DE102016116181A1

DE102016116181A1 - Ein- oder mehrachsige Kraftmesseinrichtung mit kurzer Verformungszone

Info

Publication number: DE102016116181A1
Application number: DE102016116181.0A
Authority: DE
Inventors: Adrián C. Gonzáles de Mendoza
Original assignee: Nuton GmbH
Current assignee: Nuton GmbH
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-02-01
Also published as: DE202016008911U1; WO2018024519A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil (1), über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil (2), über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone (3), über die alle auf den ersten flanschartigen Teil (1) einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil (2) weitergeleitet werden. Dabei dient wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone (3) als Applikationsfläche (5) für Dehnmessstreifen (4) mit Messgittern, und die Messgitter der Dehnmessstreifen (4) befinden sich wenigstens teilweise im Lagebereich der rohrartigen Verformungszone (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe H der rohrartigen Verformungszone das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe M nicht übersteigt und die Gesamtmessgitterhöhe M der Messgitterhöhe h entspricht, oder, sofern mehrere Dehnmessstreifen (4) an derselben radialen Position in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, die Gesamtmessgitterhöhe M definiert ist als die Summe der Messgitterhöhen (h1 + h2 + ... + hx) der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen (4).

Description

Technisches Gebiet
Kraftmesseinrichtung mit einer rohrartigen Verformungszone zur mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente.
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil weitergeleitet werden, wobei wenigstens die innere oder äußere Oberfläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Messwertgeber dient. Als Messwertgeber werden insbesondere Dehnmessstreifen (DMS) eingesetzt. Derartige Kraftmesseinrichtungen werden in der Fertigungstechnik, der Robotik und für Mess- und Prüfstände verwendet.
Stand der Technik
Die US 4,493,220 und US 2015/0160081 A1 zeigen mehrachsige Kraftmesseinrichtungen mit einer rohrartigen Verformungszone, bei denen die Messwertgeber so angeordnet sind, dass seitlich einwirkende Kräfte in X- oder Y-Richtung eine Anordnung von nebeneinander liegenden, gegensinnig orientierten Scher-DMS verformen. Die DMS für die Z-Richtung sind Kombinationen von Längs- und Quer-DMS, welche in Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone orientiert sind. Bei diesen Typen werden auf der Applikationsfläche mehrere Dehnmessstreifen in Achsrichtung übereinander angeordnet, welche zu unterschiedlichen Messkanälen gehören. Dies führt zu einer relativ großen Höhe der rohrartigen Verformungszone, insbesondere weil auch ein Teil der Anschlusspfade und Lötflächen im Bereich der rohrartigen Verformungszone angeordnet sind.
Die auf der inneren oder äußeren Rohrfläche applizierten Dehnmessstreifen setzen die Verformungen der rohrartigen Verformungszone in elektrische Widerstandsänderungen um, welche wiederum durch eine geeignete elektronische Schaltung (Wheatstonebrücke) in eine Spannungsänderung und diese mithilfe eines Messverstärkers in ein auswertbares Signal gewandelt wird. Um mehr als eine Lastrichtung erfassen zu können, sind auf der Peripherie der rohrartigen Ver-formungszone mehrere Dehnmessstreifen appliziert, welche unterschiedlich orientiert sind und die mehreren Messverstärkern zugeordnet sind.
Bei den in US 4,493,220 und US 2015/0160081 A1 beschriebenen Kraftmesseinrichtungen werden auf der Applikationsfläche mehrere Dehnmessstreifen in Achsrichtung übereinander angeordnet und unterschiedlichen Messkanälen zugeordnet (z.B. Fx und My). Bei in Achsrichtung übereinanderliegenden Messgittern vergrößert dies grundsätzlich die erforderliche Höhe der rohrartigen Verformungszone und vermindert damit deren Steifheit. Βei den genannten Typen sind zusätzlich Anschlusspfade und Lötflächen auf der rohrartigen Verformungszone über und unter den Dehnmessstreifen angeordnet, welche den Platzbedarf in der Höhe zusätzlich vergrößern.
Kraftmesseinrichtungen dieser Art liefern gegenüber anderen Systemen eine gute aber für Anwendungen in vielen Bereichen der Fertigungstechnik und Prüftechnik noch nicht optimale Steifheit. Die Steifheit der Kraftmesseinrichtung ist jedoch das entscheidende Kriterium für die maximale Messfrequenz, da im Bereich der Resonanzfrequenz eines Systems nicht mehr genau gemessen werden kann.
Alle Kraftmesseinrichtungen mit einer rohrartigen Verformungszone besitzen den prinzipbedingten Nachteil, dass die Steifheit des Rohres in axialer Richtung, welche hier mit der Z-Richtung gleichgesetzt ist, etwa dreimal höher als in radialer Richtung ist. Schaltungsbedingt erhöht sich der Unterschied bei den Messbereichen und der Empfindlichkeit gewöhnlich sogar auf 500%. Dies ist für Messaufgaben nachteilig bei denen geringe Kräfte in allen Achsrichtungen aufgelöst werden sollen. Dem wird versucht entgegenzuwirken, indem mit einer möglichst hohen Auflösung gemessen wird.
Die Auflösung derartiger Systeme ist von vielen Faktoren abhängig. Einer der wesentlichsten Faktoren ist jedoch die Speisespannung, mit der die Wheatstonebrücke betrieben werden kann. Da Dehnmessstreifen relativ niederohmige Widerstände sind, führen hohe Speisespannungen aber zu hohen Verlustleistungen, welche vom Messkörper in Form von Wärme aufgenommen und abgeleitet werden müssen. Dies wiederum führt aufgrund der resultierenden Wärmedehnung des Messkörpers zu einer unerwünschten Nullpunktdrift und einem lang andauernden Einschwingverhalten der Kraftmesseinrichtung nach der ersten Bestromung. Aus diesem Grund ist in der Vergangenheit häufig versucht worden, die Speisespannung so gering wie möglich zu halten.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung der genannten Art zu schaffen, die sich für die dynamische Erfassung einwirkender Kräfte und/oder Momente eignet und dabei eine hohe Steifheit mit einer hohen Empfindlichkeit verbindet.
Diese Aufgabe wird durch eine Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Kraftmesseinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–5.
Die folgende Darstellung der Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmesseinrichtung bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil und einem zweiten flanschartigen Teil, welche über eine zwischenliegenden, rohrartigen und relativ dünnwandigen Abschnitt fest miteinander verbunden sind. Dabei ist der zweite Teil fest mit einem Bezugskörper verbunden. Wirken dann auf den ersten flanschartigen Teil Kräfte und Momente, verformt sich insbesondere der rohrartige Abschnitt. Der dünnwandigste Teil dieses Abschnitts wird dabei im Weiteren als rohrartige Verformungszone bezeichnet. Die rohrartige Verformungszone, bzw. deren Höhe H, ist dabei definiert als der Teil des rohrartigen Abschnitts, bei dem die maximale Wandstärke W2 die Dicke des dünnwandigsten Abschnitt W1 um nicht mehr als 20% überschreitet. Diese Definition ist erforderlich, da die rohrartige Form sich häufig über die eigentliche Verformungszone hinaus fortsetzt und der erste und zweite flanschartige Teil ebenfalls eine rohrartige Form besitzen können. Die Höhe H der rohrartigen Verformungszone ist dabei bewusst nicht definiert als die Höhe des dünnwandigsten Abschnitts mit gleicher Wandstärke, da es technologisch von Vorteil sein kann, die Wandstärke der rohrartigen Verformungszone zu variieren, da sich insbesondere am oberen und unteren Rand der rohrartigen Verformungszone unter den einwirkenden Lasten Spannungsspitzen im Material ergeben, welche sich durch eine größere Wandstärke in diesen Bereichen und einen geeigneten Formübergang reduzieren lassen.
Wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone dient als Applikationsfläche für Dehnmessstreifen mit Messgittern, wobei sich die Messgitter der Dehnmessstreifen wenigstens teilweise im Lagebereich der rohrartigen Verformungszone befinden. Dabei sind Messgitter mit einer jeweiligen axialen Messgitterhöhe h an wenigstens zwei verschiedenen radialen Positionen auf der Applikationsfläche angebracht, wobei Messgitter umfangsmäßig nebeneinander und/oder axial versetzt zueinander angeordnet sein können. Die Messgitter sind somit bandförmig über den Umfang der Applikationsfläche angeordnet. Dabei können die Messgitter in verschiedenen Mustern angeordnet sein. Sie können zum Beispiel in einer Reihe nebeneinander angeordnet sein. Sie können jedoch auch in zwei oder mehr axial zueinander versetzten Reihen angeordnet sein. In diesem Fall wären an wenigstens einer radialen Position wenigstens zwei Messgitter übereinander angebracht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe H der rohrartigen Verformungszone das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe M nicht übersteigt und die Gesamtmessgitterhöhe M der Messgitterhöhe h entspricht, oder, sofern mehrere Dehnmessstreifen an derselben radialen Position in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, die Gesamtmessgitterhöhe M definiert ist als die Summe der Messgitterhöhen h1 + h2 + ... + hx der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen.
Als Applikationsfläche dient wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone, die Applikationsfläche kann jedoch auch über die Verformungszone hinausragen. Wird beispielsweise eine einzelne Reihe an nebeneinander angeordneten Messgittern verwendet, entspricht die Gesamtmessgitterhöhe M der Höhe h der einzelnen Messgitter. Werden dabei Messgitter mit unterschiedlichen Höhen h verwendet, entspricht die Gesamtmessgitterhöhe M der größten vorkommenden Messgitterhöhe h.
Werden Messgitter dagegen in zwei oder mehr axial zueinander beabstandeten Reihen angeordnet, ist die Gesamtmessgitterhöhe M definiert als die Summe der Messgitterhöhen h1 + h2 + ... + hx der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen an einer radialen Position.
Die Höhe H der Verformungszone orientiert sich somit an dieser resultierenden Gesamtmessgitterhöhe M, wobei die Höhe H das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe nicht überschreitet. So kann die Verformungszone möglichst kurz gestaltet werden. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass eine Verkürzung der rohrartigen Verformungszone gegenüber üblichen Höhenverhältnissen nicht nur zu einer erhöhten Steifheit führt, sondern insbesondere auch den Wärmeabfluss von den Dehnmessstreifen begünstigt und so höhere Speisespannungen ermöglicht. Eine Voraussetzung für die Nutzung dieses Effektes und ein Kennzeichen einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ist es, dass die Messgitter der Dehnmessstreifen in axialer Richtung sehr nahe an das Ende der rohrartigen Verformungszone heranreichen oder sogar über diese hinausreichen. Die Wärmequelle wird dadurch näher an die Wärmesenke herangeführt, wodurch höhere Speisespannungen ermöglicht, bzw. eine geringere Nullpunktdrift und eine kürzere Einschwingphase erreicht werden. Eine solche Anordnung wird in den bekannten Lösungen vermieden, da die Übergangsbereiche zwischen Verformungszone und Flansch eine geringere Verformung aufweisen und damit vermeintlich eine geringere Signalausbeute ergeben. Dieser Verlust an Signalhöhe wird aber durch die positiven Effekte und insbesondere die Möglichkeit, eine höhere Speisespannung anzulegen, mehr als ausgeglichen.
Ist die Höhe H der rohrartigen Verformungszone wie bei der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung kleiner oder gleich der 1,5-fachen Gesamtmessgitterhöhe, kann in diesem Anwendungsbereich die Steifigkeit der Verformungszone erhöht und der Wärmeabfluss von den Dehnmessstreifen begünstigt werden. Bei einer längeren Verformungszone mit einer Höhe H oberhalb der 1,5-fachen Gesamtmessgitterhöhe werden diese vorteilhafthaften Effekte hingegen geringer.
Eine typische, dem Stand der Technik entsprechende, mindestens dreiachsige Kraftmesseinrichtung besitzt bei einem angenommenem Außendurchmesser D der rohrartigen Verformungszone in der Größenordnung von 60 mm eine rohrartige Verformungszone mit einer Höhe H von 12 mm. Darauf befinden sich in zwei übereinanderliegenden Ebenen Dehnmessstreifen mit einer Messgitterhöhe h von typischerweise je 3 mm. Die Gesamtmessgitterhöhe der übereinanderstehenden Messgitter beträgt somit 6 mm. Es ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Höhe H der rohrartigen Verformungszone und der Gesamtmessgitterhöhe der übereinanderstehenden Messgitter von 2:1. Das Verhältnis des Außendurchmessers zur Höhe H beträgt hier 5:1.
Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung würde im vorliegenden Fall vorzugsweise die Stapelung der Messgitter in zwei Ebenen vermeiden und stattdessen alle erforderlichen Messgitter nebeneinander bandförmig in einer Ebene anordnen. In diesem Fall beträgt die Gesamtmessgitterhöhe M der aktiven Messgitter nur noch 3 mm. Erfindungsgemäß liegt die Höhe H der rohrartigen Verformungszone dann zwischen 3 mm und 4,5 mm, das Höhenverhältnis H zur Gesamtmessgitterhöhe M liegt also zwischen 1:1 und 1:1,5. Vorzugsweise liegt die Höhe H bei 3mm. Das Verhältnis des Außendurchmessers zur Höhe H beträgt hier etwa 20:1.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ragen die Messgitter direkt bis an die Ränder der Verformungszone heran. Ragen die Messgitter hingegen auf der Applikationsfläche über die Ränder der Verformungszone hinaus, kann die Höhe H der Verformungszone sogar kleiner als die Gesamtmessgitterhöhe M sein.
Die Wärmeabfuhr in den ersten und zweiten flanschartigen Teil kann zusätzlich gefördert werden, indem die Wandstärke der rohrartigen Verformungszone sich zu beiden Enden hin leicht verdickt. Dies hat überdies den Vorteil, dass die hoch belastete Übergangszone stabilisiert wird und die gewöhnlich in diesem Bereich vor allem bei radialer Belastung auftretenden Spannungsspitzen vermieden werden. Durch diese Maßnahme lässt sich auch die radiale Nennlast erhöhen und der Unterschiedswert der Nennlasten in radialer und axialer Richtung verringern.
Für den beispielhaften Messkörper ergeben sich bei einer Verkürzung der rohrartigen Verformungszone von 12 mm auf 3 mm weitere wesentliche Vorteile:

• Eine mehr als dreimal höhere Steifheit bei einwirkenden Radialkräften,
• eine mehr als doppelt so hohe Steifheit bei einwirkenden Axialkräften,
• eine mindestens dreifach höhere radiale Eigenfrequenz,
• eine starke Verringerung des Nennmesswegs in axialer und radialer Richtung,
• eine Verringerung des Unterschiedswertes zwischen den axialen zu den radialen Nennkräften von 3:1 auf 2,5:1, sowie
• eine Reduzierung der Bauhöhe des Messkörpers um 9mm.

Die Empfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung kann insgesamt gesteigert werden, je größer der von Messwertgebern bedeckte Flächenanteil auf der rohrartigen Verformungszone ist, da damit der relative Wärmeeintrag pro Flächeneinheit zurückgeht und somit höhere Speisespannungen angelegt werden können, die wiederum eine höhere Auflösung ermöglichen. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bedeckt die Applikationsfläche der rohrartigen Verformungszone daher möglichst großflächig mit Messgittern. Dies führt bei größeren Durchmessern der rohrartigen Verformungszone zu einer zunehmenden Breite der Messgitter. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Kraftmesseinrichtung kann alternativ die größere zur Verfügung stehende Fläche für die Applikation einer größeren Anzahl von Messgittern verwendet werden, die in redundanten Messkanälen ausgewertet werden.
Eine besonders vorteilhafte Kraftmesseinrichtung vereint folgende Merkmale:

• Sie besitzt eine besonders kurze rohrartige Verformungszone, deren Höhe gewöhnlich kleiner als 7mm misst, sich dabei an der Gesamthöhe der darauf applizierten Messgitter orientiert und letztere um nicht mehr als 50% überschreitet.
• Alle DMS sind auf der rohrartigen Verformungszone nebeneinander angeordnet
• Die Messgitter der DMS bedecken mindestens 50% der Fläche über der rohrartigen Verformungszone
• Die rohrartige Verformungszone ist in der Mitte der Messgitter am dünnsten und erfährt zu beiden Enden hin eine leichte Verdickung, welche noch im Lagebereich der Messgitter beginnt.

Alle diese Maßnahmen haben dasselbe Ziel, nämlich eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen und damit höhere Speisespannungen zu ermöglichen bzw. eine geringere Nullpunktdrift und eine kürzere thermische Einschwingzeit zu erreichen. Es ist leicht einzusehen, dass auch eine teilweise Umsetzung dieser Maßnahmen bereits einen Fortschritt in dieser Richtung bedeutet. Unter gewissen Umständen ist die Umsetzung aller Maßnahmen sogar unmöglich oder nicht erforderlich. Bei sehr großen Durchmessern der rohrartigen Verformungszone ist beispielsweise eine 50%ige Bedeckung der rohrartigen Verformungszone mit Messgittern schwer zu erreichen, da dies zu sehr breiten Messgittern führen würde. Dagegen ist bei kleinen Durchmessern die Anordnung der DMS in zwei Ebenen übereinander nicht immer zu vermeiden, wenn gleichzeitig sechs Kraftkomponenten erfasst werden sollen.
Dennoch ist eine Kraftmesseinrichtung, die unter den Prämissen der hier dargestellten Zusammenhänge konstruiert wurde, klar an einer im Vergleich zum Stand der Technik ungewöhnlich kurzen rohrartigen Verformungszone und einer vergleichsweise großen Bedeckung dieser Verformungszone mit Messgittern zu erkennen, wie dies auch die Figurenbeschreibungen verdeutlichen.
Bezugszeichenliste

1: Erster flanschartiger Teil
2: Zweiter flanschartiger Teil
3: Rohrartige Verformungszone
4: Messwertgeber (Dehnmessstreifen)
5: Applikationsfläche
6: Messkörper
7: Mittelachse
h, h1, h2: Axiale Höhe eines einzelnen Messgitters
H: Axiale Höhe der Verformungszone

Figurenbeschreibung
1 zeigt eine angeschnittene Darstellung einer mehrachsigen Kraftmesseinrichtung gemäß dem Stand der Technik, bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil 1, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil 2, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und einer dazwischen liegenden rohrartigen Verformungszone 3, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil 1 einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil 2 weitergeleitet werden. Die rohrartige Verformungszone 3 besitzt im relevanten Verformungsbereich eine einheitliche Wandstärke und besteht aus einem federelastischen Material. Der gesamte Messkörper 6 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Stück. Die rohrartige Verformungszone 3 wird durch zwei nutartige Einstiche auf der Außenseite und der Innenseite des Messkörpers 6 gebildet. Diese beiden Einstiche können unterschiedliche Breiten haben oder gleich breit sein.
Auf der Außenseite der Verformungszone 3 ist eine Applikationsfläche 5 mit mehreren Verformungsaufnehmern in Form von Dehnmessstreifen 4 versehen. Diese Dehnmessstreifen 4 umfassen jeweils ein Messgitter mit den axialen Höhen h1 und h2. Die Gesamtausdehnung jedes einzelnen Dehnmessstreifens kann ferner größer sein, wenn das jeweilige Messgitter beispielsweise auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Auch die Verdrahtung der Dehnmessstreifen kann die Höhe eines Messgitters überragen. Ferner können die Messgitterhöhen h1 und h2 aller Messgitter identisch sein, aber sie können auch variieren.
Die Messgitter der auf der rohrartigen Verformungszone 3 applizierten Dehnmessstreifen 4 sind zu den Rändern der rohrartigen Verformungszone 3 hin deutlich beabstandet, d.h. es besteht ein gewisser Abstand zwischen den Messgittern und den beiden Rändern der Verformungszone 3. Diese Beabstandung geschieht durchaus absichtsvoll und bewirkt eine größere Verformung der Messgitter, da in den Randbereichen der rohrartigen Verformungszone deutlich geringere Verformungen auftreten. Die DMS sind weiterhin in zwei Ebenen angeordnet, welche ebenfalls einen deutlichen Abstand zueinander aufweisen. Die Gesamtmessgitterhöhe M zweier an derselben Winkelposition übereinanderstehender Messgitter (h1 + h2) verhält sich zu der Gesamthöhe H der rohrartigen Verformungszone H etwa wie 1:2. Besitzt der hier gezeigte Messkörper im Bereich der Verformungszone 3 einen Außendurchmesser D von 54mm und beträgt die Höhe H der rohrartigen Verformungszone 12 mm, so ergibt sich die Umfangsfläche der Verformungszone 3 aus πD × H = 2036mm². Die Nennfläche der verwendeten Messgitter sei 9mm² (3 mm × 3 mm). Bei 32 Messgittern ergibt sich eine mit Messgittern bedeckte Fläche von 288 mm². Die Flächenbedeckung der rohrartigen Verformungszone 3 mit Messgittern beträgt somit etwa 14,2 %.
2 zeigt eine angeschnittene Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mehrachsigen Kraftmesseinrichtung. Wie bei 1 besteht die Kraftmesseinrichtung aus einem ersten flanschartigen Teil 1, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil 2, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und einer dazwischen liegenden rohrartigen Verformungszone 3, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil 1 einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil 2 weitergeleitet werden. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung sind die Breiten der nutartigen Einstiche zur Bildung der Verformungszone 3 jedoch geringer. Somit ist auch die Höhe H der Verformungszone 3 geringer als bei einer Kraftmesseinrichtung gemäß 1.
Ferner sind alle 32 Dehnmessstreifen 4 nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Die Höhe H der rohrartigen Verformungszone 3 ist in dieser Ausführungsform mit der Höhe h der Messgitter der applizierten Dehnmessstreifen 4 identisch. Sie beträgt beispielsweise 3mm. So beträgt auch die Gesamtmessgitterhöhe M 3mm. Die Höhe H der Verformungszone kann jedoch auch etwas größer sein als die Gesamtmessgitterhöhe M. Vorteilhafte Wirkungen ergeben sich beispielsweise, solange die Höhe H der Verformungszone 3 die Gesamtmessgitterhöhe M nicht um mehr als 50% übersteigt. Die Höhe H der Verformungszone 3 kann auch kleiner sein als die Gesamtmessgitterhöhe M, wobei die Messgitter in einer solchen Ausführungsform über die Verformungszone 3 hinausragen würden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn der Einstich zur Bildung der Applikationsfläche 5 breiter ist als der Einstich zur Bildung der Verformungszone 3. Dann bietet die Applikationsfläche 5 ausreichend Raum, um Messgitter so anzuordnen, dass sie sich nicht nur im Bereich der Verformungszone 3 befinden, sondern über diese hinausragen.
Der Außendurchmesser D der Verformungszone 3 kann wie bei der Kraftmesseinrichtung der 1 ebenfalls 54 mm betragen. Die Umfangsfläche der Verformungszone 3 beträgt also 509 m². Die Nennfläche der Messgitter bleibt mit 288 mm² gleich, sodass sich eine Flächenbedeckung mit Messgittern bei der gezeigten erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung von etwa 56,6 % ergibt. Es ist leicht nachvollziehbar, dass diese Anordnung eine wesentlich bessere Wärmeabfuhr und damit eine höhere Speisespannung bzw. eine kürzere thermische Einschwingzeit ermöglicht. Weiterhin besitzt diese Ausführungsform zusätzlich alle oben aufgezählten Vorteile einer gegenüber dem Stand der Technik stark verkürzten Verformungszone.
Doch auch bei übereinander in zwei Reihen angeordneten Messgittern kann die Höhe H der Verformungszone entsprechend so gewählt werden, dass sich die erfindungsgemäßen Höhenverhältnisse ergeben. Dabei wird die Gesamtmessgitterhöhe M durch die Summe der einzelnen Messgitterhöhen an einer radialen Position auf der Applikationsfläche 5 bestimmt.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen rohrartigen Verformungszone 3. Die rohrartige Verformungszone, bzw. deren Höhe H, ist dabei definiert als der Teil des rohrartigen Abschnitts, bei dem die maximale Wandstärke W2 die Dicke des dünnwandigsten Abschnitt W1 um nicht mehr als 20% überschreitet. Im hier gezeigten Beispiel nimmt die Wandstärke entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von der Mitte der rohrartigen Verformungszone zu den Rändern hin leicht zu. Dies erleichtert den Wärmeabfluss aus der Mitte der rohrartigen Verformungszone und stabilisiert die hochbelasteten Übergangsbereiche der rohrartigen Verformungszone 3 zu den flanschartigen Teilen 1 und 2. Diese Dickenzunahme ist zu unterscheiden von den Übergangsradien. Die Übergangsradien sind nicht durch Messgitter abgedeckt und sie haben auch eine geometrisch unterscheidbar Form, wie z.B. einen anderen in der Regel sehr viel kleineren Radius bzw. überhaupt einen Radius, während der Steigungsverlauf im Bereich der Dickenzuname nicht notwendigerweise einer Kreisbahn folgen muss. Die Applikationsfläche 5 für die Dehnmessstreifen 4 ist vorzugsweise eben oder zylinderförmig und kann deutlich über die Grenzen der rohrartigen Verformungszone 3 hinausragen, um Platz für die Trägerfolien der DMS mit den darauf befindlichen Lötflächen für die Verdrahtung zu schaffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4493220 [0003, 0005]
US 2015/0160081 A1 [0003, 0005]

Claims

Kraftmesseinrichtung zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil (1), über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil (2), über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone (3), über die alle auf den ersten flanschartigen Teil (1) einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil (2) weitergeleitet werden, wobei wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone (3) als Applikationsfläche (5) für Dehnmessstreifen (4) mit Messgittern dient, und sich die Messgitter der Dehnmessstreifen (4) wenigstens teilweise im Lagebereich der rohrartigen Verformungszone (3) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H der rohrartigen Verformungszone das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe M nicht übersteigt und die Gesamtmessgitterhöhe M der Messgitterhöhe h entspricht, oder, sofern mehrere Dehnmessstreifen (4) an derselben radialen Position in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, die Gesamtmessgitterhöhe M definiert ist als die Summe der Messgitterhöhen (h1 + h2 + ... + hx) der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen (4).
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem größten Außendurchmesser D der rohrartigen Verformungszone (3) und deren Höhe H größer als 10:1 ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Gesamtfläche aller im Bereich der rohrartigen Verformungszone (3) applizierten Messgitter und dem Teil der Applikationsfläche (5), welche die rohrartige Verformungszone (3) bedeckt, größer als 1:3 ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke W der rohrartigen Verformungszone (3) im Bereich der Messgitter der Dehnmessstreifen (4) in axialer Richtung zu wenigstens einem der flanschartigen Teile (1, 2) hin zunimmt.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke W der rohrartigen Verformungszone (3) im Bereich der Messgitter der Dehnmessstreifen (4) in axialer Richtung zu beiden flanschartigen Teilen (1, 2) hin zunimmt.