DE2802176B2 - Kraftmeßgerät in Dehnungsmeßstreifentechnik, insbesondere für die Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen - Google Patents
Kraftmeßgerät in Dehnungsmeßstreifentechnik, insbesondere für die Untersuchung von WerkstoffprüfmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen im wesentlichen kreiszylindrischen Meßkörper zum Messen von Kräften über
die an ihm durch die Krafteinwirkung auftretende Verformung mit nahezu die gesamte Meßlänge
erfassenden langen und parallel zu den Mantellinien applizierten Dehnungsmeßstreifen und mit hierzu um
90° gedrehten, also in Umfangsrichtung sich erstreckenden, zur Brückenergänzung dienenden Dehnungsmeßstreifen,
wobei die mit Dehnungsmeßstreifen bestückten Mantellinien gleichmäßig über den Umfang verteilt sind,
wobei jeder dieser Mantellinien beide Dehnungsmeßstreifen-Arten zugeordnet sind und wobei mindestens
zwei um 180° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Mantellinien mit solchen Dehnungsmeßstreifen
versehen sind.
Im Rahmen einer Werkstoffpriifmaschinen-Untersuchung
muß u. a. der Anzeigefehler der Kraftmeßeinrichtung bestimmt werden. Außerdem ist die Maschine
hinsichtlich der Möglichkeit einer axialen Beanspruchung der eingebauten Proben zu kontrollieren. Das
geschieht mit Hilfe von Zugstäben bzw. Druckkörpern, die anstelle der Proben in -der Maschine einer
ri elastischen Verformung unterworfen werden. Aus der
gemessenen Verformung ergibt sich der Betrag der Kraft und die Axialität der Beanspruchung.
Eine derartige Vorrichtung ist aus Werkstattstechnik. 50 (1960) 10, Seite 537 bekannt Die parallel zu den
ίο Mantellinien und die um 90° hierzu gedrehten
Dehnungsmeßstreifen werden zu einer Brücke geschaltet. Auf diese Weise wird einerseits der Einfluß der
Temperatur ausgeglichen und andererseits wird eine eventuelle inhomogene Kraftverteilung im Meßkörper
η durch etwa auftretende Biegemomente weitgehend
ausgeglichen.
Weiterhin ist aus der DE-AS 16 48 359 ein im wesentlichen kreiszyiinderischer Meßkörper bekannt,
der durch eine Kombination aus zwei voneinander
jo unabhängigen Dehnungsmeßstreifenbrücken gekennzeichnet
ist, von denen eine Meßbrückenschaltung zur Kraftmessung und die andere zur Symmetrieüberwachung
der Lastverteilung dient. Bei dieser Anoi dnung sind alle Dehnungsmeßstreifen parallel zur Achse des
.'■■"■ Meßkörpers und gleichmäßig in Achsrichtung versetzt
angebracht; es können jeweils zwei gegenüberliegende oder benachbarte Streifen zu Halbbrücken verbunden
werden. Diese Anordnung gestattet es, etwaige Unsymmetricn in der Lastverteilung aus den Abwei-
)» chungen von der Nullstellung der Größe nach zu ermitteln bzw. im Rahmen der zulässigen Toleranz zu
taxieren.
Zur Erzielung höchster Meßgenauigkeit wurden die Verformungen daher bisher vorzugsweise mittels
i'i Spiegelfein-Meßgeräten nach Martens bestimmt. Diese
mechanisch-optischen Kraftmeßgeräte erfüllen die in DIN 52 301 E »Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen,
Kraftmeßgeräte für statische Kräfte« gestellten Forderungen hinsichtlich der meßlechnischen Eigen-
w schäften und der Einbaumaße.
Die dringende Frage nach der Rationalisierung der Untersuchung von Werkstoffprüfmaschinen ließ nach
einem Meßverfahren suchen, das bei mindestens gleichwertigen meßtechnischen Eigenschaften eine
iri schnellere Abwicklung der erforderlichen Prüfungen
ermöglichen sollte. Dazu wurden gleichzeitig Verbcsserungen
angestrebt, die sich durch die besonderen Möglichkeiten der elektrischen Meßtechnik anbieten.
Für kleinere Prüfkräfte stehen geeignete kommer-
Für kleinere Prüfkräfte stehen geeignete kommer-
r'(> zielle Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen als
Meßgrößenwandler zur Verfügung. Solche Kraftaufnehmer können jedoch nichts über die Axialität der
Krafteinleitung aussager Für große Kräfte gibt es darüberhinaus keine in bezug auf Genauigkeit und
Einbaumaße den Anforderungen entsprechenden Kraftmeßgeräte.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es außerdem erstrebenswert, ein Meßverfahren einzusetzen,
bei dem die wertvollen, bisher mit Spiegelmeßgeräten eingesetzten Zugstäbc bzw. Druckkörper weiterverwendet
werden können.
Mit Rücksicht auf die zum Messen kleinerer Kräfte eingeführten Kraftaufnehmer auf Dehnungsmeßstreifenbasis
und die dazugehörigen elektronischen Geräte ist deshalb auch zum Messen der größeren Kräfte und
zur Kontrolle der Axialität der Krafteinleilung ein Dehnungsmeßstreifen-Verfahren anzustreben. Bekannt
sind von den Messungen mit mechanisch-optischen Geräten her vorhandene oder auch speziell für
Dehnungsmeßstreifen-Applikationen gefertigte Zugstäbe und Druckkörper, die mit Dehnungsmeßstreifen der
gebräuchlichen kurzen Gitterlängen appliziert sind. Die Applikationen sind hierbei in unterschiedlichen Abständen
von den Krafteinleitungsebenen ausgeführt. Mit diesen Geräten durchgeführte Kalibrierungen von
Werkstoffprüfmaschinen zeigten insbesondere in den niedrigen Kraftstufen im Vergleich zu Untersuchungen
mit Spiegelfeinmeßgeräten unbefriedigende Ergebnisse. Die Ursache für die großen Unterschiede zwischen den
beiden so ermittelten Fehlerkurven einer Prüfmaschine kann nicht mit letzter Sicherheit angegeben werden.
Trotzdem ist davon auszugehen, daß diese Abweichungen von Ungleichmäßigkeiten in der Krafteinleitung,
von der geometrischen Ausbildung des Verformungskörpers und von leichten Inhomogenitäten des Werkstoffes,
die alle eine Störung des Kraftlinienverlaufes zur Folge haben, verursacht werden. Störungen im Kraftlinicnverlauf
machen sich bei Dehnungsmeßstreifen mit kurzen Meßgittcrn aber stärker bemerkbar als bei den
auf einer Mantellinie des Meßkörpers über eine große Basislänge integrierenden Spiegelfeinmeßgeräten.
Durch diese nicnt befriedigenden Vergleichsmessungen
-eranlaBt. wurden auch Versuche mit elektrischen
Ansetzdehnungsaufnehmern durchgeführt. Diese mechanisch-elektrischen
Aufnehmer hatten die gleichen Meßlängen wie die vordem verwendeten mechanischoptischen
Aufnehmer und zeigten auch prin/ piell die gleichen Meßergebnisse. Nicht erreicht werden konnte
hierbei die erforderliche Reproduzierbarkeit bei dem notwendigerweise wiederholten An- und Abbau der
Aufnehmer. Ursache hierfür war hauptsächlich die bei den Ansetzdehnungsaufnehmern unerläßliche Kraftübertragung
über die empfindlichen Meßschneiden, die zur Auslenkung der mit Dehnungsmeßstreifen bestückten
Meßfeder erforderlich ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Mcßkörpcr mit Dehnungsmeßstreifen zu schaffen, mit dem sowohl
Kräfte, insbesondere auch größere Kräfte, als auch die Axialität der Kraft mit mindestens der gleichen
Genauigkeit bestimmt werden können, wie es mit Spiegelfein-Meßgeräten möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die um 90° gedrehten Dehnungsmeßstreifen im
Vergleich zum Umfang des Meßkörpers in der Länge zur Erstreckung der langen Dehnungsmeßstreifen kurz
sind, daß die kurzen Dehnungsmeßstreifen die Mantelliniü, auf der die Längsachse der langen Dehnungsmeßstreiien
zu liegen kommt, überdecken oder in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind, und daß die
jeweils einer Mantellinie zugeordneten Dehnungsmeßstreifen eine Vollbrücke bilden.
Wesentlicher Vorteil dieser Anordnung is< es, daß es möglich ist, daß die langen Dehnungsmeßstreifen und
die kurzen Dehnungsmeßstreifen, die zu einer Vollbrükke verschaltet sind, auf möglichst ein und derselben
Mantellinie liegen, nämlich auf der durch die langen Dehnungsmeßstreifen gegebenen Manteliinie des Meßkörpers.
Dadurch ist einerseits eine gute Konzentration der Messung auf die Verformung dieser einen
Manteliinie gegeben, von der die langen Dehnungsmeßstreifen die Längsverformung des Meßkörpers messen
und die kurzen Dehnungsmeßstreifen die Querverformung. Andererseits ist im Zusammenwirken mit den
langen Dehnungsmeßstreifen eine bestmögliche Integration des Spannungsverlaufes entlang dieser einen
Mantellinie gegeben.
Um zusätzlich die Axialität der eingeleiteten Kraft messen zu können, ist es zweckmäßig, daß die
Dehnungsmeßanordnungen, die auf um 180° gegeneinander versetzten Manteilinien liegen, elektrisch parallel
, schaltbar sind. Dadurch kann deren Mittelwert bestimmt werden.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 dargelegt.
F i g. 1 zeigt einen Meßkörper für Druckkräfte mit
in vier gleichmäßig auf den Umfang verteilten Meßstellen.
Es zeigt schematisch und beispielsweise
F i g. 1 einen Meßkörper für Druckkräfte mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Meßstellen
F i g. 2a und 2b den Aufbau einer Dehnungsmeßstrei-
F i g. 1 einen Meßkörper für Druckkräfte mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Meßstellen
F i g. 2a und 2b den Aufbau einer Dehnungsmeßstrei-
ir. fenbrücke an jeweils der zu bestimmenden Manteliinie
F i g. 3 eine komplette Meßeinrichtung,
in Fi g. 1 wird der Meßkörper 5 für Druckkräfte mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Meßstellen 1, 2, 3, 4 versehen. Um eine optimale integrierende
in Fi g. 1 wird der Meßkörper 5 für Druckkräfte mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Meßstellen 1, 2, 3, 4 versehen. Um eine optimale integrierende
Ht Wirkung entlang einer Manteliinie zu bekommen, wurde auf jede der infrage kommenden Mantellinien als
Meßstelle eine Dehnungsmeßstreifen-Vollbrücke appliziert, deren Aufbau in F i g. 2a dargestellt ist. Die aktiven
Längsstreifen 7 erfassen hierbei nahezu die gesamte
r. Meßlänge. Die zur Vollbrückenergänzung erforderlichen, um 90° hierzu gedrehten Dehnungsmeßstreifen 8
sind in die gemeinsame Mantellinie eingefügt. Um die erwünschte räumliche Konzentralion auf einer Mantellinie
zu ermöglichen, sind hierbei Dehnungsmeßstreifen
μι mit kurzen Meügittern eingesetzt. Bei gedrungenen
Meßkörpern hat sich auch die in Fig.2b gezeigte Ausführung als brauchbare Näherungslösung erwiesen.
Die Dehnungsmeßstreifen 8 mit kurzem Meßgitter sind hierbei unmittelbar neben den Längsstreifen 7 angeord-
Γι net. Die dabei unvermeidliche seitliche Abweichung der
Dehnungsmeßstreifen mit kurzem Meßgitter von der gemeinsamen Manteliinie hat sich bei symmetrischer
Anordnung und ausreichend großem Meßkörperdurchmesser als meßtechnisch tragbar erwiesen.
■in Mit Hilfe eines Meßstellenumschalters kann durch
Parallelschalten von zwei gegenüberliegenden Meßstellen der arithmetische Mittelwert gebildei werden.
Desgleichen ist die Mittelwertbildung durch Parallelschalten von vier Meßstellen möglich, wobei auch
■Γ· hierbei jeweils zwei Meßstellen einander gegenüberliegen
müssen. Voraussetzung für das einwandfreie Messen der Kraft bei nichtaxialer Beanspruchung ist,
daß alle Meßstellen die gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Dies ist bei den eingesetzten Vollbrücken-
w schaltungen von der Fertigung her sichergestellt oder
kann auch durch nachträglichen Empfindlichkeitsabgleich erreicht werden. Weitere Voraussetzung für eine
exakte Mittelwertbildung ist, daß alle Meßstellen die gleiche Konfiguration gem. F i g. 2a oder F i g. 2b haben,
Vi daß die gegenüberliegenden Meßstellen 1 und 2 bzw. 3
und 4 exakt um 180° versetzt sind und daß korrespondierende Streifen zweier Meßstellen in exakt
gleicher Höhe liegen.
Anhand der in Fig. 3 dargestellten kompletten
w) Meßeinrichtung wird das Zusammenwirken der Meßstellen
1, 2,3, 4 am Meßkörper 9 näher erläutert. Über die Leitungen 11, 12, 13, 14 werden die von den
Meßstellen kommenden Signalspanniingen dem Meßstellenumschalter 10 zugeleitet. Mit Hilfe dieses
hr> Umschalters kann die Außermittigkeit der Krafteinleitung
gemessen werden, indem die Meßstellen 1 bis 4 nacheinander, einzeln angeschaltet werden. Anschließend
werden in der folgenden Schalterstellung alle
5 6
Meßstellen zur exakten Mittelwertbildung parallel 1 und 2 sowie 3 und 4 mit dem Mittelwert aller
geschaltet. In zwei weiteren Schalterstellungen können Meßstellen identisch sein.
zu Kontrollzwecken nun die Meßstellen 1 und 2 bzw. 3 Zur Anzeige und Registrierung der Meßergebnisse
und 4 parallel geschaltet und deren Mittelwert sind dem Meßstellenumschalter 10 ein Digitalkompen-
gemessen werden. Bei einem einwandfreien Arbeiten . sator 15 und ein Drucker 16 nachgeschaltet.
des Meßkörpers müssen die Mittelwerte der Meßstelien
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Im wesentlichen kreiszylinderischer Meßkörper zum Messen von Kräften über die an ihm durch die
Krafteinwirkung auftretende Verformung mit nahezu die gesamte Meßlänge erfassenden langen und
parallel zu den Mantellinien applizierten Dehnungsmeßstreifen und mit hierzu um 90° gedrehten, also in
Umfangsrichtung sich erstreckenden, zur Brükkenergänzung dienenden Dehnungsmeßstreifen,
wobei die mit Dehnungsmeßstreifen bestückten Mantellinien gleichmäßig über den Umfang verteilt
sind, wobei jeder dieser Mantellinien beide Dehnungsmeßstreifen-Arten zugeordnet sind und wobei
mindestens zwei um 180° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Mantellinien mit solchen
Dehnungsmeßstreifen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten
Dehnungsmeßstreifen (8) im Vergleich zum Umfang des Meßkörpers (5) und zur Längserstreckung der
langen Dehnungsmeßstreifen (7) kurz sind, daß die kurzen Dehnungsmeßstreifen (7) die Mantellinie, auf
der die Längsachse der langen Dehnungsmeßstreifen (8) zu liegen kommt, überdecken oder in
unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind, und daß die jeweils einer Mantellinie zugeordneten
Dehnungsmeßstreifen eine Vollbrücke bilden.
2. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten kurzen
Dehnungsmeßstreifen zwischen den langen Dehnungsmeßstreifen liegen.
3. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gi kennzeichnet,
daß die um 90° gedrehten kurzen Dehnungsmeßstreifen symmetrisch zum Punkt in der Mitte zwischen den langen Dehnungsmeßstreifen
appliziert sind.
4. Meßkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° gedrehten kurzen
Dehnungsmeßstreifen unmittelbar neben den langen Dehnungsmeßstreifen und an diese anstoßend
appliziert sind.
5. Meßkörper nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnungsmeßanordnungen,
die auf um 180° gegeneinander versetzten Mantellinien liefen, elektrisch parallel
schaltbar sind.
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