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Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für Kraftmessun-
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gen an einem Auflager eines Wägeobjektes wie z.B. ein Schüttgutbunker,
ein Behälter, eine Plattform oder dergleichen unter Anwendung einer Wägezelle, an
der Dehnmeßstreifen angebracht sind, in Verbindung mit Lagerteilen zur Lasteinleitung.
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In der Wiegetechnik besteht vielfach das Bedürfnis, Wägezellen einzusetzen,
die eine vertikal wirkende Gewichtskraft messen, aber - meist in Verbindung mit
mechanischem Zubehör - begrenzte Verschiebungen in beiden Horizontalrichtungen und
überdies eine Drehung um beide Horizontalachsen erlauben. Besonders bei der Wägung
großer Objekte wie Schüttgutbunker, Behälter oder Plattformen würden anderenfalls
aufgrund von Verformungen der Objekte durch Beladung, Temperaturdehnung oder Wind
auf die Wägezellen Störkräfte und Momente einwirken, die Meßfehler verursachen und
sogar die Wägezellen beschädigen können.
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Für statische Lastfälle mit nur abwärts gerichteten Kräften sind verschiedenartige
Meßanordnungen bekannt. So werden beispielsweise Wägezellen für Druckbeanspruchung
als Stelzen mit Kugelkalotte oben und unten ausgeführt oder mit einem Kreuzsupport
oder Gleitschichtpaaren kombiniert und oben mit Kugelkalotte versehen.
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Für dynamische Belastungen, bei denen auch aufwärts gerichtete Kräfte
vorkommen, können die geschilderten Anordnungen zwar durch Spannschlösser oder ähnliche
Mittel gegen zu hohes Abheben gesichert werden. Nicht verhindern läßt sich damit
ein leichtes Abheben und Zurückfallen des Objektes. Kommt dies häufiger vor, werden
die Lasteinleitflächen durch die Prallkräfte deformiert, so daß die Wägefehler anwachsen.
Auch ist einzusehen, daß bei Ansprechen eines Spannschlosses falsch gewogen wird.
So führt z.B. bei Plattformwaagen für Fahrzeuge das zeitweise
Abheben
beim Auffahren zu Schlägen und Schwingungen und folglich zu Wartezeiten, bis die
Wägung genau genug ist.
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Eine Wägung beim Überfahren ohne anzuhalten ist mit Meßanordnungen
dieser Art nicht oder nur sehr grob möglich.
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Für solche Meßaufgaben sind Wägezellen erforderlich, die Wägeobjekt
und Fundament formschlüssig verbinden und auch Aufwärtskräfte richtig messen. Von
bekannten Konstruktionen eignen sich hierfür Lastmeßbolzen. Aber selbst wenn man
die Last über Radialgelenklager einleitet und dieses längs des Bolzens verschiebbar
montiert, fehlt immer noch die Seitenverschiebung quer zur Bolzenachse. Daher sind
Lastmeßbolzen z.B. für Wägeobjekte mit vier und mehr Wägezellen wie Plattformen
und die meisten Bunker nicht geeignet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßanordnung zu schaffen,
bei der eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Wägeobjekt und einer Unterlage
oder ein Fundament gegeben ist, die alle geforderten Bewegungen zuläßt und abwärts
wie aufwärts gerichtete Kräfte fehlerfrei mißt.
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Ausgehend von einer Meßanordnung der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wägezelle als Bolzenkreuz aus metallischem
Federmaterial mit einem Herzstück und vier von diesem rechtwinklig zueinander ausgehenden,
wenigstens an ihren Enden zylindrischen Bolzen ausgebildet ist und daß die jeweils
gleichachsigen Bolzen zum einen an einem unteren und zum anderen an einem oberen
Lagerbock formschlüssig, jedoch begrenzt drehbar und axial verschiebbar gelagert
sind.
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Bei einer ersten praktischen Ausführungsform enthält das Herzstück
in zwei in bezug auf die Kraftrichtung übereinanderliegenden Ebenen je eine Durchgangsbohrung,
die
rechtwinklig zueinander stehen und in denen je ein (Doppel-)
Bolzen in seiner Mitte formschlüssig gehalten ist, wobei wenigstens ein (Doppel-)
Bolzen ein an sich bekannter Lastmeßbolzen ist.
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Eine solche Meßanordnung genügt bereits allen vorgenannten Forderungen.
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Um eine möglichst geringe Bauhöhe zu erreichen, ist es aber zweckmäßig,
die Bolzen am Bolzenkreuz in einer Ebene anzuordnen.
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Bei einer ersten Ausführungsform eines solchen Bolzenkreuzes sind
in wenigstens zwei gleichachsigen Bolzen Ausnehmungen quer zur Kraftrichtung enthalten,
wobei an etwa parallel zur Bolzenachse sich erstreckenden Innenflächen dieser Ausnehmungen
Dehnmeßstreifen zum Erfassen von Dehnung und Stauchung angebracht sind.
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Bei einer anderen Ausführung sind in wenigstens zwei gleichachsigen
Bolzen parallel zur Kraftrichtung sich erstreckende Ausnehmungen enthalten, wobei
an etwa parallel zur Bolzenachse verlaufenden Innenflächen der Ausnehmungen O O
Dehnmeßstreifen in 45 und 135 Richtungen zur Bolzenachse zum Erfassen der Scherdehnung
bzw. -stauchung angebracht sind.
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Die Ausnehmungen können auch anders, z.B. als zentrische Axialbohrungen
der Bolzen ausgeführt sein.
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Eine solche Anordnung erlaubt etwas kürzere Bolzen. Bei beiden vorgenannten
Ausführungen können nicht messende Bolzen kürzer sein. Jedoch hat es auch Vorteile,
alle Bolzen gleich lang zu machen, weil dann oberer und unterer Lagerbock einander
gleich sein können. Werden alle Bolzen als Meßbolzen genutzt, ergeben sich kleinere
Meßfehler.
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Anstatt die Biegung oder Scherung der Bolzen zu messen, kann auch
die Verformung des Herzstücks gemessen werden.
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Zu diesem Zweck sind bei einer weiteren erfindungsgemäßen Meßanordnung
auf Ober- und Unterseite des Herz stücks o 90 -Dehnmeßstreifen so angebracht, daß
die Streifenrichtungen parallel zu den Bolzenachsen verlaufen. Hier verformt sich
das massive Herzstück auf der Ober- und Unterseite sattelförmig, also in einer Richtung
konkav, in der Querrichtung konvex.
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Bei einer weiteren Meßanordnung enthält das Herzstück eine zentrische,
zur Kraftrichtung parallele Bohrung, wobei an der Bohrungswandung symmetrisch zur
Ebene der Bolzenachsen auf gegenüberliegenden Flächen je zwei parallel zur Achse
eines Bolzenpaares verlaufende Dehnmeßstreifen angebracht sind.
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Es ist verständlich, daß die zentrische Bohrung unter Last oben und
unten elliptisch verformt wird, wobei die großen Ellipsenachsen zueinander senkrecht
stehen. Bei einer solchen Anordnung können auch oben und unten je vier Dehnmeßstreifen,
also über und unter den Mittellinien beider Achsen angebracht werden, um die Meßfehler
weiter zu verkleinern.
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Bei vertikal durchbohrtem Herzstück werden offenbar die Zonen zwischen
benachbarten Bolzen in vertikaler Richtung gebogen und geschert. Diese Verformung
wird bei einer erfindungsgemäßen Meßanordnung genutzt, bei der in einer zentrischen,
zur Kraftrichtung parallelen Bohrung im Herzstück an der Bohrungswandung auf einer
Kreis linie in der o Ebene der Bolzenachsen jeweils um 45 versetzt zu den O O Achsmitten
Dehnmeßstreifen unter 45 bzw. 135 Richtungen
bezogen auf die Kraftrichtung
angebracht sind.
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Die vorgenannten Meßanordnungen haben den Vorteil, daß alle Dehnmeßstreifen
in einem einzigen Hohlraum des Herzstückes liegen und verdrahtet werden können,
der leicht und sicher verschließbar ist.
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Bei der letztgenannten Ausführung können zur weiteren Ver-! ringerung
der Meßfehler auch auf der Außenwandung des Herzstückes, jeweils den inneren Dehnmeßstreifen
gegenüberliegend, ebenfalls Dehnmeßstreifen in gleicher Orientierung wie die inneren
Dehnmeßstreifen angebracht werden.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführung, die auf der Verformung
des Herzstückes beruht, enthält das Herzstück außer einer zentrischen, zur Kraftrichtung
parallelen Bohrung auf den Winkelhalbierenden zwischen den Bolzenachsen je eine
zur Kraftrichtung parallele Bohrung, wobei in jeder Bohrung in der Ebene der Bolzenachsen
an der Innenwandung jeweils mittig zu den Winkelhalbierenden einander gegenüberliegende
Dehnmeßstreifen unter 45 bzw.
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o 135 Richtungen bezogen auf die Kraftrichtung angebracht sind.
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Die beiden letztgenannten Meßanordnungen liefern eine bessere Mittelung
der Scherverformung, die von innen nach außen nicht gleichbleibt, und deshalb kleinere
Meßfehler.
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Bei den Ausführungen mit durchbohrtem Herzstück kann das Bolzenkreuz
auch mehrteilig ausgebildet sein. Zweckmäßig ist eine Ausbildung, bei der das Herzstück
aus einem dick-' wandigen Hohlzylinder mit vier Radialbohrungen bezogen auf die
Zylinderachse besteht, in denen jeweils ein zylindrischer Bolzen kraft- oder formschlüssig
gehalten ist.
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Soweit in besonderen Fällen auch eine Drehung um die
Achse
der Kraftrichtung notwendig ist, kann sie bei allen beschriebenen Meßanordnungen
durch eine Drehbarkeit wenig-, stens eines Lagerbockes verwirklicht werden.
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Für die nachstehend aufgeführten Anwendungsbereiche bietet der Einsatz
einer erfindungsgemäßen Meßanordnung besondere Vorzüge: - Hochbunker im Freien,
die starken Windkräften ausgesetzt sind.
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- Behälter, die während der Fahrt auf Straßen-, Schienen-oder Wasserfahrzeugen
gewogen werden müssen.
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- Plattformwaagen, insbesondere für Straßen- oder Schienen fahrzeuge.
Hier brauchen die Wägezellen nicht wie bisher in den äußersten Ecken der Plattform
oder sogar außerhalb montiert zu werden, sondern können ohne Schwierigkeiten weiter
nach innen gerückt werden. Dies hat den Vorteil, daß wegen der geringeren Spannweite
leichtere Träger oder insgesamt leichtere Konstruktionen eingesetzt werden können.
Auch wird die Wiegezeit kürzer, weil weniger Schwingungen auftreten.
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- Plattformwaagen zur Wägung von Fahrzeugen während des Überfahrens
ohne Anhalten, gegebenenfalls auch zur achsweisen Wägung.
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- Ambulante Wägung von großen Konstruktionen wie z.B.
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Landeplattformen für Hubschrauber, Großbagger, Brücken I oder dergleichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine
Seitenansicht einer Meßanordnung, bei der die Bolzen in übereinanderliegenden Ebenen
am Herzstück gehalten sind, Figur 2 eine Draufsicht der Meßanordnung nach Figur
1, Figur 3 eine Seitenansicht einer Meßanordnung mit einem Herzstück, bei dem alle
Bolzen in derselben Ebene liegen, Figur 4 eine Draufsicht der Meßanordnung nach
Figur 3, Figur 5 eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes in einer Ausführung entsprechend
den Figuren 3 und 4, jedoch mit einer anderen Anordnung der Dehnmeßstreifen, Figuren
6 und 7 eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes, bei dem auf
Ober- und Unterseite des Herzstückes Dehnmeßstreifen angebracht sind, Figuren 8
und 9 einen Vertikalschnitt und eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes mit einer zentralen
Bohrung im Herzstück für die Anbringung von Dehnmeßstreifen, Figuren 10 und 11 einen
Vertikalschnitt und eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes mit einem anders geformten
Herzstück, jedoch ebenfalls mit einer zentralen Bohrung zur Anbringung von Dehnmeßstreifen,
Figur 12 eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes in der Ausführung der Figuren 10 und
11, wobei auch auf der Außenwandung des Herzstückes Dehnmeßstreifen angebracht sind
und
Figur 13 eine Draufsicht eines Bolzenkreuzes mit einem im Querschnitt
etwa kreisrunden Herzstück, das eine mittige Bohrung und vier äußere parallele Bohrungen
auf den Winkelhalbierenden zwischen den Bolzenachsen enthält.
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Bei der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Meßanordnung ist die
Wägezelle aus einem Herzstück 1 mit in versetzten Ebenen sich kreuzenden Bohrungen
und in den Bohrungen gehaltenen Bolzen 2, 3 gebildet. Herzstück und Bolzen bestehen
aus einem geeigneten Metall, die letztgenannten aus einem Metall mit Federeigenschaften.
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Bei dem Bolzen 2 handelt es sich um einen an sich bekannten Lastmeßbolzen,
der bei dem Ausführungsbeispiel eine größere axiale Länge als der Bolzen 3 hat.
Wenn für die beiden Bolzen gleiche Lagerelemente, die nachfolgend noch erläutert
werden, erwünscht sind, wird der Bolzen 3 in seiner axialen Länge dem Bolzen 2 angepaßt.
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Der Lagerung des Bolzenkreuzes dienen zwei U-förmige Lagerböcke 4
und 5. Jeder Lagerbockschenkel enthält eine kreisrunde Öffnung für die Aufnahme
des zylindrischen Endes eines Bolzens 2 bzw. 3. Beide Bolzen sind innerhalb der
Lager drehbar und axial verschiebbar gehalten. Mindestens für einteilige Bolzenkreuze
sind die Schenkelenden der Lagerböcke zu Halbschalen geformt, wobei an jedem Schenkel
eine weitere Halbschale 6 lösbar befestigt ist, z.B. mit Hilfe von nicht dargestellten
Schraubenbolzen.
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Bei Verwendung einer solchen Meßanordnung an einem Wägeobjekt ruht
der Lagerbock 4 auf einem Fundament, während auf dem Lagerbock 5 das Wägeobjekt
aufliegt.
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Die Richtung der Gewichtskraft F ist durch den Pfeil 7 angedeutet.
Da bei dieser Anordnung Wägeobjekt und Fundament formschlüssig in Verbindung stehen,
sind auch auf-
wärts gerichtete Kräfte erfaßbar.
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Der für das Messen der Last vorgesehene Lastmeßbolzen 2 kann verschiedenartig
ausgebildet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel enthält der Lastmeßbolzen 2 zu beiden
Seiten des Herzstückes 1 je eine Einschnürung in Form einer umlaufenden Nut 8. In
jeder Einschnürung sind Dehnmeßstrei-O O fen 9 in 45 und 135 Richtungen zur Kraftrichtung
7 appliziert, die Dehnung und Stauchung in den eingeschnürten Bereichen, also in
Scherbereichen des Lastmeßbolzens 2 messen.
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Die vier Dehnmeßstreifen 9 sind in an sich bekannter Weise zu einer
elektrischen Brückenschaltung verbunden. Die Verstimmung dieser Brückenschaltung,
die mit einem geeigneten Gerät gemessen oder angezeigt wird, stellt ein Maß für
die mechanische Beanspruchung des Lastmeßbolzens 2 und damit für die Größe der in
der Richtung des Pfeiles 7 wirkenden Kraft des Wägeobjektes dar. Da hierbei das
Kreuzgelenk begrenzte Verschiebungen in beiden Achsrichtungen und Drehungen um diese
beiden Achsen erlaubt, können eventuelle Störkräfte die Messung nicht beeinflussen.
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Nachstehend werden weitere Meßanordnungen beschrieben, die auf dem
gleichen Prinzip beruhen, bei denen jedoch die sich kreuzenden Bolzen nicht in zwei
Ebenen, sondern in ein und derselben Ebene liegen. Dadurch ergibt sich eine entsprechend
verringerte Bauhöhe der Meßanordnung.
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Das aus einem Herzstück und den Bolzen gebildete Bolzenkreuz kann
einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Bei einteiliger Ausbildung sind die vier Bolzen am Herzstück angeformt.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen ein einteiliges Bolzenkreuz mit ungleich langen
Bolzen in Verbindung mit zwei Lagerböcken,
die in der gleichen
Art wie die Lagerböcke der Meßanordnung der Fig. 1 und 2 gestaltet sind und für
die daher die gleichen Bezugszahlen vorgesehen sind. Soweit im Interesse einer vereinfachten
Lagerhaltung die beiden Lagerböcke untereinander gleich sein sollen, wird ein Bolzenkreuz
eingesetzt, bei dem die nicht für die Messung genutzten Bolzen die gleiche axiale
Länge wie die beiden einander gegenüberliegenden Meßbolzen haben.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 und bei den gleichartigen
weiteren Ausführungsformen sind das Herzstück mit 10, die Meßbolzen mit 12 und die
übrigen Bolzen mit 13 bezeichnet. Die Meßbolzen 12 sind durch Ausnehmungen 14, die
quer zur Kraftrichtung F verlaufen, durchbrochen.
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An den etwa parallel zur gemeinsamen Bolzenachse sich erstreckenden
Innenflächen dieser Ausnehmungen 14 sind Dehnmeßstreifen 15 angebracht, die Dehnung
und Stauchung im Biegebereich messen.
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Fig. 5 zeigt die Draufsicht eines Bolzenkreuzes in der Art wie bei
den Fig. 3 und 4, bei dem jedoch in den Bolzen 12 jeweils eine parallel zur Kraftrichtung
sich erstreckende Bohrung 16 enthalten ist. In jeder Ausnehmung 16 sind an etwa
parallel zur gemeinsamen Bolzenachse verlaufenden O O Innenflächen Dehnmeßstreifen
17 in 45 und 135 Richtungen zur Kraftrichtung angebracht. Mit dieser Anordnung kann
Scherdehnung bzw. -stauchung der Meßbolzen 12 gemessen werden. Hierfür sind im Vergleich
zu der Ausführung der Fig. 3 und 4 Ausnehmungen mit einer geringeren Länge in der
Achsrichtung erforderlich, so daß eine entsprechende Verkürzung der axialen Länge
der Meßbolzen 12 erzielt wird.
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Bei den nachfolgend beschriebenen Anordnungen wird nicht die Biegung
oder Scherung der Bolzen 12, sondern die Verformung des Herzstückes 10 gemessen.
Hierbei dienen alle
vier Bolzen nur zur Aufnahme der Belastung
und können dementsprechend in ihrer axialen Länge entsprechend kurz bemessen sein.
Neben der besonders kompakten Bauweise kommt als weiterer Vorteil die symmetrische
Ausbildung hinzu, die die Anwendung untereinander gleicher Lagerböcke gestattet.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen ein Bolzenkreuz mit einem massiven Herzstück
10 in Form eines Würfels und vier angeformten, gleich langen Bolzen 13. Auf Ober-
und Unterseite des Herz stückes 10 sind je zwei sich kreuzende Dehnmeßstreifen 18
in gleicher Orientierung wie die Bolzenachsen angebracht. Mit diesen Dehnmeßstreifen
wird die Verformung des Herzstückes 10, die in einer Richtung konkav, in der Querrichtung
konvex ist, erfaßt.
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Bei einer anderen Ausführungsform, die in den Fig. 8 und 9 dargestellt
ist, enthält das Herzstück 10 eine zentrische, zur Kraftrichtung parallele Bohrung
19. An der Bohrungswandung sind symmetrisch zur Ebene der Bolzenachsen auf gegenüberliegenden
Flächen je zwei parallel zur Achse eines Bolzenpaares verlaufende Dehnmeßstreifen
20 angebracht. Unter Last wird die Bohrung 19 oben und unten elliptisch verformt,
wobei die großen Ellipsenachsen zueinander senkrecht stehen. Bei dieser Ausführung
können auch oben und unten je vier Dehnmeßstreifen eingesetzt werden, wodurch sich
eine Verkleinerung der Meßfehler erzielen läßt.
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Bei einem in der Kraftrichtung durchbohrten Herzstück 10 werden offensichtlich
die Zonen zwischen benachbarten Bolzen 13 in vertikaler Richtung gebogen und geschert.
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Diese Verformung nutzt eine weitere Ausführung, die in den Fig. 10
und 11 dargestellt ist. Hier enthält das Herzstück, 10 eine zentrische Bohrung 21
mit relativ großem Querschnitt. Die Ecken des Herzstückes sind abgeschrägt, so
daß
das Herzstück im Grundriß etwa die Form eines Oktogons hat. An der Bohrungswandung
sind auf einer Kreislinie in der Ebene der Bolzenachsen jeweils um 45 versetzt zu
den Achsmitten Dehnmeßstreifen 22 unter 45 bzw. 135 Richtungen bezogen auf die Kraftrichtung
angebracht. Bei dieser Ausführung liegen alle Dehnmeßstreifen 22 in einem gemeinsamen
Hohlraum.
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Eine Weiterentwicklung der Ausführung der Fig. 10 und 11 zeigt Fig.
12. Das Bolzenkreuz hat die gleiche Gestalt wie vorher. Neben den inneren Dehnmeßstreifen
sind zusätzlich auf der Außenwandung des Herzstückes 10 weitere Dehnmeßstreifen
23, jeweils den inneren Dehnmeßstreifen gegen-l überliegend, in gleicher Orientierung
wie die inneren Dehnmeßstreifen 22 angebracht.
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Die Fig. 13 zeigt ein Bolzenkreuz, bei dem das Herzstück 10 im Grundriß
kreisrund ausgebildet ist. Es enthält außer einer mittigen, zur Kraftrichtung parallelen
Bohrung 24 auf den Winkelhalbierenden zwischen den Bolzenachsen je eine zur Kraftrichtung
parallele Bohrung 25 mit kleinerem Querschnitt. In jeder der Bohrungen 25 sind in
der Ebene der Bolzenachsen an der Innenwandung jeweils mittig zu den Winkelhalbierenden
einander gegenüberliegende Dehnmeßstreifen 26 unter 45 bzw. 135 Richtungen bezogen
auf die Kraftrichtung angebracht.
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Die Ausführungen der Fig. 12 und 13 liefern eine bessere Mittelung
der Scherverformung und insofern kleinere Meßfehler.