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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Messgerät, mittels dessen eine Messung einer Kraft erfolgen kann. Hierbei kann es sich um ein elektronisches Messgerät handeln. Vorzugsweise ist das Messgerät aber als rein mechanisches Messgerät ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messgerät-Set, welches insbesondere für die Messung von Kräften in unterschiedlichen Messbereichen eingesetzt werden kann, sowie eine neue Verwendung eines an sich bekannten Messgeräts. Schließlich betrifft die Erfindung eine Kraftmessstruktur, wie diese in einem Messgerät Einsatz finden kann.
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STAND DER TECHNIK
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In bekannten Messgeräten wird eine Kraftmessstruktur, die in vielen Fällen als Kraftmessring ausgebildet ist, an seiner Oberseite im Bereich einer Krafteinleitungsfläche mit der messenden Kraft beaufschlagt, während die Unterseite der Kraftmessstruktur über eine Abstützfläche, welche in Richtung der wirkenden Kraft fluchtend zur Krafteinleitungsfläche angeordnet ist, gegenüber der Umgebung abgestützt ist. In Folge der wirkenden Kraft kommt es zu einer elastischen Verformung der Kraftmessstruktur, die mit einer translatorischen Relativbewegung des die Krafteinleitungsfläche bildenden Teilbereichs der Kraftmessstruktur (im Folgenden „erster Teilbereich“) und des die Abstützfläche ausbildenden Teilbereichs der Kraftmessstruktur (im Folgenden „zweiter Teilbereich“) einhergeht. Somit dient die Kraftmessstruktur der Umwandlung der zu messenden Kraft in eine translatorische Relativbewegung mit einem sich hieraus ergebenen translatorischen Messweg. Der translatorische Messweg wird bei bekannten Messgeräten durch eine Messuhr erfasst, in welcher die translatorische Relativbewegung eines Messstößels, der an dem ersten Teilbereich oder dem zweiten Teilbereich abgestützt ist, gegenüber einem Gehäuse, welches an dem anderen von dem ersten oder zweiten Teilbereich abgestützt ist, in ein Weg-Messsignal umgewandelt wird, welches über die Steifigkeit der Kraftmessstruktur mit der gemessenen Kraft korreliert. Bei Einsatz einer elektronischen oder digitalen Messuhr wird aus dem Messweg des Messstößels elektronisch über eine Charakteristik, welche sich aus der Steifigkeit der Kraftmessstruktur ergibt, die dann angezeigte Kraft ermittelt. Hingegen findet bei einer mechanischen Messuhr eine mechanische Umwandlung der Bewegung des Messstößels in die Bewegung eines Zeigers entlang einer Messskala, deren Skalierung mit der Steifigkeit der Kraftmessstruktur korreliert, bewegt wird. Hinsichtlich allgemeinen diesbezüglichen Standes der Technik wird auf den Internet-Seiten
- - http://www.kraftmessgeraet.de/kraftmessbuegel/
- - https://de.wikipedia.org/wiki/messuhr
(Datum der Einsichtnahme jeweils 12.06.2017) verwiesen.
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Für derart ausgestaltete Messgeräte erstreckt sich der Messstößel zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich der Kraftmessstruktur, wodurch die Möglichkeiten der Gestaltung der Kraftmessstruktur eingeschränkt sind, da ein entsprechender Aufnahmeraum für den Messstößel vorzusehen ist. Des Weiteren erstreckt sich bei derartiger Ausbildung das Gehäuse der Messuhr, in welchem die Umwandlung der Bewegung des Messstößels in die Anzeige der Kraft erfolgen muss, ebenfalls im Bereich der genannten Teilbereiche und im Bereich der Wirkachse der Kraft, was die Möglichkeiten der konstruktiven Ausgestaltung weiter einschränkt. Hieraus resultiert in der Regel ein verhältnismäßig groß bauendes Messgerät. Soll hingegen eine Verlagerung des Messstößels oder des Gehäuses der Messuhr von der Wirkachse der Kraft weg erfolgen, sind hierzu Verlagerungsarme, Umlenkgetriebe u. ä. erforderlich, welche den Bauaufwand und die Kosten erhöhen und unter Umständen die Messgenauigkeit des Messgeräts beeinträchtigen.
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Die Druckschrift
CN 201464088 U offenbart ein Messgerät mit einer Kraftmessstruktur, die hier als Kraftmessring ausgebildet ist. In einem Zwischenraum zwischen dem die Krafteinleitungsfläche bereitstellenden Teilbereich des Kraftmessrings und dem die Abstützfläche des Kraftmessrings bereitstellenden Teilbereich wird eine Querverformungseinrichtung verspannt, welche je nach Abstand der beiden Teilbereich des Kraftmessrings eine Querverformung erzeugt. Eine Messuhr ist hier derart angeordnet und orientiert, dass der Messstößel der Messuhr in einer Ebene quer zu der zu messenden Kraft translatorisch bewegt wird und mit seiner Stirnseite an einer Seitenfläche der Querverformungseinrichtung derart anliegt, dass mittels der Messuhr und der Bewegung des Messstößels die von der Querverformungseinrichtung erzeugte Querverformung gemessen wird. Die Messuhr wandelt dann die Bewegung des Messstößels unter Berücksichtigung einerseits des Steifigkeitsverhaltens der Kraftmessstruktur und andererseits des Querverformungsverhaltens der Querverformungseinrichtung um in die von der Messuhr angezeigte gemessene Kraft. In
CN 201464088 U ist die konstruktive Ausgestaltung der Querverformungseinrichtung nicht weiter beschrieben. Die konstruktive Gestaltung des Kraftmessrings zur Ermöglichung des Eintritts des Messstößels in einen Zwischenraum zwischen den beiden Teilbereichen des Kraftmessrings ist in
CN 201464088 U ebenfalls nicht näher beschrieben. Eine Verbindung des Kraftmessrings mit der Messuhr erfolgt über einen Spindeltrieb, über welchen die Position der Messuhr und damit die Nulllage des Messstößels in die Querrichtung einstellbar ist. Eine obere Teilstrebe des Kraftmessrings ist hier von einer grundsätzlich rechteckigen Platte gebildet, deren Längsseiten abseits der Krafteinleitungsfläche die Biegesteifigkeit der oberen Teilstrebe reduzierende konkave Einschnürungen aufweisen. Hingegen sind die seitlichen Teilstreben des Kraftmessrings mit einem sich in Richtung ihrer Mitte verringernden Querschnitt ausgebildet, wobei aber der minimale Querschnitt der seitlichen Teilstreben immer noch mehr als doppelt so groß ist wie der Querschnitt der oberen und unteren Teilstrebe. Somit erfolgt hier eine Verformung der Kraftmessstruktur vorrangig im Bereich der oberen und unteren Teilstrebe.
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Stand der Technik, in welchem komplexe Kraftmessstrukturen mit gelenkig miteinander verbundenen Teilstrukturen Einsatz finden, sind aus den Druckschriften
GB 737,667A ,
DE 27 12 217 A1 und
DE 28 12 755 B1 bekannt.
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Gemäß
DE 445 345 A erfolgt eine Verlagerung der Bewegung der Teilbereiche eines hier rechteckigen Kraftmessrings über einen U-förmigen, quer zur Längserstreckung des Kraftmessrings orientierten Übertragungsbügel. Mit der Verformung des Kraftmessrings erfolgt auch eine Verformung des Übertragungsbügels. Die Verformung des Übertragungsbügels wird im Endbereich des Übertragungsbügels dann mittels eines translatorisch bewegten Messstößels einer Messuhr erfasst.
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Gemäß
DE 875 275 B verfügen die obere und untere Teilstrebe eines Kraftmessrings über Verlängerungen, im Bereich welcher dann mittels eines translatorisch bewegten Messstößels einer Messuhr die Verformung gemessen wird.
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Gemäß
DE 20 2013 001 566 U1 ist eine hier elektronische Messuhr mit translatorisch bewegtem Messstößel in einen Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich eines Kraftmessrings integriert.
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DE 196 50 651 A1 offenbart eine Unterlage zur Abstützung einer Maschine. Die Unterlage soll einerseits Schwingungen der Maschine absorbieren und andererseits eine Messung der Gewichtskraft der Maschine ermöglichen, indem eine Verformung der Unterlage infolge der Gewichtskraft über eine Fühlerlehre erfasst wird.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
- - ein Messgerät,
- - ein Messgerät-Set und
- - eine Kraftmessstruktur vorzuschlagen,
welches oder welche insbesondere hinsichtlich
- - einer einfachen Ausgestaltung der Kraftmessstruktur,
- - eines Einsatzes eines einfachen Messprinzips,
- - einer Verwendung einer bekannten Messeinrichtung als kostengünstiges Zukaufteil,
- - der Abmessungen,
- - des Betrags der zu messenden Kraft,
- - der Messgenauigkeit,
- - einem Schutz gegen Beschädigungen und/oder
- - eines Einsatzes für unterschiedliche Kraftmessbereiche
verbessert ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen neuen Anwendungsbereich eines an sich bekannten Messgeräts vorzuschlagen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das erfindungsgemäße Messgerät, mit welchem die Messung einer Kraft erfolgen kann, verfügt über eine Kraftmessstruktur. Die Kraftmessstruktur dient dazu, eine hierauf wirkende und zu messende Kraft in Folge einer elastischen Verformung umzuwandeln in eine Verlagerung einer Messstelle der Kraftmessstruktur. Hierbei ist die Kraftmessstruktur vorzugsweise einstückig ausgebildet oder diese besteht aus mehreren fest miteinander verbundenen Bestandteilen, so dass die Kraftmessstruktur nicht mit Hebeln, Lenkern, Gelenken u. ä. ausgebildet ist, wie dieses für Ausführungsformen gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik der Fall ist. Somit ist die Kraftmessstruktur einfach und kostengünstig herstellbar und verfügt über ein reproduzierbares Verformungsverhalten.
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Erfindungsgemäß erfolgt erstmal die Messung der Verlagerung der Messstelle der Kraftmessstruktur nicht über eine Messuhr mit translatorisch bewegtem Messstößel, sondern vielmehr über ein Fühlhebelmessgerät. Ein Fühlhebelmessgerät kann (ebenso wie eine mit einem translatorisch bewegten Messstößel ausgebildete Messuhr) als Standard-Messgerät zu geringen Kosten bezogen oder hergestellt sein. Der Einsatz eines Fühlhebels eines Fühlhebelmessgeräts kann aber vorteilhaft im Rahmen der Erfindung genutzt werden, um die Verlagerung der Messstelle der Kraftmessstruktur in Folge der wirkenden Kraft lateral zu verlagern, womit eine Verbesserung der Bauraumverhältnisse herbeigeführt werden kann und insbesondere erstmalig eine Herstellung und Gestaltung der Kraftmessstruktur und des Messgeräts ermöglicht wird, bei welcher die Erstreckung der Kraftmessstruktur und des Messgeräts in die Richtung der wirkenden Kraft verhältnismäßig klein ist.
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Im Rahmen der Erfindung kann durchaus ein elektronisches oder digitales Fühlhebelmessgerät eingesetzt werden. Vorzugsweise findet aber ein mechanisches Fühlhebelmessgerät ohne jedwede Elektrik oder Elektronik Einsatz oder ein „analoges Messgerät“. Unter Umständen kann im Rahmen der Erfindung auch ausgenutzt werden, dass je nach Länge des in dem Fühlhebelmessgerät eingesetzten Fühlhebels auch eine hohe Genauigkeit der durchgeführten Messung gewährleistet werden kann.
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Während grundsätzlich der Einsatz von Fühlhebelmessgeräten beispielsweise für Rundlaufprüfungen an einer Drehmaschine oder unter engen Platzverhältnissen wie beim Rüsten an Werkzeugmaschinen erfolgt, überträgt die Erfindung die Nutzung des Fühlhebelmessgeräts auf einen neuen Einsatzzweck, nämlich hier die Nutzung für ein Messgerät zur Messung einer Kraft.
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Grundsätzlich kann die Kraftmessstruktur eine beliebige Geometrie aufweisen. Für einen Vorschlag der Erfindung ist die Kraftmessstruktur als Kraftmessring ausgebildet, welcher vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer (Quer-)Ebene ausgebildet ist, durch welche die Wirkachse der zu messenden Kraft verläuft. In diesem Fall ergibt sich auch eine symmetrische Beanspruchung der Kraftmessstruktur, womit sich dann im Idealfall eine lineare Verlagerung der Messstelle in Folge der auf die Kraftmessstruktur wirkenden Kraft ergibt. Um lediglich ein Beispiel zu nennen, kann der Kraftmessring o-förmig oder oval abgeplattet ausgebildet sein, wobei der Kraftmessring über seine Umfangserstreckung einen konstanten oder sich beliebig verändernden Querschnittsverlauf aufweisen kann.
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Insbesondere für den Fall, dass die Kraftmessstruktur (und damit unter Umständen auch das damit gebildete Messgerät) in eine Richtung quer zur Wirkachse der zu messenden Kraft eine geringe Dimension aufweisen soll, kann die Kraftmessstruktur auch als beispielsweise U-förmiger Kraftmessbügel ausgebildet sein, wobei die Kraft dann insbesondere auf einen Endbereich des Kraftmessbügels (für das genannte Ausführungsbeispiel eines U-förmigen Kraftmessbügels auf den freien Endbereich eines Längsschenkels) einwirkt und in diesem Endbereich auch die Messstelle für den Fühlhebel des Führhebelmessgeräts angeordnet ist.
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Für die Anordnung und Ausrichtung des Fühlhebels relativ zu der Kraftmessstruktur gibt es viele von der Erfindung umfasste Möglichkeiten. Möglich ist grundsätzlich, dass sich der Fühlhebel bspw. vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur (also für die genannten Beispiele vertikal zur Erstreckung des U des Kraftmessbügels oder vertikal zur Erstreckungsrichtung des (bspw. abgeplatteten O des) Kraftmessrings) aus einem Innenraum der Kraftmessstruktur heraus erstreckt. Damit führt der Fühlhebel die Verlagerung der Messstelle vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur aus dieser heraus, womit dann ein Gehäuse des Fühlhebelmessgeräts auch seitlich der Haupterstreckungsrichtung angeordnet sein kann. Vorzugsweise erstreckt sich aber der Fühlhebel parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur aus einem Innenraum der Kraftmessstruktur heraus. In diesem Fall wird die Verlagerung der Messstelle über den Fühlhebel somit in die Haupterstreckungsrichtung verlagert, so dass auch möglich ist, dass ein Gehäuse des Fühlhebelmessgeräts in der Haupterstreckungsrichtung vor oder hinter der Kraftmessstruktur angeordnet werden kann.
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Der genannte Innenraum der Kraftmessstruktur kann einerseits dazu dienen, einen Verformungsraum der Kraftmessstruktur bereit zu stellen. Andererseits kann die Kraftmessstruktur mit einer dem Innenraum zugewandten Fläche eine Messstelle bereitstellen, an welcher der Fühlhebel anliegt.
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Für den Fall, dass sich der Fühlhebel parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur aus dem Innenraum der Kraftmessstruktur heraus erstreckt, kann die Kraftmessstruktur um den Fühlhebel (mit ausreichendem Abstand für eine mögliche Bewegung des Fühlhebels) herum geführt sein. Für einen anderen Vorschlag der Erfindung weist eine Teilstrebe der Kraftmessstruktur eine Ausnehmung auf, durch welche sich dann der Fühlhebel erstrecken kann. Möglich ist, dass im Bereich der Ausnehmung die Teilstrebe der Kraftmessstruktur über eine Verzweigung übergeht in zwei Schenkel oder Strebenteile, zwischen denen sich dann der Fühlhebel erstreckt. Abseits des Fühlhebels laufen die beiden Schenkel dann wieder zusammen. In einer derartigen Ausführungsform erstreckt sich somit der Fühlhebel zumindest teilweise durch den Innenraum der Kraftmessstruktur und durch die Ausnehmung, womit der unter Umständen empfindliche Fühlhebel durch die Kraftmessstruktur geschützt ist und auch vermieden werden kann, dass der Fühlhebel durch einen anderen Gegenstand unbeabsichtigt ausgelenkt wird. Schließt ein Gehäuse des Fühlhebelmessgeräts unmittelbar an die Ausnehmung an, wobei dieses auch benachbart der Ausnehmung an der Kraftmessstruktur gehalten sein kann, ist der Fühlhebel nur in sehr geringem Umfang oder überhaupt nicht in der Haupterstreckungsebene der Kraftmessstruktur zugänglich. Hierdurch kann u. U. gewährleistet werden, dass das Messgerät mit dem Fühlhebelmessgerät auch robust gehandhabt werden kann, womit dieses im Extremfall sogar in eine Werkzeugkiste geworfen werden kann, ohne dass es zu auf den Fühlhebel einwirkenden und das Fühlhebelmessgerät beschädigenden Kräften kommen kann.
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Grundsätzlich sind beliebige Geometrien des Messgeräts möglich. Für einen Vorschlag der Erfindung ist die Erstreckung der Kraftmessstruktur in Richtung der Kraft kleiner als die Erstreckung der Kraftmessstruktur quer zu der Richtung der Kraft und in eine Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur. Dies kann sowohl für die Ausbildung der Kraftmessstruktur als Kraftmessring als auch für die Ausbildung der Kraftmessstruktur als Kraftmessbügel gelten.
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Für einen weiteren Vorschlag der Erfindung ist die Kraftmessstruktur mit einer Strebe beliebigen Querschnitts ausgebildet, welche für den Fall des Einsatzes eines Kraftmessrings in Umfangsrichtung um den Innenraum geschlossen ist, während diese im Fall des Kraftmessbügels offen ist. Für diesen Vorschlag der Erfindung weist die Kraftmessstruktur eine obere Teilstrebe auf. Für einen U-förmigen Kraftmessbügel ist die obere Teilstrebe der obere Längsschenkel des U, wobei die Kraftmessstruktur dann in Form des liegenden U eingesetzt ist. Findet hingegen ein O-förmiger Kraftmessring Einsatz, ist die obere Teilstrebe von dem oberen Querschenkel des O ausgebildet. Eine Oberseite der oberen Teilstrebe bildet in diesen Fällen einen Krafteinleitungsbereich aus. Hingegen bildet eine Unterseite der oberen Teilstrebe eine Messstelle für den Fühlhebel aus. Des Weiteren verfügt die Kraftmessstruktur über eine untere Teilstrebe. Für einen Kraftmessbügel in Form eines liegenden U handelt es sich bei der unteren Teilstrebe um den unteren Längsschenkel des U, während für einen O-förmigen Kraftmessring die untere Teilstrebe von dem unteren Querschenkel des O gebildet ist. Eine Unterseite der unteren Teilstrebe bildet für diesen Vorschlag der Erfindung einen Abstützbereich, mit welchem die Kraftmessstruktur an der Umgebung, insbesondere einer Unterlage abgestützt ist. An der unteren Teilstrebe ist ein Fühlhebelmessgerät-Haltebereich vorhanden, an welchem unmittelbar oder mittelbar das Fühlhebelmessgerät lösbar oder unlösbar gehalten ist.
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Für die Verbindung des Fühlhebelmessgeräts mit der Kraftmessstruktur gibt es im Rahmen der Erfindung vielfältige Möglichkeiten. Für einen Vorschlag der Erfindung findet hierzu ein Tragarm Einsatz, der in einem Endbereich an der Kraftmessstruktur befestigt ist, während an dem anderen Endbereich des Tragarms das Fühlhebelmessgerät gehalten werden kann. Hierbei kann für einen Vorschlag der Erfindung der Tragarm in die untere Teilstrebe der Kraftmessstruktur eingebettet sein. Eine derartige Einbettung kann so erfolgen, dass der Tragarm hinter dem Abstützbereich zurückversetzt ist, womit sich die Kraftmessstruktur ausschließlich über den von der Kraftmessstruktur gebildeten Abstützbereich an der Unterlage abstützt. Möglich ist aber auch, dass die Unterseite der Tragarms bündig zur Unterseite der unteren Teilstrebe der Kraftmessstruktur angeordnet ist, womit der Tragarm einen Beitrag zur Abstützung der Kraft an der Unterlage leisten kann.
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Eine lösbare Befestigung kann an einem Ende des Tragarms für die Befestigung desselben an der Kraftmessstruktur und/oder an dem anderen Ende des Tragarms für die Befestigung des Tragarms an dem Fühlhebelmessgerät vorhanden sein, wobei diese Befestigung auch eine Einstellmöglichkeit für die Position und/oder Ausrichtung zwischen Kraftmessstruktur, Tragarm und/oder Fühlhebelmessgerät beinhalten kann. Für einen Vorschlag der Erfindung ist aber das Fühlhebelmessgerät lösbar an dem Tragarm gehalten, so dass für die Verwendung des Fühlhebelmessgeräts für einen anderen Verwendungszweck oder die Montage des selben Fühlhebelmessgeräts mit unterschiedlichen Kraftmessstrukturen das Lösen und Verbinden des Fühlhebelmessgeräts über eine lösbare Schnittstelle mit dem Tragarm erfolgt.
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Während für den eingangs genannten Stand der Technik Ausführungsformen bekannt waren, bei welchen bevorzugt eine elastische Verformung der Kraftmessstruktur im Bereich der oberen Teilstrebe erfolgen sollte, findet gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine obere Teilstrebe Einsatz, die einen Verlauf des Flächenträgheitsmoments aufweist, bei dem sich das Flächenträgheitsmoments mit zunehmender Entfernung von dem Krafteinleitungsbereich in die Haupterstreckungsrichtung der Kraftmessstruktur verringert. Dies trägt den Beanspruchungen der oberen Teilstrebe derart Rechnung, dass im Bereich der Einwirkung der Kraft mit einem hohen wirkenden Biegemoment ein großes Flächenträgheitsmoment vorhanden ist, womit Durchbiegungen der oberen Teilstrebe zumindest reduziert sind. Ein minimales Flächenträgheitsmoment der oberen Teilstrebe in Endbereichen derselben kann sich dann in seitlichen Teilstreben der Kraftmessstruktur fortsetzen, wobei im Übergangsbereich von der oberen Teilstrebe zu seitlichen Teilstreben auch eine lokale oder sich über eine kleine Erstreckung erstreckende Verringerung des Flächenträgheitsmoments vorgesehen sein kann.
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Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung weisen die obere Teilstrebe und die untere Teilstrebe miteinander fluchtende Durchgangsausnehmungen (insbesondere Durchgangsbohrungen) auf, welche vorzugsweise koaxial zu der messenden Kraft angeordnet sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine besondere Messkonfiguration, mittels welcher bspw. eine Zugkraft in einer Schraube einer Schraubverbindung gemessen werden kann. In diesem Fall erstreckt sich die Schraube durch die fluchtenden Durchgangsausnehmungen. Ein Schraubenkopf ist dann unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Abstützelements an der Außenfläche der oberen oder unteren Teilstrebe abgestützt, während die Mutter der Schraube direkt oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Bauteils an der anderen von der oberen und unteren Teilstrebe abgestützt ist. Die sich aus dem Anzugsmoment ergebende Zugkraft der Schraube wirkt damit auf die obere und untere Teilstrebe, so dass mittels des Messgeräts in dieser Messkonfiguration die Zugkraft in der Schraube ermittelt werden kann.
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Für den Fall, dass das Messgerät als analoges, rein mechanisches Messgerät ausgebildet ist, kann das eingesetzte Fühlhebelmessgerät über eine Messskala verfügen, welche den Weg des Kontaktpunkts des Fühlhebels mit der Messstelle der Kraftmessstruktur anzeigt. Um dann aus dem angezeigten Weg auf die gemessene Kraft zu schließen, muss der Benutzer eine Umrechnung des gemessenen Wegs vornehmen, welche einerseits das Steifigkeitsverhalten der Kraftmessstruktur und die Messcharakteristik des Fühlhebelmessgeräts berücksichtigt. Für einen Vorschlag der Erfindung weist das Fühlhebelmessgerät eine mit einer Krafteinheit versehene Messskala auf, deren Skalierung bereits die zuvor genannte Umrechnung berücksichtigt, so dass der Benutzer unmittelbar die gemessene Kraft ablesen kann.
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Für die Gewährleistung einer ausreichenden Messgenauigkeit kann unter Umständen eine Kalibrierung des Messgeräts erforderlich sein. Eine derartige Kalibrierung kann beispielsweise
- - die Steifigkeit der Kraftmessstruktur,
- - Abweichungen der Steifigkeit infolge von Fertigungsungenauigkeiten der Kraftmessstruktur,
- - Temperatureinflüsse,
- - eine Messcharakteristik des Fühlhebelmessgeräts und
- - sich infolge der Montage ergebende Abweichungen der Position und Ausrichtung des Fühlhebelmessgeräts relativ zu der Kraftmessstruktur
berücksichtigen. Für eine Kalibrierung schlägt die Erfindung insbesondere folgende Maßnahmen vor:
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Für einen Vorschlag der Erfindung kann die Kraftmessstruktur individuell nachbearbeitet werden. So kann beispielsweise werkseitig eine Fertigung der Kraftmessstruktur erfolgen und dann mit einem beliebigen Messverfahren (u. U. auch ohne Einsatz eines Fühlhebelmessgeräts) eine Verformung der Messstelle der Kraftmessstruktur in Folge einer definierten Prüflast gemessen werden. Stimmt die gemessene Verformung nicht mit einer Soll-Verformung überein, kann eine individuelle Nachbearbeitung, insbesondere durch beispielsweise fräsende Nachbearbeitung der Kraftmessstruktur erfolgen, bis die Soll-Verformung in Folge der definierten Prüflast erzeugt wird.
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Möglich ist auch, dass werkseitig Fühlhebel mit individuellen, in kleinen Abstufungen bereitgestellte Fühlhebellängen bereitgestellt werden. Wird dann das Messgerät mit der Kraftmessstruktur und einem Fühlhebelmessgerät mit einem dieser Fühlhebel mit einer Prüflast beaufschlagt und stellt sich nicht eine Anzeige der Soll-Kraft ein, kann eine Verwendung eines Fühlhebels mit einer veränderten Fühlhebellänge erfolgen, so dass die Soll-Kraft angezeigt wird.
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Findet hingegen eine elektronische Ausbildung des Fühlhebelmessgeräts Einsatz, kann eine Berücksichtigung eines individuellen Kalibrierfaktors erfolgen, der beispielsweise auf Grundlage einer Beaufschlagung mit einer konstanten Prüfkraft oder auch mit einer veränderlichen Prüfkraft, die über einen eine Kraft erzeugenden Aktuator erzeugt wird, ermittelt wird. Ein derartiger individueller Kalibrierfaktor, welcher auch als Kalibrierkurve oder als Kalibrier-Kennfeld ausgebildet sein kann, kann in einer Speichereinheit einer Steuereinheit abgelegt oder auch angelernt werden und dann bei einer Nutzung des Messgeräts abgerufen werden.
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Für einen anderen Vorschlag der Erfindung kann eine Kalibrierung derart erfolgen, dass das Fühlhebelmessgerät eine individuelle, an die jeweiligen Gegebenheiten eines Messgeräts individuell angepasste Messskala aufweist.
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Ebenfalls möglich ist, dass eine Kalibrierung mittels einer Einstelleinrichtung erfolgt, mittels welcher das Fühlhebelmessgerät an der Kraftmessstruktur gehalten ist. Über die Einstelleinrichtung kann die Position und/oder Ausrichtung des Fühlhebels oder des Gehäuses des Fühlhebelmessgeräts so verändert werden, dass das Messgerät bei einer Prüfkraft die Soll-Kraft anzeigt.
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Für den Fall, dass besondere Vorkehrungen dafür getroffen werden sollen, dass keine Beschädigung des Fühlhebelmessgeräts auftritt, wenn das Messgerät mit zu großen Kräften beaufschlagt wird, schlägt die Erfindung für eine Ausgestaltung vor, dass das Fühlhebelmessgerät eine Rutschkupplung aufweist, welche die mechanische Übertragung einer Verschwenkung des Fühlhebels zu anderen Komponenten des Fühlhebelmessgeräts mit Überschreiten eines Schwellwerts der Bewegung des Fühlhebels unterbricht.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Überbeanspruchung des Fühlhebelmessgeräts vermieden werden, wenn die Kraftmessstruktur so dimensioniert ist, dass die Kraftmessstruktur für das Erreichen eines Schwellwerts der Kraft „auf Block“ geht. Dies kann dadurch erfolgen, dass die obere Teilstrebe in einem Teilbereich (vorzugsweise abseits der Messstelle) zur Anlage an die untere Teilstrebe kommt.
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Die Einleitung der Kraft in die Kraftmessstruktur kann grundsätzlich auf beliebige Weise erfolgen. Für einen Vorschlag der Erfindung erfolgt die Einleitung der Kraft im Bereich des Krafteinleitungsbereichs über einen Kugeldruckring oder eine Kegelpfanne, womit insbesondere die Einleitung von unerwünschten Querkräften auf die Kraftmessstruktur vermieden wird, welche Messungen verfälschen könnten.
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Für eine konkrete konstruktive Ausgestaltung ist die Kraftmessstruktur als ein Kraftmessbügel mit zwei Kraftmessstrukturteilen ausgebildet. In einer Projektion in eine quer zur Wirkachse der Kraft orientierte Ebene sind die Kraftmessstrukturteile U-förmig ausgebildet. Diese verfügen jeweils über einen Querschenkel und zwei parallele Längsschenkel. Der Querschenkel des U-förmigen Kraftmessstrukturteils bildet dann den Krafteinleitungsbereich, während der Querschenkel des anderen U-förmigen Kraftmessstrukturteils den Abstützbereich ausbildet. Die beiden Längsschenkel der U-förmigen Kraftmessstrukturteile sind aufeinander zu gekrümmt und in ihren Endbereichen miteinander verbunden. In diesem Fall kann die Ausnehmung der Kraftmessstruktur, durch welche der Fühlhebel des Fühlhebelmessgeräts hindurchtritt, von den beiden sich ergänzenden U-Formen begrenzt sein.
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Für eine alternative Ausführungsform ist die Kraftmessstruktur als ein Kraftmessring mit zwei Kraftmessstrukturteilen ausgebildet. In diesem Fall sind die Kraftmessstrukturteile jeweils in Projektion in eine quer zur Wirkachse der Kraft orientierte Ebene H-förmig ausgebildet. Die Kraftmessstrukturteile verfügen jeweils über einen Querschenkel und zwei Paare paralleler Längsschenkel. Der Querschenkel eines H-förmigen Kraftmessstrukturteils bildet dann den Krafteinleitungsbereich aus, während der Querschenkel des anderen H-förmigen Kraftmessstrukturteils den Abstützbereich ausbildet. Die Paare der Längsschenkel der H-förmigen Kraftmessstrukturteile sind aufeinander zu gekrümmt und die Endbereiche sind miteinander verbunden. In diesem Fall kann die Ausnehmung, durch welche der Fühlhebel des Fühlhebelmessgeräts durch eine seitliche Teilstrebe der Kraftmessstruktur hindurchtritt, von sich ergänzenden Zwischenräumen der H-förmigen Kraftmessstrukturteile begrenzt sein.
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Für die genannten beiden Ausführungsformen sind die beiden Kraftmessstrukturteile vorzugsweise in einer fiktiven Teilungsebene der Kraftmessstruktur geteilt, welche bei der halben Erstreckung der Kraftmessstruktur in Richtung der Wirkachse der Kraft angeordnet ist.
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Durchaus möglich ist, dass ein Messgerät mit einer zugeordneten Kraftmessstruktur (mit geeigneter Kalibrierung) vertrieben wird. Unter Umständen kann aber auch gewünscht sein, dass Messungen von Kräften in unterschiedlichen Kraftbereichen durchgeführt werden können. Sofern diese Kraftbereiche so unterschiedlich oder so groß sind, dass dies nicht mit einer Kombination einer Kraftmessstruktur mit einem Fühlhebelmessgerät möglich ist, schlägt die Erfindung ein Messgerät-Set vor, bei welchem ein Messgerät mit mindestens zwei unterschiedlich gestalteten und/oder dimensionierten Kraftmessstrukturen betrieben werden kann. Hierbei erzielt dieselbe Kraft an den unterschiedlich dimensionierten Kraftmessstrukturen unterschiedliche Verformungen der Messstellen der Kraftmessstrukturen. Andererseits kann eine unterschiedliche auf die unterschiedlichen Kraftmessstrukturen wirkende Kraft zu derselben Auslenkung der Messstelle führen. Somit kann für die unterschiedlichen Kraftbereiche die Messung mit demselben Fühlhebelmessgerät erfolgen, wobei dann unter Umständen eine Umrechnung des an dem Fühlhebelmessgerät angezeigten Werts je nach verwendeter Kraftmessstruktur und der Steifigkeit derselben erfolgen muss. Unter Umständen kann auch eine Verwendung unterschiedlicher Messskalen an demselben Fühlhebelmessgerät je nach verwendeter Kraftmessstruktur erfolgen.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe stellt die erstmalige Verwendung eines an sich bekannten Fühlhebelmessgeräts für eine Messung einer Verformung einer Kraftmessstruktur in Folge einer Kraft dar.
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Schließlich schlägt die Erfindung zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe eine Kraftmessstruktur vor, welche für ein Messgerät bestimmt ist, wie dieses zuvor erläutert worden ist. Die Kraftmessstruktur weist eine obere Teilstrebe auf, deren Oberseite einen Krafteinleitungsbereich ausbildet und deren Unterseite eine Messstelle für den Fühlhebel ausbildet. Des Weiteren weist die Kraftmessstruktur eine untere Teilstrebe auf. Diese bildet an der Unterseite einen Abstützbereich aus. Abweichend zu dem Stand der Technik ist an der unteren Teilstrebe ein Fühlhebelmessgerät-Haltebereich vorhanden, im Bereich dessen die Kraftmessstruktur (unmittelbar oder unter Zwischenordnung mindestens eines weiteren Bauteils wie beispielsweise eines Tragarms) mit einem Fühlhebelmessgerät verbindbar ist.
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Möglich ist, dass die Kraftmessstruktur im Rahmen der Erfindung auch einzelne oder sämtliche der zuvor erläuterten strukturellen Merkmale der Kraftmessstruktur aufweist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Strebe oder Teilstrebe die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Strebe oder Teilstrebe, zwei Streben oder Teilstreben oder mehr Streben oder Teilstreben vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt in einer räumlichen Ansicht schräg von oben ein Messgerät mit einer als Kraftmessring ausgebildeten Kraftmessstruktur, einem Fühlhebelmessgerät und einem Tragarm.
- 2 zeigt das Messgerät gemäß 1 in einer Vorderansicht.
- 3 zeigt das Messgerät gemäß 1 und 2 in einer Draufsicht.
- 4 zeigt in einer räumlichen Einzelteil-Ansicht eine Kraftmessstruktur.
- 5 zeigt in einer Vorderansicht ein Messgerät mit einer als Kraftmessbügel ausgebildeten Kraftmessstruktur, einem Fühlhebelmessgerät und einem Tragarm.
- 6 zeigt eine Draufsicht auf das Messgerät gemäß 5.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in den 1 bis 3 dargestellte Messgerät 1 verfügt über eine Kraftmessstruktur 2, ein Fühlhebelmessgerät 3 und einen Tragarm 4, über den das Fühlhebelmessgerät 3 an der Kraftmessstruktur 2 in fester oder einstellbarer Relativposition und -ausrichtung gehalten ist.
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Die Kraftmessstruktur 2 ist als Kraftmessring 5 ausgebildet. Der Kraftmessring 5 hat eine Haupterstreckungsebene 6, welche parallel zu einer x-z-Ebene ausgebildet ist, sowie eine Haupterstreckungsrichtung 7, die in Richtung der maximalen Dimension des Kraftmessrings 5 und parallel zu einer x-Achse orientiert ist. Die Haupterstreckungsebene 6 entspricht der Zeichenebene gemäß 2, wobei die Haupterstreckungsrichtung 7 in 2 horizontal orientiert ist.
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Der Kraftmessring 5 ist hier mit einer geschlossenen, umlaufenden Strebe 8 gebildet. Die Strebe 8 begrenzt bei einer Blickrichtung vertikal zur Haupterstreckungsebene 6 in Umfangsrichtung umlaufend einen Innenraum 9, welcher vertikal zur Haupterstreckungsebene 6 der Kraftmessstruktur durchgehend ausgebildet ist. In grober Näherung kann die Außengeometrie der Kraftmessstruktur 2 oder der Strebe 8 in der Vorderansicht gemäß 2 als abgeplattete O-Form bezeichnet werden.
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Die Kraftmessstruktur 2 und die Strebe 8 verfügen über eine obere Teilstrebe 10 und eine untere Teilstrebe 11. Die obere Teilstrebe 10 und die untere Teilstrebe 11 werden bei paralleler Orientierung zueinander über seitliche Teilstreben 12, 13 auf Abstand gehalten. Hierbei sind die obere Teilstrebe 10 und die untere Teilstrebe 11 geradlinig ausgebildet mit einer Oberseite 14 der oberen Teilstrebe 10, die parallel zu einer Unterseite 15 der unteren Teilstrebe 11 orientiert ist. Hingegen sind die seitlichen Teilstreben 12, 13 konvex, insbesondere halb-hohlzylindrisch oder halbringförmig, ausgebildet.
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Die Kraftmessstruktur 2 ist spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 16 ausgebildet, die vertikal zur Haupterstreckungsebene 6 orientiert ist, welche eine y-z-Ebene entspricht und durch welche eine Wirkachse 17 einer zu messenden Kraft 18 verläuft.
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Die Teilstreben 10, 11 verfügen über einen Höhenverlauf entsprechend einem gleichschenkligen und symmetrischen Trapez, wobei die längeren Grundseiten voneinander abgewandt sind und die Oberseite 14 bzw. die Unterseite 15 bilden. Hingegen sind die kürzeren Grundseiten einander zugewandt und bilden eine Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 sowie eine Oberseite 20 der unteren Teilstrebe 11.
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Die seitlichen Teilstreben 12, 13 sind halb-hohlzylinderförmig oder kreisringförmig ausgebildet, wobei diese eine konstante Dicke aufweisen können oder der Verlauf der Dicken von beiden Umfangsseiten in Richtung einer Neun-Uhr-Position der seitlichen Teilstrebe 12 bzw. einer Drei-Uhr-Position der Teilstrebe 13 kontinuierlich zunehmen kann.
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Die obere Teilstrebe 10 und die untere Teilstrebe 11 gehen sowohl im Bereich der Oberseiten 14, 20 als auch Bereich der Unterseiten 15, 19 ohne Sprung oder Knick über in die seitlichen Teilstreben 12, 13. Möglich ist, dass im Bereich des Übergangs der Querschnitt der Kraftmessstruktur 2 minimal ist.
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In der Haupterstreckungsebene 6 verfügt der Innenraum 9 über eine hantelförmige Kontur oder eine Kontur entsprechend der Zahl 8, wobei der Kreuzungspunkt der Zahl 8 von der Unterseite 19 und der Oberseite 20 gebildet ist und somit in Richtung der Haupterstreckungsrichtung langgestreckt ist.
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Die Kraftmessstruktur 2 ist auch symmetrisch zu einer imaginären Teilungsebene oder Symmetrieebene 26 ausgebildet, die vertikal zur Wirkachse 17 der Kraft 18 orientiert ist, parallel zur x-y-Ebene orientiert ist und imaginär die Kraftmessstruktur 2 hälftig in ihrer Erstreckung entlang der Wirkachse 17 teilt in ein oberes Kraftmessstrukturteil 21 sowie ein unteres Kraftmessstrukturteil 22. Hierbei bildet das obere Kraftmessstrukturteil 21 die obere Teilstrebe 10 und die oberen Hälften der seitlichen Teilstreben 12, 13, während das untere Kraftmessstrukturteil 22 die untere Teilstrebe 11 und die unteren Hälften der seitlichen Teilstreben 12, 13 bildet.
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In einer Projektion der Kraftmessstruktur 2 in die vorgenannte, quer zur Wirkachse der Kraft 18 orientierten Ebene (vgl. 3), die der Symmetrieebene 26 entspricht, sind die Kraftmessstrukturteile 21, 22 H-förmig ausgebildet. Hierbei ist in den Kraftmessstrukturteilen 21, 22 jeweils das H mit einem in y-Richtung orientierten Querschenkel sowie Paaren paralleler Längsschenkel 24a, 24b sowie 25a, 25b, die mit unterschiedlichem Richtungssinn in Richtung der x-Achse orientiert sind, gebildet. Der Querschenkel 23 und hieran anschließende Teilabschnitte der Längsschenkel 24a, 24b, 25a, 25b bilden dabei die obere Teilstrebe 10 bzw. die untere Teilstrebe 11, während die außen liegenden verbleibenden Abschnitte der Längsschenkel 24a, 24b, 25a, 25b gekrümmt sind und eine Hälfte der seitlichen Teilstreben 12, 13 bilden. Die Längsschenkel 24a, 24b, 25a, 25b sind in ihren Endbereich miteinander verbunden.
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Zwischen den Längsschenkeln 24a, 24b, 25a, 25b ergeben sich Zwischenräume 27a, 27b, welche Ausnehmungen 28a, 28b bilden, durch die der Innenraum 9 der Kraftmessstruktur 2 von außen in die Haupterstreckungsrichtung 7 zugänglich ist. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Zwischenraum 27 nicht lediglich im Bereich der seitlichen Teilstreben 12, 13, sondern auch über einen Abschnitt der Teilstreben 10, 11, so dass, wie insbesondere in 3 zu erkennen ist, der Zwischenraum 27 in eine Richtung parallel zur Wirkachse 17 durchgehend ist. Anders gesagt ist in der Draufsicht gemäß 3 die Kraftmessstruktur 2 auf beiden Seiten von der Symmetrieebene 16 gabelförmig mit zwei von den Paaren der Längsschenkel 24a, 24b, 25a, 25b gebildeten Zinken ausgebildet.
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Die Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 bildet eine Messstelle 29 aus. Die Oberseite 14 der oberen Teilstrebe 10 bildet einen Krafteinleitungsbereich 30 aus. Die Unterseite 15 der unteren Teilstrebe 11 bildet einen Abstützbereich 31 aus. Koaxial zur Wirkachse 17 verfügt die Kraftmessstruktur 2 über durchgehende, die Teilstreben 10, 11 durchsetzende Durchgangsausnehmungen 32, 33.
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An der unteren Teilstrebe 11 ist im Bereich eines Fühlhebelmessgerät-Haltebereichs 44 der Tragarm 4 befestigt. Möglich ist, dass der Tragarm 4 integral von der Kraftmessstruktur 2 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist aber der Tragarm 4 in die untere Teilstrebe 11 der Kraftmessstruktur 2 derart eingebettet, dass eine Unterseite 34 des Tragarms 4 bündig zu der Unterseite 15 der untere Teilstrebe 11 ausgebildet ist. Für eine derartige Einbettung des Tragarms 4 in die untere Teilstrebe 11 kann die Kraftmessstruktur 2 über eine Aufnahmenut oder eine anderweitige Ausnehmung verfügen, innerhalb welcher sich dann ein Abschnitt des Tragarms 4 erstrecken kann. Möglich ist, dass der Tragarm 4 auch über eine Passung Aufnahme findet in einer derartigen Nut oder Ausnehmung, so dass die Position und Ausrichtung des Tragarms 4 gegenüber der Kraftmessstruktur 2 exakt vorgegeben sind. Möglich ist, dass der Tragarm 4 mit der Kraftmessstruktur 2, insbesondere im Bereich der unteren Teilstrebe 11, verschweißt, verklebt, verschraubt oder anderweitig befestigt ist. Schließlich ist auch möglich, dass die relative Orientierung und Position des Tragarms 4 gegenüber der Kraftmessstruktur 2 über eine Einstelleinrichtung vorgegeben und angepasst werden kann. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Tragarm 4 parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 7 der Kraftmessstruktur 2.
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In dem außenliegenden Endbereich 4 trägt der Tragarm 4 das Fühlhebelmessgerät 3. Möglich ist, dass eine Vorgabe der Lage und Orientierung des Fühlhebelmessgeräts 3 relativ zu dem Tragarm 4 über eine Passverbindung erfolgt, die Befestigung über eine Schweiß-, Schraub- oder Klebeverbindung erfolgt und/oder eine Einstelleinrichtung zur Veränderung der relativen Position und Orientierung des Fühlhebelmessgeräts 3 gegenüber dem Tragarm 4 vorhanden ist.
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Gesehen in der Haupterstreckungsrichtung 7 ist das Fühlhebelmessgerät 3, insbesondere ein Gehäuse 35 desselben, teilweise, größtenteils oder vollständig außerhalb oder seitlich von der Kraftmessstruktur 2 angeordnet. Ein Fühlhebel 36 erstreckt sich aus dem Gehäuse 35 durch die Ausnehmung 28b in den Innenraum 9 der Kraftmessstruktur 2. Ein Kontaktelement 37 des Fühlhebels 36, welches vorzugsweise in dem in den Innenraum 9 hineinragenden Endbereich des Fühlhebels 36 angeordnet ist, liegt im Bereich der Messstelle 29 an der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 an.
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Das Fühlhebelmessgerät 3 verfügt über eine Anzeige 38 mit einer Messskala 39 und einem Zeiger 40, welche in den Figuren nicht in konstruktiver Ausgestaltung dargestellt sind. Das Fühlhebelmessgerät 3 erzeugt eine Bewegung des Zeigers 40 entlang der Messskala 39 entsprechend der Verlagerung des Kontaktelements 37 und somit der Messstelle 29 der Kraftmessstruktur 2 infolge der Kraft 18. Die Einteilung der Messskala 39 ist derart, dass an der Messskala 39 der Betrag der Kraft 18 (welche über die Steifigkeit der Kraftmessstruktur 2 in Richtung der Wirkachse 17 mit der Verlagerung der Messstelle 29 in Richtung der Wirkachse 17 korreliert) abgelesen werden kann.
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Für eine erste Anwendung des Messgeräts 1 wird die Kraftmessstruktur 2 mit daran über dem Tragarm 4 gehaltenen Fühlhebelmessgerät 3 mit der Unterseite 15 auf eine Unterlage gelegt. In dem Krafteinleitungsbereich 30 wird dann die Kraftmessstruktur 2 mit einer zu messenden Kraft 18 beaufschlagt, was dazu führt, dass an der Unterseite 15 die in 2 dargestellte Reaktionskraft wirkt. Diese Beaufschlagung führt zu der elastischen Verformung der Kraftmessstruktur 2, die zu einer Verlagerung der Messstelle 29 entlang der Wirkachse 17 führt, welche von dem Fühlhebel 36 erfasst wird, so dass an der Anzeige 38 mittels des Zeigers 40 und der Messskala 39 der Betrag der zu messenden Kraft 18 abgelesen werden kann.
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Möglich ist, dass eine Begrenzung der Verformung der Kraftmessstruktur 2 dadurch erfolgen kann, dass mit Erreichen eines Schwellwerts der Kraft 18 die Oberseite 20 der unteren Teilstrebe 11 zur Anlage an die Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 kommt, womit die Kraftmessstruktur 2 „auf Block“ geht. Um dies zu ermöglichen und eine Beschädigung des Fühlhebels 36 zu vermeiden, kann die Unterseite 19 und/oder die Oberseite 20 über eine Nut verfügen, innerhalb welcher sich mit einem Spiel der Fühlhebel 36 erstrecken kann, wenn die Kraftmessstruktur 2 auf Block geht.
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Soll die Messung einer Kraft 18 in einem anderen Kraftbereich erfolgen, kann das Fühlhebelmessgerät 3 (mit oder ohne Tragarm 4) von der Kraftmessstruktur 2 demontiert werden und dasselbe Fühlhebelmessgerät 3 kann (mit oder ohne den Tragarm 4) dann in Verbindung mit einer Kraftmessstruktur 2 verwendet werden, welche eine andere Steifigkeit in Richtung der Wirkachse 17 besitzt und beispielsweise dieselbe Geometrie aufweist, aber größer oder kleiner ausgebildet ist.
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Für eine zweite Anwendung kann das Messgerät 1 verwendet werden, um eine Zugkraft in einem Zugelement wie einer Schraube zu messen, was im Folgenden für das Beispiel einer Schraube erläutert wird. In diesem Fall erstreckt sich die Schraube durch die Durchgangsausnehmung 32, 33. Ein Kopf der Schraube ist (unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Bauelements) an der Unterseite 15 der unteren Teilstrebe 11 abgestützt, während die Mutter der Schraube (unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Bauelements) an der Oberseite 14 der oberen Teilstrebe 10 abgestützt ist. Wird dann die Schraubverbindung angezogen, wirkt die Zugkraft der Schraube auf die Kraftmessstruktur 2, so dass mit dem Messgerät 1 die Zugkraft der Schraube gemessen werden kann.
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Wie in 4 zu erkennen ist, ist auch möglich, dass die Kraftmessstruktur 2 über vorzugsweise parallel zur Wirkachse 17 orientierte Gewindebohrungen verfügt, über welche eine Anbindung von die Kraft 18 applizierenden oder abstützenden Bauelementen erfolgen kann.
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5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Messgeräts 1, bei welcher die Kraftmessstruktur 2 nicht als Kraftmessring 5, sondern als Kraftmessbügel 41 ausgebildet ist. Hierbei entspricht der Kraftmessbügel 41 einer Hälfte des Kraftmessrings 5 bei Trennung des Kraftmessrings 5 in der Symmetrieebene 16. In diesem Fall ist der Innenraum 9 nicht randgeschlossen. Vielmehr verfügt der Innenraum 9 auf der dem Fühlhebelmessgerät 3 gegenüberliegenden Seite über eine Öffnung 42.
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Die Erstreckung der Kraftmessstruktur 2 in Richtung der Wirkachse 17 ist sowohl für die Ausbildung als Kraftmessring 5 als auch für die Ausbildung als Kraftmessbügel 41 größer als die Erstreckung des Fühlhebelmessgeräts 3 in Richtung der Wirkachse 17.
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Infolge der symmetrischen Gestaltung des Kraftmessrings 5 erfolgt eine Verformung des Kraftmessrings 5 derart, dass unabhängig von der Verformung die Teilstreben 10, 11 parallel zueinander orientiert bleiben. Möglich ist, dass mehr als 50%, mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80%, mehr als 90% oder sogar mehr als 95 % der Verlagerung der Messstelle 29 des Kraftmessrings 5 durch eine Verformung der seitlichen Teilstreben 12, 13 und/oder einer Einschnürung 43 im Bereich des Übergangs von den Teilstreben 10, 11 zu den Teilstreben 12, 13 herbeigeführt wird, während ein kleinerer Teil der Verlagerung der Messstelle 29 auf einer elastischen Verformung der Teilstreben 10, 11 beruht. Infolge der parallelen Verlagerung der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 ist eine exakte Positionierung des Kontaktelements 37 an der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 des Kraftmessrings 5 in Richtung der Haupterstreckungsrichtung 7 nicht zwingend erforderlich.
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Anders verhält es sich für den Kraftmessbügel 41 gemäß 5 und 6: Während auch hier möglich ist, dass vorrangig die Verformung und damit die Verlagerung der Messstelle 29 im Bereich der seitlichen Teilstrebe 12 erzeugt wird, verändert sich je nach Verformung der Winkel zwischen der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 und der Oberseite 20 der unteren Teilstrebe 11. Demgemäß ist eine exakte Positionierung des Kontaktelements 37 an der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 erforderlich. Andererseits kann durch eine unter Umständen geringfügige Veränderung der Position der Messstelle 29, im Bereich welcher das Kontaktelement 37 an der Unterseite 19 der oberen Teilstrebe 10 anliegt, in Richtung der Haupterstreckungsrichtung 7 auch eine Einstellung oder Kalibrierung des Messgeräts 1 erfolgen.
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Unter einem Fühlhebelmessgerät im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere
- a) ein Fühlhebelmessgerät wie auf der Internetseite
https://de.wikipedia.org/wiki/fühlhebelmessgerät
beschrieben und/oder
- b) wie in der Norm DEN EN ISO 9493:2011-3 spezifiziert und/oder
- c) ein Messgerät, bei welchem
- - ein ein Kontaktelement aufweisender Fühlhebel verschwenkbar gegenüber einem Gehäuse gelagert ist und
- - über ein beliebiges physikalisches Messprinzip (insbesondere unter mechanischer, analoger, elektrischer oder elektronsicher Verarbeitung) an einer beliebig gestalteten Anzeige (insbesondere eine digitale Anzeige, eine analoge Anzeige oder eine Anzeige mit einem entlang einer Messskala bewegten Zeiger) ein Messwert angezeigt wird, welcher mit der Verschwenkung des Fühlhebels korreliert.
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Sofern in der vorliegenden Anmeldung oder den Patentansprüchen von „vertikal“ oder „parallel“ die Rede ist, umfasst dies sowohl eine exakt vertikale oder parallele Ausrichtung als auch eine Ausrichtung, welche gegenüber einer vertikalen Ausrichtung oder einer vertikalen Ausrichtung um weniger als ± 15° weniger als ± 10°, weniger als ± 5°, weniger als ± 2° oder sogar weniger als ± 1 ° abweicht.
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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Konzepts ist nicht auf die hier dargestellten Kraftmessstrukturen 2, den dargestellten Tragarm 4 und das dargestellte Fühlhebelmessgerät 3 beschränkt. Vielmehr können im Rahmen der Erfindung beliebige andere, beispielsweise aus dem eingangs genannten oder anderen Stand der Technik bekannte Kraftmessstrukturen 2, Fühlhebelmessgeräte 3 oder Tragarme 4 eingesetzt werden.
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Für die Erläuterung des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 und der erfindungsgemäßen Kraftmessstruktur 2 wird ein orthogonales x-y-z- Achsensystem verwendet. Die Wirkachse 17 der Kraft 18 ist hierbei parallel zur z-Achse orientiert oder entspricht dieser. Die Haupterstreckungsebene 6 der Kraftmessstruktur 2 ist parallel zu der x-z-Ebene orientiert oder entspricht dieser. Sowohl für die Ausbildung der Kraftmessstruktur 2 als Kraftmessring 5 als auch für die Ausbildung der Kraftmessstruktur 2 als Kraftmessbügel 41 ist eine Symmetrieebene 26 vorhanden, die parallel zur x-y-Ebene orientiert ist oder dieser entspricht. Für die Ausbildung der Kraftmessstruktur 2 als Kraftmessring 5 ist eine weitere Symmetrieebene 16 vorhanden, die parallel zur y-z-Ebene orientiert ist oder dieser entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Kraftmessstruktur
- 3
- Fühlhebelmessgerät
- 4
- Tragarm
- 5
- Kraftmessring
- 6
- Haupterstreckungsebene
- 7
- Haupterstreckungsrichtung
- 8
- Strebe
- 9
- Innenraum
- 10
- obere Teilstrebe
- 11
- untere Teilstrebe
- 12
- seitliche Teilstrebe
- 13
- seitliche Teilstrebe
- 14
- Oberseite der oberen Teilstrebe
- 15
- Unterseite der unteren Teilstrebe
- 16
- Symmetrieebene
- 17
- Wirkachse
- 18
- zu messende Kraft
- 19
- Unterseite der oberen Teilstrebe
- 20
- Oberseite der unteren Teilstrebe
- 21
- oberes Kraftmessstrukturteil
- 22
- unteres Kraftmessstrukturteil
- 23
- Querschenkel
- 24
- Längsschenkel
- 25
- Längsschenkel
- 26
- imaginäre Teilungsebene oder Symmetrieebene
- 27
- Zwischenraum
- 28
- Ausnehmung
- 29
- Messstelle
- 30
- Krafteinleitungsbereich
- 31
- Abstützbereich
- 32
- Durchgangsausnehmung
- 33
- Durchgangsausnehmung
- 34
- Unterseite des Tragarms
- 35
- Gehäuse des Fühlhebelmessgeräts
- 36
- Fühlhebel
- 37
- Kontaktelement
- 38
- Anzeige
- 39
- Messskala
- 40
- Zeiger
- 41
- Kraftmessbügel
- 42
- Öffnung
- 43
- Einschnürung
- 44
- Fühlhebelmessgerät-Haltebereich
