementes 2 und hat in der durch P hindurchgehenden Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Drehstabelementes verläuft, an dero Schnittpunkt mit dieser Ebene den Wert Null» An den Anschlußstellen des Drehstabelementes am Anschluße leinen t 15 und am Kuppeieiement 3 ist sein Wert maximal,, In der Verbindungsstelle zwischen dem Drehstabe lernent 2 und dem Kuppe!element 3 erscheint dieses Biegemoment auf das Kuppeieiement 3 bezogen als Torsionsmoment, dessen Reaktionsmoment in der Anschlußstelle des Drehstabelementes am Kuppeieiement 3 entsteht.

Durch richtige Wahl der geometrischen Abmessungen des Meßbolzens kann erreicht werden, daS das Kuppeieiement 3 als absolut starr zu betrachten ist» Das TörsioiisaiGiseTvt des Drehstabelementes 2, indem es an dem einen Ende des Kuppeleleraentes 3 senkrecht zu der geometrischen Bolzenachse S und senkrecht zu der die Achse des Drehstabe leinen tes schneidenden Achse wirkt, beansprucht das Kuppeieiement 3 auf Biegung und an seinem anderen Ende wird ein entgegengesetztes ReaktionsssGisent hervorgerufen, welches in dem Drehstabe leinen t 1 eine Torsion erzeugt.

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Die entstehenden Spannungen sind Funktionen des Querschnittes So, des Trägheitsmomentes Io sowie der äquatorialen und polaren Querschnittsfaktoren (Kaeo und KPo) der Drehstabelemente 1 und 2 und hängen außerdem von den Materialeigenschaften ab. Die aufgeführten Faktoren bestimmen ferner die Festigkeitseigenschaften der Drehstabelemente 1 und 2.

Das andere Ende des längeren Drehstabelementes 1 schließt an das Anschlußelement 12 an und ruft in diesem eine der Exzentrizität el entsprechende Reaktionskraft R hervor. Die Parallelität dieses Elementes zu der geometrischen Achse 5 wird durch das von dem Kräftepaar R1-R2 an dem Arm IR ausgeübte Moment gewährleistet. Dies ist eine innere Beanspruchung der Konstruktion und hat nichts mit den zwischen den Kräften P und R ablaufenden Prozessen zu tun.

Die 'starre Rahmenkonstruktion möchte sich durch die Wirkung der Kräfte P und R (des an dem Arm Lp wirkenden Kräftepaares) um die Achse drehen, welche senkrecht zu der geometrischen Achse 5 in der diese und die Achsen der Meßelemente 1 und 2 enthaltenden Ebene liegt. Dies wird durch die in der Konstruktion erzeugten Kräfte PR und RR (dem an dem Arm LR wirkenden Reaktionskräftepaar) verhindert.

Fig. 5 zeigt den in Fig. 4 vorgestellten Kraftübertragungsweg, eingezeichnet in den Meßbolzen gemäß den Fig. 1 und Die Kraft P wirkt auf den äußeren Mantel der Buchse 9 mit dem Durchmesser Dp. Im Inneren der Konstruktion sind die Meßelemente 1 und 2 sowie das Kuppelelement 3 angebracht, die über die Anschlußelemente 12 bzw. 15 mit den übrigen Teilen der Konstruktion verbunden sind. Auf den Mantel des als Zylinderzapfen ausgebildeten Anschlußelements 12 wirkt am Manteldurchmesser DR die Reaktionskraft R.

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Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 5 fallen die Wirkungslinien der Kraft P und der Reaktionskraft R nicht zusammen. Dies bedeutet, daß die Konstruktion auf die Wirkungslinie der Kraft P bezogen nicht symmetrisch ist. Dieser Nachteil kann beseitigt werden, indem man mehrere der beschriebenen Grundkonstruktionen paarweise in spiegelbildlicher Relativanordnung zusammensetzt. Die Verbindung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen* Hierzu sind in den Fig. 6 bis 9 Beispiele gezeigt.

Die Verbindung kann an den Kuppelelementen 3 (Fig. 6), an den sich an die Meßelemente 1 anschließenden AnschluBelementen 12 (Fig„ 7) oder an den sich an die MeSeleinente 2 ansch lie Senden Anschlufieleraeiiten 15 {Fig. 8} vorgenommen werden. Diese Möglichkeiten können auch kombiniert werden. So zeigt Fig. 9 beispielsweise eine Verbindung 18, 19 der Klappe !elemente 3 und der sich an die kürzeren Meßeiemente assclil ie Senden ÄnschluSeleMente 15»

Wenn die beiden Grundkonstruktionen gemäß Fig, 6 an den Kappelelementen miteinander verbunden werden, so müssen die Kiappelemente 3¹ und 3¹' starr miteinander gekuppelt werden. Die Verbindung 18 kann als lösbare Verbißdung aasgefufert werden, jedoch auch geschweißt sein. Die Kuppe!elemente 3* und 3¹¹ können auch aus einess Stück gefertigt sexnj dies ist die günstigste Lösung. Dieses System ist mit den konzentrierten Kräften P¹ und P¹¹ belastet und kann als an beiden Enden unterstützter oder eingespannter Träger aufgefaßt werden, an denen die Reaktionskräfte fi¹ und fi¹ * hervorgerufen werden. Die Kräfte P* und P^f< können auch Resultierende eines Kräftesystems sein.

Die beiden Grundkonstriaktionen können auch mit den sich an die längeren MeSelensente 1 · und 1 * * anschlieSenden An-

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Schlußelementen 12' und 12'· verbunden werden. Diese Möglichkeit ist in Fig. 7 gezeigt. Hier sind die Anschlußelemente 12' und 12'' durch die Verbindung 18 und/oder eine Verbindungsbuchse 19 aneinander befestigt. Am günstigsten ist es, die Anschlußelemente 12' und 12'' aus einem Stück anzufertigen.

Die Verbindung der beiden Grundkonstruktionen kann auch an den Anschlußelementen 15', 15'' der beiden kürzeren Meßelemente 2' und 2¹' vorgenommen werden (Fig. 8). Diese Ausführungsform erfordert besondere Sorgfalt, da absolute Starrheit und Reibungsfreiheit gewährleistet sein müssen. Die Verbindung erfolgt auch hier durch eine Verbindungsvorrichtung 18 oder eine Buchse 19. Die Konstruktion ist an beiden Enden abgestützt oder eingespannt und in der Mitte mit einer oder mehreren konzentrierten bzw. verteilten Kräften belastbar.

Die Grundkonstruktionen können auch mittels einer Kombination der genannten Möglichkeiten miteinander verbunden werden. In Fig. 9 ist eine Lösung gezeigt, bei welcher die Grundkonstruktionen an den Kuppelelementen 3' und 3¹¹ und an den sich an die kürzeren Meßelemente 2' und 2'· anschließenden Anschlußelementen 15' und 15** miteinander verbunden sind. Die Kuppelelemente 3' und 3'¹ sind durch eine Verbindung 18, die Anschlußelemente 15' und 15'' durch eine Verbindungsbuchse 19 miteinander verbunden. Bei dieser Lösung entstehen Reaktionskräfte R' und R'', die annähernd symmetrisch zur Wirkungslinie von P verlaufen.

Von den erläuterten Ausführungsformen sind die in den Fig. 6 und 8 dargestellten Beispiele nur zur Lösung spezieller Aufgaben geeignet. Bei der in Fig. 6 dargestellten Lösung können die an den Meßelementen angreifenden Kräfte P' und P¹' unterschiedlich groß sein. Diese Lösung ist dann

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zweckmäßig, wenn in der Meßaufgabe der Wert der Kräfte P¹ und P¹¹ getrennt bestimmt werden muß, da die beiden zusammengesetzten Grundkonstruktionen als selbständige Meßsysteme ausgebildet werden können. Die Reaktionskräfte R¹ und R¹' werden von der Verbindung der Kuppelelemente 3' und 3'' beeinflußt; es kommt dadurch ein gewisser Ausgleich zustande^ Dieser Ausgleich hängt von den Symmetrieverhältnissen der Systeme ab. Daher ist diese Lösung in erster Linie für spezielle Aufgaben geeignet.

Ähnlich ist es auch bei der in Fig^ 8 gezeigten Lösung, wenn dort die Kraft P nicht symmetrisch abgreift* so daB auch die Reaktionskräfte R void R nicht symmetrisch sind. Eine solche Abweichung muß bei der Dimensionierung der Systeme berücksichtigt werden.

Die in den Fig. 7 und 9 gezeigten Anordnungen können für dsn größten Teil der auftretenden Meßaufgaben verwendet werden. Die Gestaltung der Meßsysteme gemäß Fig. 7 in der Praxis wird durch die Fig, 10 und 11 erläutert.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Hakenkons tr ulct ion eines Krans. Zwei in der Grundkonstruktion ausgeführte Meßbolzen sind zu beiden Seiten des Kranhakens 20 spiegelbildlich zueinander angeordnet. Die Anschläge lexsente 15* und 15* * sind mit den Sachsen 9* und 9** in den Bügeln 21 des Krans gelagert. In der zwischen den AnschliaBelementen 15¹ und 15* * befindlichen Einheit 22 sind die Anschrußelemente 12^J und 12*^? miteinander vereinigt. Die Reaktionskraft R wirkt in der Achslinie des an der Einheit 22 aufgehängten Kranhakens 20 vmä die Kräfte P* und F*¹ liegen in der Synaaetrieebene der Bügel 21 <es hat keines Einfluß auf die erläuterte Funktionsweise, daß die Kraft P und die Reaktionskraft R hier vertauscht wurden» weil bei Hebevorrichtungen die Hutzkraft eben die zu hebende Last ist, die hier als Reaktionskraft erscheint^.

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In den Buchsen 9* und 9¹¹ befinden sich die Anschlußelemente 15' bzw. 15'' sowie die Meßelemente 1¹, 2¹ bzw. 1¹¹, 2¹¹ mit den sie verbundenen Kuppelelementen 3¹, 3'¹. Die Meßelemente 1¹, 1¹¹, 2', 2¹' und die KuppeIelemente 3¹ und 3¹¹ wirken infolge der starren Verbindung der Anschlußelemente 12' und 12*' wie ein einziger Körper.

Der aus den Fig. 10 und 11 ersichtliche doppelte Meßbolzen hat daher die Doppelfunktion eines Hakenbügels und eines Kraftmessers.

Eine praktische Ausführungsform des in Fig. 9 dargestellten Prinzips ist aus den Fig. 12 und 13 ersichtlich. Bei dieser Lösung sind die Meßelemente 1' und 1'' sowie die Anschlußelemente 12' und 12'' bzw. 15' und 15'' zu beiden Seiten der einstückig verbundenen Kuppelelemente 3¹ und 3¹¹ spiegelbildlich symmetrisch angeordnet und die Anschlußelemente 15', 15'' über die einstückige Buchse 9 starr gekuppelt.

Eine weitere Ausführungsform ist aus Fig. 14 ersichtlich, bei welcher die Ausführungsform aus Fig. 12, 13 mit der aus Fig. 11 in der Weise miteinander kombiniert sind, daß sich an jedes der Anschlußelemente 12', 12'' aus Fig. 13 entsprechend Fig. 11 ein weiterer Meßbolzenteil mit seinen Anschlußelementen 12 anschließt. Der zusammengesetzte Meßbolzen ist hier in eine mehrseilige Lasthebekonstuktion eingebaut. Die lasthebenden Konstruktionen hochbelastbarer Hebemaschinen stehen über viele Seilstränge mit der Seiltrommel in Verbindung. Die Nutzlast ist an den Bügeln 21 aufgehängt, in denen der zusammengesetzte Meßbolzen mit seinen paarweise einstückigen Anschlußelementen 12' und 12'' abgestützt ist. Die Seilscheiben sind auf der Buchse Hülse 9 in Fig. 13 entsprechenden Buchse 23 zwischen den Bügeln 21, und auf den den Buchsen 9', 9'¹ aus Fig. 11 entsprechenden

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Buchsen 23 an den Außenseiten der Bügel 21 gelagert. In den Bügeln 21 werden die Reaktionskräfte R1 bzw. R2 hervorgerufen, während die Kräfte P1, P2 und P3 die Resultierenden der Seilkräfte K1, K2 ...K8 sind. Die Kräfte wirken über die Buchsen 23 auf die Meßelemente und von dort auf die Anschlußelemente 12' und 12'' und die auf den Buchsen 23 gelagerten Seilscheiben geben die Belastung an die Seilpaare weiter.

Durch die Kräfte P1, P2 bzw. P3 werden die einzelnen elementaren Grundkonstruktionen belastet. Deren Verteilung und Anordnung ist aus Fig. 15 ersichtlich. Aus dieser Figur ist auch gut ersichtlich, auf welche Weise die in Fig. 14 dargestellten Buchsen 23 die elementaren Grundkonstruktionen der Meßbolzen miteinander verbinden.

Aus den erläuterten Ausführungsbeispielen ist es ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Meflbolzen die störungsfreie übertragung der Kräfte zwischen den unterschiedlichen Konstruktionsteilen ermöglicht. Gleichzeitig kann eine Scher- und Siegebeaßspruchtmg erzeugt werden, durch welche die Verwendung der Hiechan i se hen Spannring für ffiefltechnische Zwecke möglich ist»

Wenngleich in den gezeigten Aas führungsformen die Meßelemente 1 und 2 stets an derselben Stirnseite des sie verbindenden KuppeIeleisentes 3 angeordnet sind, was gegenwärtig bevorzugt wird, können sie für besondere Anwendangsfälle auch an den entgegengesetzten Stirnseiten ihres Kuppe1-elementes 3 angeordnet sein, Die Querschnitte der MeBeIe-Bieute 1 und 2 sind vorzugsweise untereinander gleich. Sie können gegebenenfalls jedoch auch unterschiedliche Querschnitte haben, z.B. um ihre Durchbiegung in Abhängigkeit von ihrem Längeiranterschled zu beeinflussen, ran die Paralle-

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lität der Achsen der beiden Bolzenenden unter Belastung zu gewährleisten. Die Buchse 9, welche mit dem Anschlußelement 15 als einheitlicher starrer Körper zusammenwirkt, kann somit als Bestandteil des Anschlußelementes 15 bzw. des Meßbolzens angesehen werden.

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L e e r s e 11

Claims

I1ATtNTAN1VVALIK zugelassene Vertreter beim Europäischen Palentamt Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering Dipl.-Ing. Rolf Jentschura · Steinsdorfctraße 6 ■ D-8000 München Anwaltsakte 3567 29. Oktober 197 Vasipari Kutato Intezet, Budapest/UNGARN Meßbolzen zur Umwandlung von Kräften in elektrische Signale ANSPRUCHE

1. Mcßbolzen zur Umwandlung von Kräften in elektrische Signale, bei dem eine torsionserzeugende Kraft und
deren Reaktionskraft auf Meßelemente einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Meßelementenpaar ausgebildet ist, dessen Meßelemente (1, 2) sich an ein Kuppelelement (3) in der Weise anschließen, daß ihre Torsionsachsen zueinander parallel sind und
symmetrisch zu der von den Wirkungslinien der torsions-erzeugenden Kraft (P) und der Reaktionskraft (R) bestimmten Ebene zu beiden Seiten derselben, bezogen auf die geometrische Achse (5) des Bolzens exzentrisch, verlaufen, daß ferner die von ihnen bestimmte Ebene senkrecht auf der von der torsionserzeugenden Kraft (P) und der Reaktionskraft (R) bestimmten Ebene steht,

^I/w 03002 9 /OB 25 ²"

Steinsdorfstrade β Telex: 5 212 306 jepa d Postscheck München 3067 26-801

0-8000 München 22 Telegramm: Steinpat München Bayerische Vereinsbank München S67 C35

Telefon: (0 89) 29 34 13 Telekopierer: (0 89) 222 066 Raiffeisenbank München 032 18 18

(0 89)29 34 14 (Siemens CCITT Norm Gruppe 2) Deutsche Bank München 2 711 687

und daß die Meßelemente (1, 2) jeweils mit ihrem einen Ende unter Zwischenschaltung eines Kraftarmes mit einem die torsionserzeugende Kraft (P) bzw. die Reaktionskraft <R) aufnehmenden Anschlußel-ement {12, 15) verbunden sind, während sie an ihrem anderen Ende starr miteinander verbunden sind.

2. Meßbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (1, 2) unterschiedlich lang sind.

3. Meßbolzen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (1, 2) als Stäbe ausgebildet sind, welche an ihrem einen E-nde mittels eines scheibenförmigen Kuppelelementes (3), dessen Durchmesser größer ist als der der Stäbe., dessen Achse jedoch mit deren Achse parallel verläuft, starr miteinander verbunden sind., wobei beide MeBe lessen te (1, 2} an der gleichen Stirnfläche des KuppeIeiementes < 31 exzentrisch an-geschlossen sind, daß das andere Ende des längeren Meßelementes <1J exzentrisch an einem die Reaktionskraft (R) aufnehmenden, scheibenförmigen Anschl^ßelement i^2) befestigt ist, dessen Achse zu der Achse des längeren Meßelementes parallel ist, und daß das andere Ende des kürzeren MeB-eleraentes {2) an einea die torsionserzeugende Kraft aufnehmenden scheibenförmigen Anschlußelenient <15} befestigt ist, dessen Achse zu der des kürzeren MeB-elexnentes parallel ist und das eine zum berührungsfreien Hindurchführen des längeren Meßelementes (1) dienende Aussparung 116} aufweist,

4« Meflbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3_? dadurch gekennzeichnet _f daB mehrere MeBelementenpaare an ihres einen Ende starr miteinander verbunden sind.

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5. Meßbolzen nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelementpaare über ihre kürzeren Meßelemente miteinander verbunden sind.

6. Meßbolzen nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelementpaare über ihre längeren Meßelemente miteinander verbunden sind.

7. Meßbolzen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelementpaare an den Verbindungskörpern miteinander verbunden sind.

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