EP2539678A1 - Kraftmess-körper sowie mess- und berechnungsverfahren - Google Patents

Kraftmess-körper sowie mess- und berechnungsverfahren

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EP2539678A1
EP2539678A1 EP11706808A EP11706808A EP2539678A1 EP 2539678 A1 EP2539678 A1 EP 2539678A1 EP 11706808 A EP11706808 A EP 11706808A EP 11706808 A EP11706808 A EP 11706808A EP 2539678 A1 EP2539678 A1 EP 2539678A1
Authority
EP
European Patent Office
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measuring
force
calculating
measurement
acting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11706808A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Futterer
Otto Pfeffer
Harald Böhler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brosa AG
Original Assignee
Brosa AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brosa AG filed Critical Brosa AG
Priority to EP11706808A priority Critical patent/EP2539678A1/de
Publication of EP2539678A1 publication Critical patent/EP2539678A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2218—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction
    • G01L1/2225—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction the direction being perpendicular to the central axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/16—Applications of indicating, registering, or weighing devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
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    • G01G19/18—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing suspended loads having electrical weight-sensitive devices
    • G—PHYSICS
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    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01G3/1408—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators

Definitions

  • the invention relates to a cylindrical force-measuring body according to the preamble of claim 1 and to a measurement and calculation method according to the preambles of claims 8, 9, 10 and 12.
  • a dynamic measuring arrangement for a tilting moment a hoist jib known.
  • a force component which runs along a measuring direction and acts at a certain angle relative to a reference line is to be measured.
  • a measuring body is provided, which is connected to the lifting cylinder and bearing cups with the lifting arm, so that the power flow is passed through the measuring points of the measuring body.
  • four recesses which are arranged at an angle of 90 ° to each other, incorporated.
  • the strain gauges are mounted to measure the introduced voltages through which the recesses are deformed.
  • the known measuring arrangement is arranged at a precisely predetermined measuring point, namely between a crane jib and a hydraulic cylinder supporting it, and therefore can not be installed in deflection wheels or the like in order to reliably detect the forces prevailing there with constantly changing force profiles and force magnitudes.
  • a force measuring body of the type mentioned in such a way that it can be used for a measurement and calculation method for determining the radial and tangential forces.
  • a force-measuring body of the type mentioned should be designed such that a determination of the radially acting forces at changed angular positions of the resulting force profiles or the resulting tangential forces can be measured by this.
  • a measurement and calculation method of the type mentioned should be developed such that with the help of the force measuring body according to the invention, a measurement and calculation of the angular position of the resulting radially acting force and the amount of force with changing force curves and force loads or the measurement of torques or tangential forces is available.
  • a particularly advantageous application is given when a cylindrical force measuring body, for example as a bearing axis for a deflection wheel, is to be available at the free end of a crane extension arm.
  • the force measuring body it is necessary that two opposed recesses form a force measuring plane through which measuring forces perpendicular to it are measured.
  • the opposite recesses are therefore aligned on a common axis of symmetry, which is aligned perpendicular to the longitudinal axis of the force measuring body.
  • a plurality of mutually opposite recesses may be incorporated, so that a plurality of force measuring planes are formed, which extend at an angle between 90 ° and less to each other.
  • the force measuring body is operatively or non-positively in operative connection with a gear, because this ensures on the one hand, that between the measuring body and the gear wheel, a power flow for the input or output of the gear can be used and On the other hand, a force flux which can be detected by the strain gauges can be detected via the non-positive operative connection between the measuring body and the toothed wheel in the interior of the measuring body. Consequently, not only radially acting forces, but also tangentially extending forces that arise from torques in a toothing, for example, can be measured by the measuring arrangement.
  • 1a shows a first embodiment of a force measuring body with two circumferential grooves, in each of which four recesses are provided, and on which a deflection wheel is arranged between the two circumferential grooves, in plan view
  • 1 b shows the force measuring body according to FIG. 1 a along the section line Ib-Ib
  • FIG. 2b shows the force-measuring body according to FIG. 2a along the section line IIb-IIb
  • FIG. 3a shows a plan view of the third embodiment of a force measuring body with two pairs of recesses which are opposite one another and offset from one another by an angle of less than 90 °
  • Force measuring body according to Figure 3a in a schematically illustrated use in section, the force measuring body according to 3a along the section line lllc-fllc in an application example with a guide wheel
  • Figure 5 shows a fifth embodiment of a force-measuring body with a
  • FIGS. 1 a and 1 b show a force measuring body 11.
  • the body 11 serves as an axis and thus has a cylindrical outer contour.
  • two grooves 12 aligned about the longitudinal axis 4 of the body 11 are incorporated.
  • a cable 28 is to be guided by the deflection wheel 21.
  • the body 11 is for example associated with a deflection wheel 21 for its storage, by means of which the cable 28 for receiving loads is arranged at the free end of a crane extension arm.
  • the wrap angle ⁇ on the guide wheel 21 changes as a function of the crane arm tilt.
  • the force measuring body 11 is intended to serve for such angular changes, by which both the effective direction ⁇ and the magnitude of the resulting force FR can be determined.
  • the incorporated into the body 1 grooves 12 each have two recesses 13, at the bottom 27 each have at least one strain gauge 14 is attached. Accordingly, the recesses 13 and the strain gauges 14 jointly form a measuring point 15.
  • Two measuring points 15 lie opposite each other and form a common measuring plane 22 or 23, which runs perpendicular to the longitudinal axis 4. According to FIG. 1 b, the measurement of each measuring force takes place perpendicular to the respective measuring plane 22 or 23.
  • Through the center of the respective recess 13 extends an axis of symmetry 31, which is oriented perpendicular to the longitudinal axis 4. If two recesses 13 are arranged in alignment with each other, then the symmetry axes 31 of the opposite recesses 13 are aligned with each other.
  • Several of the measuring points 15 may be arranged on a common circular path 9, which runs concentrically around the longitudinal axis 4 of the force measuring body 11.
  • a reference notch 26 is incorporated, the angular position of which is permanently measured relative to a starting position of a Wtnkel- encoder 25.
  • the angular position of the reference notch 26 provides Information about the wrap angle, so that with knowledge of the Winkeiposition the reference notch 26 of the wrap angle of the rope 28 can be calculated on the guide wheel 21. With knowledge of the wrap angle, a calculation of the direction of action of the resultant force F R is therefore possible, with reference to one of the two force-measuring directions FI or F M 2.
  • the calculation of the amount of force for the resulting force FR is possible by means of the two measurement planes 22 and 23 and the force values of the measurement forces F M1 and F 2 determined therefrom, so that both the direction of force ⁇ and the amount of force are calculated with the aid of the force-measuring body 1 the resulting force F R can be measured and calculated.
  • the force measuring body 11 is configured such that in the two circumferential grooves 12 only two opposite recesses 13 are incorporated, which thus form a measuring plane 22.
  • the measuring force F is perpendicular to the measuring plane 22.
  • the angle encoder 25 the angular position of the body 11 is measured, so that again the effective direction ⁇ of a resultant force FR can be measured from the measuring force direction F and calculated.
  • the measuring points 15 and the measurement planes 22 or 23 are actuated in succession in order to detect the force measurement amounts F M i or F M2 acting on them. Together with the measurement of the angular position of the reference notch 26 by the angle sensor 25 then calculations can be made to determine the effective direction ⁇ of the resultant force F R. Also by measuring the force measurement amounts FMI and F M 2 are then in knowledge of the effective direction ⁇ the resulting force FR calculations are possible with respect to the force amount of the resultant force F R.
  • FIG. 3b shows an application in which the body 11 is already subjected to the corresponding measuring forces FMI and Fm;
  • the use case is shown in Figure 3c that on the body 1 1 via the bearing 24, the guide wheel 21 is rotatably supported.
  • the application shown in Figure 3b is intended to illustrate that the force measuring body 11 can be used for example as an axle or as a shaft for a guide wheel 21, a gear 21 'or the like.
  • FIG. 5 shows a non-positive operative connection between the force-measuring body 11 and the toothed wheel 21 '.
  • the force measuring body 1 is namely connected via a feather key 41 with the gear 21 '.
  • a groove 42 and in the gear 21 'a groove 42' incorporated, which are aligned in the mounted state to each other and into which the key 41 is inserted.
  • the measuring body 11 thus acts as a drive or output shaft, because a tangential force FT is transmitted either from the gear 21 'on the body 11 or vice versa.
  • the feather key 41 therefore receives the tangential force FT and supports it on an edge 43 'of the body 11, so that it is forwarded via the flank 43 of the groove 42 to the body 11.
  • tangential force FT arises torsions, shearing or tension, which are detected by the strain gauges 14 which are mounted in the recess 13 both at the bottom 27 and / or on one of the side wall 29, so that by the strain gauges 14 either directly on the gear 21 'acting torque detectable or indirectly via the geometric distance ratios, the tangential force F T can be measured.
  • a measuring body 11 serves, for example, to detect the different torque curves that prevail between an engine and a transmission or between the transmission and an output shaft 11.

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Abstract

Bei einem zylinderförmigen Kraftmess-Körper (11), in dem mindestens eine Ausnehmung (13) eingearbeitet ist, in der ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen (14) befestigt sind, durch die gemeinsam mit der Ausnehmung (13) eine Messstelle (15) gebildet ist, soll ein Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der radial und tangential wirkenden Kräfte zur Verfügung gestellt sein. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ausnehmung (13) in einer Nut (12) angeordnet ist, dass zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (13) die Nut (12) vorgesehen ist, dass zwei Symmetrieachsen (31) von zwei gegenüberliegenden Ausnehmungen (13) zueinander fluchten und senkrecht zu der Längsachse (4) des Körpers (11) verlaufen, dass an dem Boden (27) und / oder der Seitenwand (29) der Ausnehmungen (13) mindestens einer der Dehnungsmessstreifen (14) befestigt ist und dass an dem Körper (11) ein Umlenkrad (21) oder Zahnrad (21') abgestützt ist.

Description

Kraftmess-Körper sowie Mess- und Berechnungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf einen zylinderförmigen Kraftmess-Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Mess- und Berechnungsverfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 8, 9, 10 und 12. Aus der DE 28 02 947 A1 ist eine dynamische Messanordnung für ein Kippmoment eines Hebezeugauslegers bekannt geworden. Dabei soll eine Kraftkomponente, die längs einer Messrichtung verläuft und mit einem bestimmten Winkel bezogen auf eine Bezugsiinie wirkt, gemessen werden. Zu diesem Zweck ist ein Messkörper vorgesehen, der mit dem Hubzylinder und über Lagerschalen mit dem Hebeausleger ver- bunden ist, so dass der Kraftfluss durch die Messstellen des Messkörpers geleitet ist. In den Messkörper sind dabei vier Ausnehmungen, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, eingearbeitet. In die Ausnehmungen sind in üblicher Weise die Dehnmessstreifen angebracht, um die eingeleiteten Spannungen zu messen, durch die die Ausnehmungen verformt sind.
Als nachteilig bei diesem Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass das Messergebnis oftmals fehlerbehaftet ist, da die Krafteinleitung und die Kraftausleitung durch den Messkörper nicht definiert und physikalisch nachprüfbar an bestimmten Positionen erfolgt, denn die Messstellen sind in vereinzelten Ausnehmungen in Form von Bohrungen vorgesehen, so dass die zu messenden Kräfte unmittelbar durch die Messstellen fließen und dort eine Materialverformung vornehmen, die von dem Messstreifen nicht zuverlässig erfasst werden kann. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des bekanntgewordenen Messkörpers ist ein solcher definierter Kraftfluss oftmals nicht zu erreichen, wenn nämlich die Kraftverläufe in einem ungünstigen Winkelverhältnis in den Messkörper eingeleitet werden,
Zudem können durch die bekannt gewordene Messanordnung keine tangential, son- dem ausschließlich radial verlaufende Kräfte gemessen werden. Auch herrscht zwischen dem Kraftmesskörper und einem auf diesen aufgesetzten Zahnrad oder Um- lenkrad keine kraftschlüssige Wirkverbindung. Die Messanordnung ist vielmehr an einem exakt vorgegebenen Messpunkt, nämlich zwischen einem Kranausleger und einem diesem abstützenden Hydraulikzylinder anzuordnen und kann daher nicht in Umlenkrädern oder dgl. eingebaut werden, um die dort herrschenden Kräfte mit sich ständig ändernden Kraftverläufen und Kraftbeträgen zuverlässig zu erfassen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zunächst einen Kraftmess-Körper der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, dass dieser für ein Mess- und Berechnungs- verfahren zur Ermittlung der radial und tangential wirkenden Kräfte verwendbar ist. Des Weiteren soll ein Kraftmess-Körper der eingangs genannten Gattung derart ausgestaltet sein, dass durch diesen eine Ermittlung der radial wirkenden Kräfte bei geänderten Winkelpositionen der resultierenden Kraftverläufe oder die durch Drehmomente entstehenden tangentialen Kräfte gemessen werden können. Darüber hin- aus soll ein Mess- und Berechnungsverfahren der eingangs genannten Gattung derart weitergebildet sein, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kraftmess-Körpers eine Messung und Berechnung der Winkelposition der resultierenden radial einwirkenden Kraft und deren Kraftbetrag bei wechselnden Kraftverläufen und Kraftbelastungen oder die Messung von Drehmomenten bzw. tangential verlaufenden Kräften zur Verfügung steht.
Die Aufgabe, den Kraftmess-Körper in entsprechender konstruktiver Weise auszugestalten, ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles von Patentanspruch 1 gelöst.
Die Aufgabe, ein Mess- und Berechnungsverfahren der eingangs genannten Gattung weiterzubilden, ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 8, 9, 10 und 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall ist dann gegeben, wenn ein zylinderför- miger Kraftmess-Körper, beispielsweise als Lagerachse für ein Umlenkrad, an dem freien Ende eines Kran-Auslegearmes zur Verfügung stehen soll. Bei dem Kraftmess-Körper ist es erforderlich, dass zwei gegenüberliegende Ausnehmungen eine Kraftmess-Ebene bilden, durch die senkrecht zu dieser verlaufende resultierende Messkräfte gemessen werden. Die gegenüberliegenden Ausnehmungen liegen demnach fluchtend auf einer gemeinsamen Symmetrieachse, die senkrecht zu der Längsachse des Kraftmess-Körpers ausgerichtet ist. In den Umfang der äußeren Mantelfläche können eine Vielzahl von zueinander gegenüberliegenden Ausnehmungen eingearbeitet sein, so dass mehrere Kraftmess-Ebenen gebildet sind, die in einem Winkel zwischen 90° und weniger zueinander verlaufen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Kraftmess-Körper trieblich bzw. kraftschlüssig mit einem Zahnrad in Wirkverbindung steht, denn dadurch ist zum einen gewährleistet, dass zwischen dem Messkörper und dem Zahnrad ein Kraftfluss für den An- oder Abtrieb des Zahnrades verwendet werden kann und zum anderen ist über die kraft- schlüssige Wirkverbindung zwischen dem Messkörper und dem Zahnrad im Inneren des Messkörpers ein Kraftfluss feststellbar, der durch die Dehnungsmessstreifen er- fasst werden kann. Folglich können durch die Messanordnung nicht nur radial wirkende Kräfte, sondern auch tangential verlaufende Kräfte, die aus Drehmomenten bei einer Verzahnung beispielweise entstehen, gemessen werden.
In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kraftmess-Körpers dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:
Figur 1a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei um- laufende Nuten, in denen jeweils vier Ausnehmungen vorgesehen sind, und auf den ein Umlenkrad zwischen den beiden umlaufenden Nuten angeordnet ist, in Draufsicht, Figur 1 b den Kraftmess-Körper gemäß Figur 1 a entlang der Schnittlinie Ib-Ib, ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei umlaufenden Nuten, in denen jeweils zwei gegenüberliegende Ausnehmungen zur Bildung einer Messebene vorgesehen sind, zwischen denen ein Umlenkrad angeordnet ist, in Draufsicht,
Figur 2b den Kraftmess-Körper gemäß Figur 2a entlang der Schnittlinie IIb— IIb, Figur 3a ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kraftmesskörpers mit zwei Paaren von Ausnehmungen, die gegenüberliegend zueinander verlaufen und in einem Winkel von kleiner als 90° zueinander versetzt sind, in Draufsicht, den Kraftmess-Körper gemäß Figur 3a in einem schematisch dargestellten Verwendungszweck im Schnitt, den Kraftmess-Körper gemäß 3a entlang der Schnittlinie lllc-fllc in einem Anwendungsbeispiel mit einem Umlenkrad, ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei umlaufenden Nuten, in denen jeweils zwei Paare von zueinander gegenüberliegenden Ausnehmungen eingearbeitet sind, in Draufsicht, den Kraftmess-Körper gemäß Figur 4a entlang der Schnittlinie IVb-IVb und
Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit einer
trieblichen Wirkverbindung zwischen diesem und einem Zahnrad zur Messung von Drehmomenten oder tangentialen Kräften.
In den Figuren 1 a und 1 b ist ein Kraftmess-Körper 11 abgebildet. Der Körper 11 dient als Achse und weist somit eine zylinderförmige Außenkontur auf. In den Körper 11 sind zwei um die Längsachse 4 des Körpers 11 ausgerichtete Nuten 12 eingearbeitet.
Die zwischen den zueinander beabstandeten Nuten 2 vorgesehene Mantelfläche des Körpers 11 dient als Kraftübertragungsfläche für ein Lager 24 eines Umlenkra- des 21. Durch das Umlenkrad 21 soll ein Seil 28 geführt gehalten sein. Der Körper 11 ist beispielsweise einem Umlenkrad 21 zu dessen Lagerung zugeordnet, durch das am freien Ende eines Kran-Auslegerarmes das Seil 28 zur Aufnahme von Lasten angeordnet ist.
Durch die Veränderung der Winkelstellung des Kran-Auslegerarmes aus der Horizontalen verändert sich in Abhängigkeit der Kranarmneigung der Umschlingungswin- kel ß an dem Umlenkrad 21. Für solche Winkelveränderungen soll der Kraftmess- Körper 11 dienen, durch den sowohl die Wirkrichtung α als auch der Betrag der re- sultierenden Kraft FR ermittelbar ist.
Die in den Körper 1 eingearbeiteten Nuten 12 weisen dabei jeweils zwei Ausnehmungen 13 auf, an deren Boden 27 jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifen 14 befestigt ist. Die Ausnehmungen 13 und die Dehnungsmessstreifen 14 bilden demnach gemeinsam eine Messstelle 15. Zwei Messstellen 15 liegen gegenüberliegend zueinander und bilden eine gemeinsame Messebene 22 oder 23, die senkrecht zu der Längsachse 4 verläuft. Gemäß Figur 1 b erfolgt die Messung jeder Messkraft senkrecht zu der jeweiligen Messebene 22 bzw. 23. Durch das Zentrum der jeweiligen Ausnehmung 13 verläuft eine Symmetrieachse 31 , die senkrecht zu der Längsachse 4 ausgerichtet ist. Wenn zwei Ausnehmungen 13 zueinander fluchtend angeordnet sind, so verlaufen die Symmetrieachsen 31 der gegenüberliegenden Ausnehmungen 13 fluchtend zueinander. Mehrere der Messstellen 15 können auf einer gemeinsamen Kreisbahn 9, die konzentrisch um die Längsachse 4 des Kraftmesskörpers 11 verläuft, angeordnet sein.
Des Weiteren ist in die Mantelfläche des Körpers 11 eine Referenzkerbe 26 eingearbeitet, deren Winkelposition bezogen auf eine Ausgangsstellung von einem Wtnkel- geber 25 permanent gemessen ist. Die Winkelposition der Referenzkerbe 26 liefert Angaben über den Umschlingungswinkel, so dass in Kenntnis der Winkeiposition der Referenzkerbe 26 der Umschlingungswinkel des Seiles 28 auf dem Umlenkrad 21 errechnet werden kann. Mit Kenntnis des Umschlingungswinkels ist demnach eine Berechnung der Wirkrichtung der resultierenden Kraft FR möglich, und zwar bezogen auf eine der beiden Kraftmess-Richtungen F I oder FM2-
Durch die beiden Messebenen 22 und 23 und die daraus ermittelten Kraftbeträge der Messkräfte FM1 und F 2 ist die Errechnung des Kraftbetrages für die resultierende Kraft FR möglich, so dass mit Hilfe des Kraftmess-Körpers 1 sowohl die Wirkrich- tung α als auch der Kraftbetrag der resultierenden Kraft FR gemessen und errechnet werden kann.
In den Figuren 2a und 2b ist der Kraftmess-Körper 11 derart ausgestaltet, dass in die beiden umlaufenden Nuten 12 lediglich jeweils zwei gegenüberliegende Ausneh- mungen 13 eingearbeitet sind, die demnach eine Messebene 22 bilden. Die Messkraft F verläuft senkrecht zu der Messebene 22. Durch den Winkelgeber 25 wird die Winkelstellung des Körpers 11 gemessen, so dass erneut die Wirkrichtung α einer resultierenden Kraft FR ausgehend von der Messkraft-Richtung F gemessen und errechnet werden kann.
In den Figuren 3a, 3b und 3c ist der Kraftmess-Körper 1 der Figuren 1a und 1b gezeigt; jedoch ist der Anwendungsfall unterschiedlich zu Figur 1a und 1 b, denn die Wirkungsrichtung α der resultierenden Kraft FR ist nicht bekannt. Der Umschlingungswinkel ß des Seils 28 auf dem Umfenkrad 21 ist vielmehr zu errechnen, und zwar aus der gemessenen Winkelposition des Körpers 11. Die resultierende Kraft verändert ihre Wirkungsrichtung α aufgrund unterschiedlicher Umschlingungswinkel ß permanent und in einem groß bemessenen Winkelbereich.
Zu diesem Zweck werden die Messstellen 15 bzw. die Messebenen 22 oder 23 nacheinander angesteuert, um die auf diese einwirkenden Kraftmessbeträge FMi bzw. FM2 ZU erfassen. Gemeinsam mit der Messung der Winkelposition der Referenzkerbe 26 durch den Winkelgeber 25 können dann Berechnungen angestellt werden, um die Wirkrichtung α der resultierenden Kraft FR zu ermitteln. Auch durch die Messung der Kraftmessbeträge FMI und FM2 sind dann in Kenntnis der Wirkrichtung α der resultierenden Kraft FR sind Berechnungen bezüglich des Kraftbetrages der resultierenden Kraft FR möglich.
In Figur 3b ist ein Anwendungsfall gezeigt, in dem der Körper 1 1 bereits mit den ent- sprechenden Messkräften FMI und Fm beaufschlagt ist; im Gegensatz dazu ist in Figur 3c der Anwendungsfall dargestellt, dass an dem Körper 1 1 über das Lager 24 das Umlenkrad 21 rotierbar abgestützt ist. Der in Figur 3b gezeigte Anwendungsfall soll verdeutlichen, dass der Kraftmess-Körper 11 beispielsweise als Achse oder auch als Welle für ein Umlenkrad 21 , ein Zahnrad 21 ' oder dergleichen einsetzbar ist.
Den Figuren 4a und 4b ist zu entnehmen, dass in die Außenkontur des Kraftmess- Körpers 1 1 jeweils drei Ausnehmungen 13 in einer der Nuten 12 eingearbeitet sind, um drei Messebenen 22, 22' und 23 zur Verfügung zu stellen. In Figur 5 ist eine kraftschlüssige Wirkverbindung zwischen dem Kraftmess-Körper 1 1 und dem Zahnrad 21 ' dargestellt. Der Kraftmess-Körper 1 ist nämlich über eine Passfeder 41 mit dem Zahnrad 21 ' verbunden. Dabei ist in dem Messkörper 1 1 eine Nut 42 und in das Zahnrad 21 ' eine Nut 42' eingearbeitet, die im montierten Zustand zueinander fluchtend ausgerichtet sind und in die die Passfeder 41 eingesetzt ist. Der Messkörper 11 wirkt demnach als Antriebs- oder Abtriebswelle, denn eine tangential verlaufende Kraft FT wird entweder von dem Zahnrad 21 ' auf den Körper 11 oder umgekehrt übertragen.
Die Passfeder 41 nimmt daher die tangential verlaufende Kraft FT auf und stützt diese an einer Flanke 43' des Körpers 11 ab, so dass diese über die Flanke 43 der Nut 42 an den Körper 11 weitergeleitet ist. Durch die nunmehr im Inneren des Körpers 1 1 wirkende Tangentialkraft FT entstehen Torsionen, Scherungen oder Spannungen, die von den Dehnmessstreifen 14, die in der Aussparung 13 sowohl am Boden 27 und/oder an einer der Seitenwand 29 angebracht sind, erfasst werden, so dass durch die Dehnmessstreifen 14 entweder unmittelbar das auf das Zahnrad 21' einwirkende Drehmoment erfassbar oder indirekt über die geometrischen Abstandsverhältnisse die Tangentialkraft FT gemessen werden kann. Ein solcher Messkörper 1 1 dient beispielsweise dazu, die unterschiedlichen Drehmomentverläufe, die zwischen einem Motor und einem Getriebe bzw. zwischen dem Getriebe und einer Abtriebswelle 11 herrschen, zu erfassen. Aufgrund der bekannten geometrischen Abstände zwischen den Krafteinleitungspunkten an den Zahnflanken des Zahnrades 21 ' und dem Mittelpunkt des Messkörpers 1 1 ist es möglich sowohl als Messergebnis, die Tangentialkraft FT als auch das Drehmoment zu berechnen. Wenn nämlich durch die Dehnungsmessstreifen 7, die im Inneren des Messkörpers 1 1 herrschenden Spannungsverhältnisse gemessen sind, dann kann hieraus die einwirkende Tangentialkraft Fr errechnet werden. Diese Kraftbeträge können unmittel- bar ausgewiesen werden oder über die bekannten Abstände ist ein Drehmoment errechenbar. Die geometrischen Abstände sind mit der Bezugskennzeichnung I in Figur 5 versehen.

Claims

Patentansprüche:
1. Zylinderförmiger Kraftmess-Körper (11), in dem mindestens eine Ausnehmung (13) eingearbeitet ist, in der ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen (14) befestigt sind, durch die gemeinsam mit der Ausnehmung (13) eine Messstelle (15) gebildet ist, dadurch gekennzeic net, dass die Ausnehmung (13) in einer Nut (12) angeordnet ist, dass zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (13) die Nut (12) vorgesehen ist, dass zwei Symmetrieachsen (31 ) von zwei gegenüberliegenden Ausnehmungen (13) zueinander fluchten und senkrecht zu der Längsachse (4) des Körpers ( 1) verlaufen, dass an dem Boden (27) und / oder der Seitenwand (29) der Ausnehmungen (13) mindestens einer der Dehnungsmessstreifen (14) befestigt ist und dass an dem Körper (11 ) ein Umlenkrad (21 ) oder Zahnrad (21 ') abgestützt ist.
2. Kraftmess-Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Mantelfläche des Körpers (11 ) eine Referenzkerbe (26) eingearbeitet ist, deren Winkelposition bezogen auf eine Ausgangsstellung des Körpers (11 ) von einem Winkelgeber (25), permanent gemessen ist.
3. Kraftmess-Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Winkelgebers (25) ein Umschlingungswinkel (ß) eines Seils (28) auf dem Umlenkrad (21) messbar ist.
4. Kraftmess-Körper nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben jeder Nut (12) eine umlaufende Kraftübertragungsfläche vorhanden ist, die konzentrisch zu der Längsachse (4) verlaufen.
5. Kraftmess-Körper nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Nuten (12) zueinander beabstandet sind und parallel oder schraubenlinienförmig zueinander verlaufen.
6. Kraftmess-Körper nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere benachbarte Messebenen (22, 23) von jeweils zwei auf einer Kreisbahn (9) liegenden Messstellen (15) in einem Winkel von 90 ° oder weniger zueinander positioniert sind.
7. Kraftmess-Körper nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch g kennzeichnet, dass der Kraftmess-Körper (1 1 ) kraftschlüssig mit dem Zahnrad (21 ') oder dem Umlenkrad (21 ) verbunden ist und dass die auf den Mess-Körper (1 1 ) einwirkenden tangential verlaufenden Kräfte (FT), durch die im Inneren des Körpers (1 1 ) angeordneten Dehnungsmessstreifen (14) erfassbar sind.
8. Mess- und Berechnungsverfahren Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von einer radial wirkenden resultierenden Kraft (FR) mittels eines zylinderförmigen Kraftmess-Körpers (1 1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Messen von einer oder mehreren Kraftkomponenten (FM1, FM2), die senkrecht zu der von dem Körper (11 ) zur Verfügung gestellten Messebene (22, 23) verlaufen und den Körper (11 ) einwirken,
- Errechnen oder Messen der Winkelposition des Körpers (1 1 ) bezogen auf eine Ausgangswinkelstellung,
- Ermitteln der Wirkposition ( α ) der resultierenden Kraft (FR) bezogen auf die Winkelposition des Körpers (11 ) und bezogen auf eine der Messebenen (22, 23),
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) in Abhängigkeit von den an den der Messebenen (22, 23) gemessenen Kraftanteilen (FMI, F 2).
9. Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von einer radial wirkenden resultierenden Kraft (FR) mittels eines zylinderförmigen Kraftmess-Körpers (1 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Messen der Winkelposition des Körpers (1 1 ) mittels eines Winkelgeber (25),
Messen von einer oder mehreren Kraftkomponenten (FMi , FM2). die senkrecht zu der von dem Körper (1 1 ) zur Verfügung gestellten Messebenen (22, 23) verlaufen und die auf den Körper (11 ) einwirken, - Ermitteln der Wirkrichtung ( α ) der resultierenden Kraft (FR) bezogen auf die Winkelposition des Körpers (1 ) und bezogen
auf eine der Messebenen (22, 23) und
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) in Abhängigkeit von den an der Messebenen (22, 23) gemessenen Kraftanteile (FMi , F )-
Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von radial wirkenden Kräften (FR) mittels eines Kraftmess - Körpers ( 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die in einem Mittelpunkt eines Umienkrades (21 ) zu dessen Abstützung angeordnet sind, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Messen der Winkelposition des Körpers (1 1 ) mittels eines Winkelgebers (25),
- Berechnen des Umschlingungswinkels ( ß ) einer Seilkraft (Fs) an dem
Umlenkrad (21 ) bezogen auf die gemessene Winkelposition,
- Errechnen der Wirkrichtung ( α ) einer auf das Umlenkrad (21 ) radial einwirkenden resultierenden Kraft (FR) bezogen auf eine der dem Körper (11 ) zur Verfügung gestellten Messebene (22, 23) in Abhängigkeit von dem Umschlingungswinkel ( ß ),
- Messen der in der jeweiligen Messebene (22, 23) vorherrschenden Kraftkomponente (FMI, FM2).
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) aus dem Anteil der Kraftkomponente (FMI , FM2), die auf die jeweilige Messebene (22, 23) einwirkt.
Mess- und Berechnungsverfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine der Messebenen (22, 23) in Abhängigkeit von der ermittelten oder errechneten Wirkrichtung ( α ) der resultierenden Kraft (FR) ausge- wählt ist.
12, Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von tangential wirkenden Kräften (FT) mittels eines Kraftmesskörpers (11) nach Anspruch 7, die tangential zu einer durch den Mittelpunkt des Messkörpers (11), vorzugsweise durch ein Zahnrad (21'), übertragen sind, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Messen der im Inneren des Messkörpers (11 ) wirkenden Spannungskräfte durch die Dehnungsmessstreifen (14),
Berechnen der tangential verlaufenden Kräfte (FT) oder der Drehmomente aufgrund der Messergebnisse der Dehnungsmessstreifen (14), 13. Mess- und Berechnungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die tangential wirkenden Kräfte (FT) zur Berechnung des auf das Zahnrad (21') einwirkenden Drehmomente mit dem Abstand (I) zur Errechnung der Drehmomente multipliziert sind.
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