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Zur Kraftmessung vorbereiteter Kugelkopfbolzen
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zum Messen von auf den Kugelkopf einwirkenden Kraftkomponenten Die
Erfindung betrifft einen zur Kraftmessung vorbereiteten Kugelkopfbolzen zum Messen
von auf den Kugelkopf einwirkenden Kraftkomponenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, wie er beispielsweise aus der DE-OS 29 17 966 als bekannt hervorgeht.
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Aus dem Verlauf einer Biegemomentenverteilung auf die Schnittkräfte
an einer ent£ernten Stelle eines Trägers zu schließen, ist oftmals mit Unwägbarkeiten
verbunden, die diese Methode unsicher erscheinen lassen. Sofern die Raumverhältniss
ausreichend sind, ist man deshalb bemüht, Kräfte und auch Momente direkt am interessierenden
Ort zu messen, beispielsweise an dem Ort, an dem sie entstehen. Dies gilt insbesondere
auch für die Kraftmessung von in den Kugelkopf eines Kugelkopfbolzens von Kugelgt'lenken
eingeleiteten Kraftkomponenten.
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Aus der obngenannten Schrift geht eine entsprechende Einrichtung hervor.
Sie besitzt einen von der Kugelseite her hohlgebollrten Kugelkopf mit einem Bolzen.
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Von der Kugel bohrung her ist bis in den Gelenkbolzen hinein durch
elektroerosive Bearbeitung ein Zapfen herausgearbeitet. Dieser Zapfen dient zur
Aufnahme einer etwa quadratischen Meßscheibe, deren Oberfläche und Stirnflächen
sich im Abstand zu den Innenwandungen des Kugelkopfes befinden. Das ausgebohrte
Wandteilstück wird durch ein entsprechendes Kugelschalenwandteilstück zum Kugelkopf
geschlossen. Unter Einwirkung einer Last am Kugelkopf erfolgt eine Verschiebung
des Innenzapfens bzw. der darauf angeordneten Meßscheibe relativ zu den Innenwandungen
der hohlkugel. Durch Messung dieser Relativverschiebungen in den gewünschten Richtungen
können diesen Richtungen entsprechende Kraftkomponenten ermittelt werden. In einem
Ausführungsbeispiel sind dazu den Stirnflächen und der Oberfläche der Meßscheibe
Biegebalken zugeordnet, die quer zu den Wirkungslinien der zu ines senden Kraftkomponenten
liegen. Sie erfahren eine Biegeverformung, wenn über in die Kugelkopfwandung eingebrachte
Justierschrauben, die mit ihrer Spitze auf den Balken gerade anliegen und jeweils
in Richtung der zu messenden Kraftkomponente zeigen, eine Biegekraft infolge einer
Relativverschiebung zwischen Hohlkugel und Meßscheibe eingelcitet wird. Aus der
Biegeverformung der Biegebalken, die mit den Meßstreifen beklebt sind, lassen sich
Gelenkkrägte ermitteln, in den duch lie An@@dnung det ölegebalken festgelegten Richtungen.
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Nachteilig an dieser Ausbildung der Meßeinrichtung sind, wie die
Praxis zeigt, spurbare Meßungenauigkeiten. Diese Meßungenauigkeiten ließen sich
nur dann vermeiden, wenn tangential zur Balkenoberfläcbe gerichtete Relativbewegungen
ohne Gleitbehinderung erfolgen könnten. Da jedoch, außer in Vorzugsrichtungen sämtliche
Bulken immer durch Querkräfte beansprucht sind, weist die Balkenoberfläche eine
Verformung in Form einer Eindrückung auf. unter diesen Bedingungen ist das freie
Gleiten der Justierschrauben an den Balkenoberflächen entlang nicht mehr gewährleistet,
und es entstehen von der Größe der Querkraft abhängige Tangentialkräfte. Das Meßsignal
zeigt deshalb einen sägezahnartigen statt eines linearen Anstiegs, wenn der Kugelkopf
mit einer kontinuierlich ansteigenden Last beaufschlagt wird.
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Die Meßgenauigkeit verschlechtert sich weiter, wenn die manuelle
Einstellung dc'i' luslierschrauben nicht präzise vorgenommen wurde, und zwar so,
daß die Schraubenspitzen die Biegebalken vor der Messung gerade kraftfrei berühren.
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Bei Spiel zeigt das Meßsignal eine Unstetigkeit. Sind die Biegebalken
durch zu starkes Ii ndrehen schon zu Beginn der Messung vorgespannt, ist die Gleitbehinderung
wie beschrieben entsprechend größer.
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Ebenfalls spürbare Meßfehler treten durch Hystereseeffekte auf, die
durch die Nachgichigkeiten der angewandten Schraubverbindungen ausgelöst werden.
Dres hetrilft die im Kugelmante] eingebrachten Justierschrauben sowie auch die Verschraubung,
durch die die Fixlerung der Meßscheibe auf dem Innenzapfen vorgenommen wird.
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Die selben Nachteile gelten auch für eine ähnlich ausgebildete Meßeinrichtung.
Ilier liegen die Stirnflächen der Meßscheibe unmittelbar an dcn tlusiterschrauben
an, und die Dehnungsmeßstreifen sind auf balkenförmigen Briicken in Fortsetzung
des Innezapfens angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauig.
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keit zu erhöhen unter Vermeidung der aufgeführten Nachteile.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der konstruktiven Ausbildung ohne hysteresebehaftete
Brücken zwischen Kugelkopf und Bolzen und durch direkte Messung von allein auf Materialelastizitäten
beruhenden Verformungen sind Meßfehler vermeidbar und dadurch gegenüber der bekannten
Einrichtung eine höhere Meßgenauigkeit erzielbar. Dies ist nur dadurch möglich,
daß die Meßscheibe einstückig in einen äquatorialen Streifen der Kugel scheibe und
in den Bolzen übergeht. Alleinige Verbindungsglieder dazwischen sind die ebenfalls
einstückig damit ausgebildeten Meßstege, über die der gesamte Kraftfluß von der
Kugelkopfoberfläche zum Bolzen iibertragen wird.
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In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden durch Ausnehmungen,
vorzugsweise Schlitze, im Wurzelbereich vor den Meßstegen des Kugelzonenbereichs
der Meßscheibe infolge das Kraft; griffs entstehende lokale Spannungsüberhöhungen
abgebaut, so daß eine ddurch bewirkte Spannungserhöhung im Meßsteg nicht auftreten
kann. Das heißt also, die Lage des Krafiangriffs auf der Kugel
beinflußt
infolge der Krafteinleitung die Verformungen der Stege nicht.
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Vorteilhaft gegenüber den bekannten Ausführungsformen ist einmal
die Möglichkeit einer wesentlich stabileren Ausführung des Kugelkopfs und des Bolzens,
da sie nicht hohlgebohrt we-rden müssen, abgesehen von den Bohrungen zur Aufnahme
der Zuleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen.
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Des weiteren ist durch entsprechende konstruktive Ausbildung der
Meßscheibe und insbesondere des angeformten Fußes, der Teil des Bolzens ist, es
möglich, parallel zur Kraftmessung auch das Moment um die Bolzenlängsachse in unmittelbarer
Nähe des Kugelmittelpunkts zu messen. Dazu werden die Dehnungsmeßstreifen am angeformten
zylindrischen Fuß der Meßscheibe aufgeklebt.
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Außerdem sind die Dehnungsmeßxtreifen durch sie über -greifende Kugelschalen
vor Beschädigung in geschützter Lage untergebracht.
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Ferner kann die in der Bolzenlängsachse wirkende Kraftkomponente
ohne weiteren Meßsteg erft werden, indem einfach geeignete Brückenschaltungen zur
Messung der Verbiegung der Meßstege in der Ebene der Meßscheibe vorgesehen sind.
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Insbesondere dann, wenn am Kegelkopf hauplsichlich Krafte angoeifen,
deren Wirkungslinlen im der durch die Meßscheibe aufegspannten Rbene liegen, sind
die Meßstege lediglich auf Zug oder Druch beansprucht. Hs ware dann mit
einer
besonders einfachen Meßbrückenschaltung möglich, die angreifende Kraft nach Komponenten
zu zerlegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im foLgenden näher beschrieben; es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch
den Kugelkopfbolzen Figur 2 eine Draufsicht auf den Kugelkopf mit abgenommener Kugelschalenkappe.
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Der Kugelkopfbolzen 1, wie aus Figur 1 und 2 hervorgehend, besitzt
einen Kugelkopf 2, der aus mehreren miteinander verschweißten Teilstücken gebildet
ist. Einen äquatorialen Streifen der Oberfläche des Kugelkopfes bildet in einem
mittleren Bereich die Meßscheibe 3, die ungeteilt in den Bolzen 4 übergeht. Die
Meßscheibe 3 umfassend, jedoch lediglich am äquatorialen Umfang der Meßscheibe 3
anliegend und dort mit ihr verschweißt, und im übrigen auf Abstand zur Oberfläche
der Meßscheibe 3 angeordnet, ergänzen eine obere Kugelschale als Sugelk.lppe ausgebildet,
und eine untere zweigeteilte längsverschweißte Kugelschale 6 die Meßscheibe 3 zum
Kugelkopf 2. Damit zwischen der Meßscheibe 3 und den Kugel schalen 5, 6 eine radial
formschlüssige hoch belastbare Verbindung entsteht, ist die meßscheibe 3 im Kugelmantelbereich
oben und unten mit linzügen versehen, in die die Ränder der Kugelsehalen eingreifen.
1)i e Scllw(> i ßverbi ndungen 7 i sind da(lllrch rch nur in geringem Maße auf
Scherung beaup@@@ht, Die Zwischenräume zu den Kugelschalen sind so bielt gehalten,
daß an Ober-und Unterseite der Meßscheibe 3 angebrachte Dehnungsmeß-
streifen
8 Platz dazwischen finden. An die Meßscheibe 3 ist ein Fuß 9 angeformt, der mit
einem Gewindezapfen zusammen, der daran iingcjschwei,.St ist, den Gelenkbolzen 4
bildet. An einem zylindrischen Querschnitt des Fußes 9 der Meßscheibe 3, sind zur
Messung eines Moments um die Bolzenlängsachse Dehnungsmeßstreifen 10 angeordnet.
Durch die sie umgreifende Kugelschale 6 sind sie vor Beschädigung geschützt. Die
Zuleitungen der Dehnungsmeßstreifen 8, 10 nehmen Bohrungen in Kugelkopf und Bolzen
4 auf. Sämtliche Schweißnähte sind elektronenstrahl-geschweißt, um die auf der Meßscheibe
angebrachten Dehnungsmeßstreifen vor Hitzeeinwirkung optimal zu schützen.
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Die Draufsicht auf den Kugelkopf 2 nach Figur 2 mit abgenommener Kugelkappe
läßt die weitere Ausbildung der Meßscheibe 3 erkennen. In den ebenen Kreisring der
Meßscheibe 3 zwischen ihr(lll Kugel stück und dem angeformten Fuß 9 sind durch elektroerosive
Bearbeitung Schlitze angebracht, die als Verformungsschlitze die Meßscheibe3 in
ein inneresund ein äußeres Teilstück trennen, die miteinander allein durch mittelpunktssymmetrische,
kreuzförmig angelegte Stege - Meßstege 13, - verbunden sind.
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Die Stege 13 der Meßscheibe 3 sind mit Dehnungsmeßstreifen ( beklebt,
mit denen sich die Kraftkomponenten einer am Kugelkopf 2 angreifenden Kraft in Richtung'
der Meßstege 13 als audi senkrecht dazu messen lassen. Dies ist möglich we t 1 die
am Kugeikopf 2 einwirkende Kraft allein über die N1eRsteg() 13 in den Bolzen 4 abgeleitet
werden kann.
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Anstatt einer Vollscheibe, aus der, wie im Ausführungsbeispiel, durch
linbringell von Schlitzen stegartige fibergänge geschaffen werden, könnte auch eine
speichenradförmige MeíSscheibe benutzt werden. Dies ist jedoch lediglich ein Frage
des llerstellungsaufwands. Anstatt kreuzförmig angeordneter Meßstege 13 sind auch
andere Meßsteganordnungen denkbar, wie beispielsweise eine sternförmige Anordnung.
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Desweiteren sind der Figur 2 schlitzförmige Ausnehmungen 14 zu entnehmen,
die im außenseitigen Wurzelbereich vor den Meßstegen 13 liegen. Sie verlaufen in
Umfangsrichtung der Meßscheibe 3 und tangential zur Kugeloberfläche, über einer
Länge , die etwa der Breite der Meßstege 13 entspricht. Dadurch wird vermieden,
daß bei ungünstigem Kraftangriff auf der Kugeloberfläche eine lokale Spannungsüberhöhung
im Wurzelbereich des Meßstegs bedingt durch die direkte Kraft anl ei tulig auch
als Spannungsüberhöhung im Meßsteg auftreten kann. Anstatt schlitzförmigen Ausnehmungen
sind beispielsweise auch kraftumlenkende Bohrungen oder ähnliches im Wurzelbereich
denkbar.
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Die Ermittlung der Kraftkomponenten durch die Dehnmeßs-treifen 8 erfolgt
über die Messung der Biege- bzw. Zug- oder Druckverformungen der Meßstege 13. Nur
in Sonderfällen werden die Meßstege 13 allein auf Zug oder Druck bzw.
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auf Biegung beansprttcht , nämlich c!;lnn, wenn die Wirkungslinie
der am Kugelkopf 2 angreifenden Kr.ifte in der Ebene der Meßscheibe bzw. in der
Bolzenachse liegen.
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Den Meßstegen 13 sind in radialer Richtung jewe zwei Dehnungsmeßstreifen
an der Ober- und zwei l)ehnungsmeßstreifen an der ljnterseite zugeordnet. Zur Ermittlung
der Kraftkomponenten in der Meßscheibenebene ist es notwendig reine Zug- und Druckverformungen
der Meßstege aufzunehmen und die Biegeverformungen zu eleminieren. Dagegen erfordert
die Kraftkomponente in Richtung der Bolzenlängsachse die Aufnahme der reinen Biegeverformung
der Meßstege. Aus diesem Grunde sind getrennte Meßbrückenschaltungen notwendig und
eine entsprechende Vielzahl von Dehnungsstreifen.
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Die notwendigen Meßbrückenschaltungen sind im Prinzip zwar hinlänglich
bekannt. Da unter Ausnutzung der symmetrischen Verformungszustände jedoch die Meßgenauigkeit
erhöht werden kann, soll di Schaltung zur Vollständigkeit erläutert werden. Zur
Messung von Druck- und Zugverformungen der Meßstege (Biegung soll eleminiert werden),
werden jeweils einander symmetrisch gegenüber liegende Meßstellen in benachbarten
Asten der Meßbrückenschaltungen berücksichtigt. Auf Biegung beruhende Verformungen
der Meßstege werden dann eleminiert.
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Zur Messung der Kraftkomponente in Bolzenlängsric}0tung kann dann
ein maximales Ausgangssignal erhalten werden, wenn die Verfermungen samtlicher vior
Meßstege in der Meßbrückenschaltung berücksichtigt werden. Einander symmmetrisch
gegenüberligende Meßstellen sind in einem Zweig der Meßbrückenschaltung hintereinander
geschaltet In benachbarten Zweigen liegen jeweils einander an Ober-
und
Unterseite benachbarte Meßstellen. Dadurch wird das aus der Bi egeve ri'ormung hervorgehende
Meßsignal verstärkt, während Zug- oder Druckverformungen eleminiert werden. Zur
Messung des Moments um die Bolzenachse sind entsprechende Meßbrückenschaltungen
der Dehnungsmeßstreifen 10 am angeformten Fuß der Meßscheibe 3 erforderlich.
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Zur Zuordnung einer Kräfte- bzw. Momentenskala zu den Ausgangssignalen
der Dehnungsmeßbrücken erfolgt eine Eichung durch Aufgabe von nach Größe und Richtung
bekannten Lasten am Kugelkopf.