EP2539677A1 - Kraftmess-hülse sowie mess- und berechnungsverfahren - Google Patents

Kraftmess-hülse sowie mess- und berechnungsverfahren

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EP2539677A1
EP2539677A1 EP11705554A EP11705554A EP2539677A1 EP 2539677 A1 EP2539677 A1 EP 2539677A1 EP 11705554 A EP11705554 A EP 11705554A EP 11705554 A EP11705554 A EP 11705554A EP 2539677 A1 EP2539677 A1 EP 2539677A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
sleeve
measuring
calculating
angular position
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11705554A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Futterer
Otto Pfeffer
Harald Böhler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brosa AG
Original Assignee
Brosa AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brosa AG filed Critical Brosa AG
Priority to EP11705554A priority Critical patent/EP2539677A1/de
Publication of EP2539677A1 publication Critical patent/EP2539677A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2218—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction
    • G01L1/2225—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction the direction being perpendicular to the central axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/16—Applications of indicating, registering, or weighing devices
    • G—PHYSICS
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    • G01G19/14—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing suspended loads
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    • G01G—WEIGHING
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    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01G3/1408—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators

Definitions

  • the invention relates to a force measuring sleeve according to the preamble of claim 1, four measurement and calculation method according to the preambles of claims 10, 11, 12 and 14th
  • the wrap angle is dependent on the horizontal tilted Winkeisrtie of the crane jib arm and also depends on the geometric rope course to support the crane jib from.
  • the force-measuring body is designed as an axis, that is to say as a body closed in the center. Often, however, it is necessary in certain measurement applications to slide a sleeve onto an axle or a shaft in order to measure the radially acting forces by means of the force measuring sleeve.
  • a measurement and calculation method of the type mentioned should be developed such that with the help of the force measuring sleeve according to the invention, a measurement and calculation of the angular position of the resulting radially acting force and the amount of force is available with changing Kraftveriäufen and force loads.
  • a multiplicity of recesses are arranged on the circumference of the outer lateral surface, on a circular path or in a screw-annular manner or on one or more circular paths extending parallel to one another, since thereby a corresponding measured value can be generated by each measuring point as a function of the acting radial force , so that already by the detection of the force distribution at the individual measuring points a calculation possibility exists to calculate the direction of action of the resulting force and its amount.
  • the force measuring sleeve can be pushed onto an axle or a shaft in order to detect its angular direction and force magnitude immediately before the force is introduced into the axle or while so that a plurality of force measuring sleeves can be pushed onto a common axle or shaft without the radial forces interfering with each other by adjacent resultant force acting on force gauge sleeves.
  • the force directions can be completely different from adjacent force measuring sleeves so that the respective resulting force can be determined.
  • the formation of one or more measurement planes ensures that the changing angular positions of resulting forces are detected by the single measurement plane, so that first the force direction of the resulting force and subsequently d the amount of the resulting force can be calculated by the present measurement results of the individual measurement levels.
  • an angle encoder can be provided on the force measuring sleeve, by which the angular position of the sleeve is permanently detected relative to a starting position.
  • the angle encoder cooperates with a built-in sleeve reference notch, so that the angular position or the inclination of the reference notch is measured by the Winkeigeber. For example, in pulleys on which a rope is kept out, the wrap angle of the rope on the guide wheel changes depending on the inclination of a crane boom arm.
  • Figure 1 a shows a first embodiment of a force measuring sleeve into which a
  • Axle is inserted, and in the outer circumferential surface two mutually perpendicular recesses are incorporated to form a measuring point and on the inner circumferential surface of four ring segments are formed as a support, looks in plan,
  • FIG. 1b shows the force measuring sleeve according to FIG. 1a along the section line 1b-1b
  • FIG. 1c shows the force measuring sleeve along the section line ic-lc
  • Figure 2a shows a second embodiment of a force measuring sleeve into which a
  • FIG. 2b shows the force measuring sleeve according to FIG. 2a along the section line IIb-IIb and FIG
  • Figure 3 shows a third embodiment of a force-measuring sleeve, in which a body is inserted and in which on two opposite half sides a recess for forming a measuring point is incorporated, wherein the sleeve and the body are in frictional operative connection, in section.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c show a force measuring sleeve 1, by means of which a force acting radially on it is to be determined.
  • the force measuring sleeve 1 has an inner and an outer circumferential surface 2 and 3, each extending concentrically about the longitudinal axis 4 of the sleeve 1.
  • an axis 10 is inserted, which forms a clearance fit with the inner contour of the sleeve 1 and which is held centered on a total of eight supports 8.
  • the supports 8 are each designed as ring segments. Each four of the eight supports 8 lie on a common circular path 9.
  • the two circular paths 9 are parallel to each other and at an identical distance about the longitudinal axis. 4
  • the Oberfiambaenkontur the respective supports 8 is adapted to the diameter of the axis 10, so that the axis 10 rests without play on the eight supports 8.
  • a total of four recesses 5 are incorporated, which are designed around, so that through the center of the respective recess 5 an axis of symmetry 31 extends.
  • the symmetry axis 31 is aligned perpendicular to the longitudinal axis 4.
  • One of the eight supports 8 is assigned to one of the recesses 5, in such a way that the axis of symmetry 31 of the recess 5 and the circular path 9 lie in a plane which is perpendicular to the longitudinal axis 4.
  • the strain gauges 6 are usually interconnected electrically in a Wheatstone bridge and are glued to the floor 27. It is also conceivable to use capacitive, inductive or optical measuring methods.
  • the measuring point 7 can be designed as an insert piece such that it is glued or welded into a through hole machined into the sleeve 1, wherein one of the supports 8 is already formed on the surface of the insert piece facing the longitudinal axis 4.
  • FIGS. 2a and 2b show the force measuring sleeve 1 in a further embodiment.
  • Seven measuring points 7 are now provided on an upper semicircle of the sleeve 1, so that the resultant force FR acting on the sleeve 1 in the region of the semicircle can be measured independently of one another for each measuring point 7. Accordingly, if it is not known from which direction ⁇ a resultant force F R acts on the sleeve 1, the seven measuring points 7 are activated one after the other, so that it is already recognized in which area of the seven measuring points 7 that the force is measured in this way significant proportion of the resulting force FR acts.
  • FIGS. 1 a to 2 b The exemplary embodiments and applications explained in FIGS. 1 a to 2 b are initially to be understood as purely exemplary.
  • the force measuring sleeve 1 is the Effective direction ⁇ and the amount of the resulting force F R can be measured, regardless of how soft these components are mounted in a soft installation situation.
  • the force measuring sleeve 1 is the Effective direction ⁇ and the amount of the resulting force F R can be measured, regardless of how soft these components are mounted in a soft installation situation.
  • the rotation or the angular change of the sleeve 1 can also be determined by this, so that in knowledge of a force amount as the measured value F M and the angular position the direction of action ⁇ and the amount that runs in the effective direction ⁇ , the resulting force F R can be calculated.
  • the measuring parts 7 may be arranged in a common measuring plane 22 or 23. It is also possible, the measuring planes 22 and 23 in a certain angular position, for example, offset by 90 ° to each other.
  • a cylindrical body 11 is inserted in the form of a shaft in the force measuring sleeve 1, which are connected to each other via a key 41 drivingly.
  • a groove 42 is incorporated in this.
  • the feather key 41 bears against a flank 43 formed by the support 8, so that the torques 10 'transmitted by the shaft 11 are transmitted via the feather key 41 and the groove 42 or to the flank 43 and thus the sleeve 1 is driven is.
  • the power flow can also take place in the opposite direction. It is crucial that the key 41 bears directly in the direction of the torque 10 'on the flank 43 of the sleeve 1 and this entrains, so that the power flow is guided by the support 8.
  • a tangentially directed force FT which is transmitted for example from the sleeve 1 to the shaft 1 1, is intended by the measuring arrangement be detectable.
  • the tangential force F T has a constant lever arm to the center of the shaft 11, which is commonly known.
  • an evaluation program based on the measured tangential force F T and in knowledge of the lever arm, provides an immediate calculation of which torque acts on the force measuring sleeve 1 or its support 8.
  • measuring points 7 are arranged at a certain angular distance ⁇ to each other. Starting from a first measuring point 7, further measuring points 7 can be arranged at a distance of 10 °. It is also conceivable to arrange the measuring points 7 at an angle of 90 ° or 180 °.
  • strain gauges 6 it is possible to attach the strain gauges 6 not only to the bottom 27 but also to the side wall 28 of the recess 5 in order to be able to measure the tangential forces Fj in the region of the side walls 28 and possibly shear forces in the region of the bottom 27.

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Abstract

Bei einer Kraftmess-Hülse (1) mit einer inneren und äußeren Mantelfläche (2, 3), die jeweils konzentrisch zu der Längsachse (4) der Hülse (11) ausgerichtet sind, soll ein Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der radial und tangential wirkenden Kräfte möglich sein. Dies wird dadurch erreicht, dass in die äußere Mantelfläche (3) eine oder mehrere Ausnehmungen (5) eingearbeitet ist bzw. sind, die jeweils eine senkrecht zu der Längsachse (4) verlaufende Symmetrieachse (31) aufweist, dass an der inneren Mantelfläche (2) mindestens zwei auf einer Kreisbahn (9) oder auf einer Schraubenlinie angeordnete Auflager (8) angebracht sind, die als eine konzentrische Kraftübertragungsfläche mit zueinander beabstandeten Ring - Segmenten ausgebildet sind, dass die um die Längsachse (4) verlaufende Kreisbahn (9) oder Schraubenlinie von Auflagern (8) jeweils zu einer der Ausnehmungen (5) fluchtend angeordnet ist und dass an dem Boden (27) und / oder der Seitenwand (28) der Ausnehmung (5) mindestens ein Dehnungsmessstreifen (6) befestigt ist, die zusammen mit der Ausnehmung (5) eine Messstelle (7) bilden.

Description

Kraftmess-Hülse sowie Mess- und Berechnungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmess-Hülse nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , auf vier Mess- und Berechnungsverfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 10, 11 , 12 und 14.
Aus der DE 102 45 768 B4 ist zu entnehmen, dass in einen zylinderförmigen Körper zwei umlaufende Nuten eingearbeitet sind, in denen eine Vielzahl von Dehnungsmessstreifen befestigt sind. Die Nuten und die Dehnungsmessstreifen bilden demnach die Messstelle. Die Nuten sind zueinander beabstandet. Von einer den Körper umgreifenden und an diesen anliegenden Hülse wird eine radial auf die Hülse einwirkende Kraft auf den Körper übertragen, die durch die Messstellen gemessen ist. Die radial wirkende Kraft bewirkt eine Durchbiegung des Körpers, der nach dem Stand der Technik als in einem Gehäuse drehfest eingespannte Achse ausgeführt ist.
Solche Kraftmess-Vorrichtungen haben sich zwar in der Praxis bewährt, weisen jedoch den Nachteil auf, dass ausschließlich der Betrag der resultierenden Kraft ermit- telt werden kann. Sobald beispielsweise die Winkelposition der resultierenden Kraft in einer anderen Richtung verläuft, ist die Kraftmess-Vorrichtung für diese neue Kraftrichtung neu zu kalibrieren. Insbesondere an Kranauslegerarmen ist es erforderlich, den Umschlingungswinkel eines Seils auf einem Umlenkrad zu kennen, um daraus permanent die resultierende radial wirkende Kraft, die auf das Umlenkrad und damit auf den Auslegearm einwirkt, zu ermitteln.
Der Umschlingungswinkel ist dabei abhängig von dem aus der horizontalen geneig- ten Winkeisteilung des Kranauslegerarms und hängt darüber hinaus auch von dem geometrischen Seilverlauf zur AbStützung des Kranauslegerarmes ab.
Des Weiteren ist bei dem bekannten Stand der Technik als nachteilig anzusehen, dass der Kraftmess-Körper als Achse, also als im Zentrum geschlossener Körper, ausgebildet ist. Oftmals ist es jedoch bei bestimmten Messanwendungen erforderlich, eine Hülse auf eine Achse oder eine Welle aufzuschieben, um mittels der Kraftmess-Hülse die radial wirkenden Kräfte zu messen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zunächst eine Kraftmess-Hülse der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, dass diese für ein Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der radia! und tangential wirkenden Kräfte verwendbar ist. Darüber hinaus soll ein Mess- und Berechnungsverfahren der eingangs genannten Gattung derart weitergebildet sein, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kraftmess- Hülse eine Messung und Berechnung der Winkelposition der resultierenden radial einwirkenden Kraft und deren Kraftbetrag bei wechselnden Kraftveriäufen und Kraftbelastungen zur Verfügung steht.
Die Aufgabe, die Kraftmess-Hülse in entsprechender konstruktiver Weise auszugestalten, ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles von Patentanspruch 1 gelöst.
Die Aufgabe, ein Mess- und Berechnungsverfahren der eingangs genannten Gattung weiterzubilden, ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 10, 11 , 12 und 14.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dadurch, dass in die äußere Mantelfläche der Kraftmess-Hülse eine Ausnehmung eingearbeitet ist, und dass fluchtend zu der Ausnehmung an der inneren Mantelfläche ein als Kraftübertragungsfläche dienendes Auflager angeformt ist, wird erreicht, dass die aufgenommenen radial wirkenden Kräfte unmittelbar im Bereich der Aus- nehmung, also der Messstelle, verlaufen. Folglich ist unabhängig von dem Verwendungszweck der Kraftmess-Hülse eine optimale Kraftermittlung zur Verfügung gestellt.
Da in der Innenmantelfläche mindestens zwei gegenüberliegende Auflager vorgese- hen sind, deren Oberflächenkontur konzentrisch verlaufen, ist erreicht, dass die Auflager als Zentrierung für die eingesetzte Achse oder Welle dienen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Ausnehmungen auf dem Umfang der äußeren Mantelfläche, auf einer Kreisbahn oder schraubentinienförmig oder auf einer oder mehrerer Kreisbahnen parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, denn dadurch ist von jeder Messstelle ein entsprechender Messwert in Abhängigkeit von der einwirkenden Radialkraft generierbar, so dass bereits durch die Erfassung der Kraftverteilung an den einzelnen Messstellen eine Berechnungsmöglichkeit besteht, um die Wirkungsrichtung der resultierenden Kraft und deren Betrag zu errech- nen.
Zudem kann die Kraftmess-Hülse auf eine Achse oder eine Welle aufgeschoben sein, um unmittelbar vor Krafteinleitung in die Achse oder Weile deren Winkelrich- tung und Kraftbetrag zu erfassen, so dass eine Vielzahl von Kraftmess-Hülsen auf eine gemeinsame Achse oder Welle aufgeschoben sein können, ohne dass sich die Radialkräfte von benachbarten auf Kraftmess-Hülsen einwirkenden resultierenden Kräften gegenseitig beeinflussen. Auch die Kraftrichtungen können von benachbarten Kraftmess-Hülsen völlig unterschiedlich sein so dass die jeweils resultierende Kraft ermittelt werden kann.
Durch die Bildung von einer oder mehrerer Messebenen ist erreicht, dass die wechselnden Winkelpositionen von resultierenden Kräften durch die einzelne Messebene erfasst ist, so dass zunächst die Kraftrichtung der resultierenden Kraft und anschlie- ßend der Betrag der resultierenden Kraft durch die vorliegenden Messergebnisse der einzelnen Messebenen berechnet werden können.
Zusätzlich kann ein Winkelgeber an der Kraftmess-Hülse vorgesehen sein, durch den die Winkelstellung der Hülse bezogen auf eine Ausgangsstellung permanent erfasst ist. Der Winkelgeber wirkt dabei mit einer in die Hülse eingearbeiteten Referenzkerbe zusammen, so dass die Winkelposition oder die Neigung der Referenzkerbe durch den Winkeigeber gemessen ist. Beispielsweise bei Umlenkrädern, an denen ein Seil geführt gehalten ist, verändert sich der Umschlingungswinkel des Seils an dem Umlenkrad in Abhängigkeit von der Neigung eines Kran-Auslegearms. Durch die Messung der Neigungswinkel der Hülse und in Kenntnis der geometrischen Setiverläufe an dem Kran kann errechnet werden, welcher Umschlingungswinkel für diesen Betriebszustand vorliegt, so dass aus diesem anschließend errechenbar ist, aus welcher Richtung die von der Seilkraft ausgeübte resultierende Kraft auf das Umlenkrad und damit auf die Hülse einwirkt.
In der Zeichnung sind drei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele einer Kraftmess- Hülse dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt: Figur 1 a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kraftmess-Hülse, in die eine
Achse eingeschoben ist, und in deren äußeren Mantelfläche zwei senkrecht zueinander verlaufende Ausnehmungen zur Bildung einer Messstelle eingearbeitet sind und an deren inneren Mantelfläche vier Ring-Segmente als Auflager angeformt sind, in Drauf- sieht,
Figur 1 b die Kraftmess-Hülse gemäß Figur 1a entlang der Schnittlinie ib-lb,
Figur 1 c die Kraftmess-Hülse entlang der Schnittlinie ic-lc,
Figur 2a ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftmess-Hülse, in die eine
Achse eingeschoben ist und in die auf einer Halbseite sieben Ausnehmungen zur Bildung von Messstellen eingearbeitet sind und an der ein Umlenkrad gelagert ist, in Draufsicht, Figur 2b die Kraftmess-Hülse gemäß Figur 2a entlang der Schnittlinie llb-llb und
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kraftmess-Hülse, in die ein Körper eingeschoben ist und in die auf zwei gegenüberliegenden Halbseiten eine Ausnehmung zur Bildung einer Messstelle eingearbeitet ist, wobei die Hülse und der Körper in kraftschlüssiger Wirkverbindung stehen, im Schnitt.
Den Figuren 1a, 1 b und 1c ist eine Kraftmess-Hülse 1 zu entnehmen, durch die eine auf diese radial einwirkende Kraft ermittelt werden soll. Die Kraftmess-Hülse 1 weist eine innere und eine äußere Mantelfläche 2 und 3 auf, die jeweils konzentrisch um die Längsachse 4 der Hülse 1 verlaufen. In die Hülse 1 ist eine Achse 10 eingeschoben, die mit der Innenkontur der Hülse 1 eine Spielpassung bildet und die an insgesamt acht Auflagern 8 zentriert gehalten anliegt. Die Auflager 8 sind jeweils als Ring- Segmente ausgestaltet. Jeweils vier der acht Auflager 8 liegen auf einer gemeinsamen Kreisbahn 9. Die beiden Kreisbahnen 9 verlaufen parallel zueinander und mit identischem Abstand um die Längsachse 4.
Die Oberfiächenkontur der jeweiligen Auflager 8 ist an den Durchmesser der Achse 10 angepasst, so dass die Achse 10 spielfrei an den acht Auflagern 8 anliegt.
In die Hülse 1 sind insgesamt vier Ausnehmungen 5 eingearbeitet, die rund ausgestaltet sind, so dass durch das Zentrum der jeweiligen Ausnehmung 5 eine Symmetrieachse 31 verläuft. Die Symmetrieachse 31 ist senkrecht zu der Längsachse 4 ausgerichtet. Eines der acht Auflager 8 ist einer der Ausnehmung 5 zugeordnet, und zwar derart, dass die Symmetrieachse 31 der Ausnehmung 5 und die Kreisbahn 9 in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Längsachse 4 steht.
An dem Boden 27 der Ausnehmung 5 ist mindestens ein Dehnungsmessstreifen 6 befestigt, der demnach gemeinsam mit der Ausnehmung 5 eine Messstelle 7 bildet. Die Dehnungsmessstreifen 6 werden üblicherweise elektrisch in einer Whea- ton'schen- Brücke zusammengeschaltet und sind auf dem Boden 27 verklebt. Es ist auch denkbar, kapazitive, induktive oder optische Messverfahren zu verwenden. Darüber hinaus kann die Messstelle 7 als Einsatzstück derart ausgestaltet sein, dass dieses jeweils in eine in die Hülse 1 eingearbeitete Durchgangsbohrung eingeklebt oder eingeschweißt ist, wobei bereits an der der Längsachse 4 zugewandten Oberfläche des Einsatzstückes eines der Auflager 8 angeformt ist.
Insbesondere aus Figur 1c sind die Kraftverläufe, die auf die Hülse 1 einwirken, ersichtlich. Durch die beiden Messstellen 7, die im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander stehen, allerdings auch in einem beliebigen Winkel von 180° oder weniger zueinander verlaufen können, werden die von den Auflagern 8, die an der inneren Mantelfläche 2 angeformt sind, übertragenen Messkräfte F I und FM2 gemessen.
Aufgrund der Kraftverteilung und des bekannten Winkels zwischen den zwei benachbarten Messstellen 7, kann zunächst die Wirkrichtung α einer resultierenden Kraft FR der Messkräfte FMi und F 2 errechnet werden. Durch die gemessenen Kräfte FMI und F 2 an den Messstellen 7 ist die Errechnung sowohl des Kraftbetrages der resultierenden Kraft FR als auch deren Wirkrichtung α möglich.
In den Figuren 2a und 2b ist die Kraftmess-Hülse 1 in einer weiteren Ausgestaltung abgebildet. Auf einem oberen Halbkreis der Hülse 1 sind nunmehr sieben Messstellen 7 vorgesehen, so dass die auf die Hülse 1 im Bereich des Halbkreises einwirkende resultierende Kraft FR für jede Messstelle 7 unabhängig voneinander gemessen werden kann. Wenn demnach nicht bekannt ist, aus welcher Richtung α eine resultierende Kraft FR auf die Hülse 1 einwirkt, werden die sieben Messstellen 7 nachein- ander aktiviert, so dass aufgrund der derart gemessenen Kraftbeträge bereits erkannt wird, in welchem Bereich der sieben Messstellen 7 der wesentliche Anteil der resultierenden Kraft FR einwirkt. Die Verwendung der beiden höchsten Kraftmessbeträge und in Kenntnis der Winkelstellung der Hülse 1 , in die die Referenzkerbe 26 eingearbeitet ist, deren Winkelposition durch den Winkelgeber 25 gemessen wurde, ist die Berechnung der Wirkrichtung der resultierenden Kraft FR sowie in Kenntnis der Wirkrichtung α der Kraftbetrag der resultierenden Kraft FR errechenbar.
Die in den Figuren 1 a bis 2b erläuterten Ausführungsbeispiele und Anwendungsfälle sind zunächst rein beispielhaft zu verstehen. Durch die Kraftmess-Hülse 1 soll die Wirkrichtung α und der Betrag der resultierenden Kraft FR gemessen werden können, und zwar unabhängig davon, in weicher Einbausituation diese Bauteile montiert sind. Bereits in Kenntnis von zwei zueinander winkelig beabstandeten Messstellen 7 der Kraftmess-Hülse 1 sind Rückschlüsse auf die Wirkrichtung α und auf den Betrag der resultierenden Kraft FR möglich. Wenn der Hülse 1 zusätzlic ein Winkelgeber 25 zugeordnet ist, der die Winkelbewegung einer Referenzkerbe 26 der Hülse überwacht, kann auch die Rotation bzw. die Winkelveränderung der Hülse 1 durch diesen ermittelt werden, so dass in Kenntnis eines Kraftbetrages als Messwert FM und der Winkelstellung die Wirkrichtung α und der Betrag, der in Wirkrichtung α verläuft, der resultierenden Kraft FR errechnet werden kann.
Die Messsteilen 7 können in einer gemeinsamen Messebene 22 oder 23 angeordnet sein. Es ist auch möglich, die Messebenen 22 und 23 in einer bestimmten Winkelposition, beispielsweise um 90° versetzt zueinander auszurichten.
Bei einer relativ gro bemessenen Winkeiveränderung der Wirkrichtung α ist es erforderlich, zwei oder mehr Messstellen 7 bzw. Messebenen 22, 23 vorzusehen, um entweder durch den Winkelgeber 25 vorab bestimmen zu können, in welchem Bereich der Messsteile 7 die Wirkrichtung α der resultierenden Kraft FR verläuft, um diese Messstellen 7 anzusteuern oder um die Kraftverteilung an den einzelnen Messstellen 7 zu bestimmen und daraus Rückschlüsse auf die Wirkrichtung α zu erhalten. Allerdings kann ohne einen Winkelgeber 25 über die nachgeschaltete Ansteuerung der einzelnen Messstellen 7 die Wirkrichtung α der resultierenden Kraft FR ermittelbar sein. Somit kann beispielsweise über die Summenbiidung der gemessenen Kraftbeträge der einzelnen Messstellen 7 eine Berechnung der Wirkrichtung α und des Kraftbetrages der resultierenden Kraft FR erreicht sein.
In Figur 3 ist in die Kraftmess-Hülse 1 ein zylinderförmiger Körper 11 in Form einer Welle eingesetzt, die über eine Passfeder 41 miteinander trieblich verbunden sind. Zur Abstützung der Passfeder 41 in der Welle 11 ist eine Nut 42 in diese eingearbeitet. Des Weiteren liegt die Passfeder 41 an einer von dem Auflager 8 gebildeten Flanke 43 an, so dass die von der Welle 11 übertragenen Drehmomente 10' über die Passfeder 41 und die Nut 42 bzw. an die Flanke 43 übertragen sind und somit die Hülse 1 angetrieben ist. Der Kraftfluss kann selbstverständlich auch in ungekehrter Richtung erfolgen. Entscheidend ist, dass die Passfeder 41 unmittelbar in Richtung des Drehmomentes 10' an der Flanke 43 der Hülse 1 anliegt und dieses mitnimmt, so dass der Kraftfluss durch das Auflager 8 geführt ist.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen verläuft demnach keine Kraft radial von innen nach außen oder von außen nach innen durch das Auflager 8, sondern eine tangential gerichtete Kraft FT, die beispielsweise von der Hülse 1 auf die Welle 1 1 übertragen ist, soll durch die Messanordnung erfassbar sein. Die Tangentialkraft FT weist einen konstanten Hebelarm zu dem Zentrum der Welle 11 auf, der üblicherweise bekannt ist. Die von einem Motor eingeleiteten Drehmomente und beispielsweise von einem Getriebe unter- oder übersetzten Kräfte sollen durch die erfindungsgemäße Kraftmess-Hülse 1 entweder direkt oder indirekt gemessen wer- den können.
Bei der direkten Drehmomentsmessung liefert ein Auswerteprogramm ausgehend von der gemessenen Tangentialkraft FT und in Kenntnis des Hebelarmes eine unmittelbare Berechnung, welches Drehmoment auf die Kraftmess-Hülse 1 bzw. dessen Auflager 8 einwirkt.
Bei der indirekten Drehmomentsbestimmung ist der Abstand I zwischen der Zahnflanke eines Zahnrades und der Mittelachse der Welle 11 bekannt oder wird aufgrund der geometrischen Gegebenheiten gemessen. Die eingeleiteten Tangentialkräfte FT schwanken in Abhängigkeit von der Leistung eines Motors in einem bestimmten Intervall. Durch die Kraftmess-Hülse 1 werden dann die Tangentialkräfte FT gemessen und es werden diese Kraftbeträge mit dem bekannten Hebelarm I multipliziert, um dadurch das einwirkende Drehmoment 10' zu errechnen. Sollten die Richtungen der einwirkenden Drehmomente 10' wechselweise, also im und entgegen des Uhrzeigersinns auf die Welle 1 einwirken, dann ist es erforderlich, dass zwei Passfedern 41 an den beiden gegenüberliegenden Flanken 43 des Auflagers 8 anliegen und das Auflager 8 entweder in die eine oder in die andere Richtung mitnehmen. Es ist auch vorstellbar, dass verschiedene solcher Messstellen in einem bestimmten Winkelabstand α zueinander angeordnet sind. Ausgehend von einer ersten Messstelle 7 können weitere Messstellen 7 in einem Abstand von 10° angeordnet sein. Es ist auch denkbar, die Messstellen 7 in einem Winkel von 90° oder 180° anzuordnen.
Darüber hinaus ist es möglich, die Dehnmessstreifen 6 nicht nur am Boden 27, sondern auch an der Seitenwand 28 der Ausnehmung 5 anzubringen, um die Tangentialkräfte Fj im Bereich der Seitenwände 28 und gegebenenfalls Scherkräfte im Be- reich des Bodens 27 messen zu können.
Insbesondere aus Figur 2a ist ersichtlich, dass durch die Hülse 1 ein Umlenkrad 21 , auf dem ein Seil 29 geführt ist, abgestützt ist. Das Umlenkrad 21 übt demnach radiale Kräfte auf die Hülse 1 aus, denn dieses ist mittels einer tagerschale 24 auf der Hülse 1 gehalten. Das Seil 29 umschlingt das Umlenkrad 21 mit einem sich ständig verändernden Umschlingungswinkel, so dass die resultierende Kraft FR permanent ihre Wirkrichtung α verändert.

Claims

Patentansprüche:
1. Kraftmess-Hülse (1) mit einer inneren und äußeren Mantelfläche (2, 3), die jeweils konzentrisch zu der Längsachse (4) der Hülse (1) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die äußere Mantelfläche (3) eine oder mehrere Ausnehmungen (5) eingearbeitet ist bzw. sind, die jeweils eine senkrecht zu der Längsachse (4) verlaufende Symmetrieachse (31 ) aufweist, dass an der inneren Mantelfläche (2) mindestens zwei auf einer Kreisbahn (9) oder auf einer Schraubenlinie angeordnete Auflager (8) angebracht sind, die als eine konzentrische Kraftübertragungsfläche mit zueinander beabstandeten Ring - Segmenten ausgebildet sind, dass die um die Längsachse (4) verlaufende Kreisbahn (9) oder
Schraubenlinie von Auflagern (8) jeweils zu einer der Ausnehmungen (5) fluchtend angeordnet ist und dass an dem Boden (27) und / oder der Seitenwand (28) der Ausnehmung (5) mindestens ein Dehnungsmessstreifen (6) befestigt ist, die zusammen mit der Ausnehmung (5) eine Messstelle (7) bilden.
2. Kraftmess-Hülse nach Anspruch 1 , dadurch geke n eichnet, dass die Breite der Auflager (8) in Längsrichtung (4) der Hülse (1 ) an die Breite der Ausnehmung (5) angepasst ist.
3. Kraftmess-Hülse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kreisbahnen (9) von Auflagern (8) parallel und beabstandet zueinander ausgerichtet sind.
4. Kraftmess-Hülse nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen abstehende Oberflächenkontur des Auflagers (8) konkav oder konvex, vorzugsweise mit einem Radius, gekrümmt ist, der von der Längsachse (4) einen konstanten Abstand aufweist und der konzentrisch zu dem Radius der inneren Mantelfläche (2) ist, und dass drei oder mehrere der Auflager (8) als Kreisbahn (9) eine gemeinsame Zentrierung bilden.
5. Kraftmess-Hülse nach einem der vorgenannten Ansrpüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messsteflen (7) in einer gemeinsamen Messebene (22 oder 23) oder dass zwei oder mehrere Messstellen (22, 23) in einem Winkel von kleiner als 180° zueinander angeordnet sind.
6. Kraftmess-Hülse nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hülse (1) eine Referenzkerbe (26) eingearbeitet ist und dass die Winkelposition der Referenzkerbe (26) ausgehend von einer Ausgangspositi^ on mittels eines Winkelgebers (25) gemessen ist.
7. Kraftmess-Hülse nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Hülse (1) ei Umlenkrad (21), ein Zahnrad (21') oder dgl. abgestützt ist und dass die von dem Umlenkrad (21 ) oder dem Zahnrad (21 ') übertragenen radial wirkenden Kräfte (Fs) auf die Messebene (22) oder Messebenen (22 oder 23), vorzugsweise in einem Winkel von 90°, einwirken.
8. Kraftmess-Hülse nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) mit einem zylinderförmigen Körper (1 ) in kraftschiüssiger Wärkverbindung steht, dass seitlich neben dem Auflager (8) der Hülse (1 ) eine Passfeder (41 ) zur Kraftübertragung zwischen der Hülse (1 ) und dem Körper (11 ) angebracht ist und dass das auf den Körper (11 ) einwirkende oder von diesem übertragene Drehmoment (10') mittels der Passfeder (41) zwischen dem Körper (11) und der Hülse (1 ) über die Flanke (43) des Auflagers (8) übertragen ist.
9. Kraftmess-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kraftmess-Körper (11) eine Nut (42) eingearbeitet ist, in die die Passfeder (41) eingesetzt ist und dass die Passfeder (41) in der Nut (42) und an der Flanke (43) des Auflagers (8) in Richtung des Drehmomentes (10) anliegt.
10. Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von einer radial wirkenden resultierenden Kraft (FR) mittels einer Kraftmess-Hülse (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Messen von einer oder mehreren Kraftkomponenten (FM , FM2). die fluch- tend zu der jeweiligen von der Hülse (1 ) zur Verfügung gestellten Messsteile (7) verlaufen und die auf die Hülse (1 ) einwirken,
- Errechnen oder Messen der Winkelposition der Hülse (1 ) bezogen auf eine Ausgangswinkelstellung,
- Ermitteln der Wirkrichtung f α ) der resultierenden Kraft (FR) bezogen auf die Winkelposition der Hülse (1 ) und bezogen auf die Messstelle (7),
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) in Abhängigkeit von den an der Messstelie (7) gemessenen Kraftanteilen (FMi , FM2)-
11. Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von einer radial wirkenden resultierenden Kraft (FR) mittels einer Kraftmess-Hülse (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: - Messen der Winkelposition der Hülse (1 ) mittels eines Winkelgebers (25),
- Messen von einer oder mehreren Kraftkomponenten (F I , FM2). die
fluchtend zu der jeweiligen von der Hülse (1 ) zur Verfügung gestellten Messstelle (7) einwirken,
- Ermitteln der Wirkrichtung ( α ) der resultierenden Kraft (FR) bezogen auf die Winkelposition der Hülse (1 ) und bezogen auf eine der Messstelien (7) und
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) in Abhängigkeit von den an der Messstelle (7) gemessenen
Kraftanteile (FMI , Fm)- 2. Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von radial wirkenden Kräften (FR) mittels einer Kraftmess-Hülse (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Messen der Winkelposition der Hülse (1 ) mittels eines Winkelgebers (25),
- Berechnen des Umschlingungswinkels ( ß ) einer Seilkraft (Fs) an dem
Umlenkrad (21 ) bezogen auf die gemessene Winkelposition der Hülse (1 ),
- Errechnen der Wirkrichtung ( α ) einer auf das Umlenkrad (21 ) radial einwirkenden resultierenden Kraft (FR) bezogen auf eine von der Hülse (1 ) zur Verfügung gestellten Messstelle (7) in Abhängigkeit von dem Umschlin- gungswinkel ( ß ),
- Messen der in der jeweiligen Messstelle (7) vorherrschenden Kraftkomponente (FMI, FM2),
- Errechnen des Betrages der resultierenden Kraft (FR) aus dem Anteil der Kraftkomponente (FM , FM2), die auf die jeweilige Messstelle (7) einwirkt.
13. Mess- und Berechnungsverfahren nach Anspruch 11 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine der Messstellen (7) in Abhängigkeit von der ermittelten oder errechneten Wirkrichtung ( α ) der resultierenden Kraft (FR) ausgewählt ist.
14. Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung von tangential wirkenden Kräften (FT) mittels einer Kraftmess-Hülse(1 ) nach einem der Ansprüche 1 , 8 oder 9 gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Einleiten des Kraftflusses seitlich an der Flanke (43) des Auflagers (8) der Kraftmess-Hülse (1 ) zur Erzeugung von Spannungen in der Kraftmess-Hülse (1 ), die von den Dehnungsmessstreifen (14) erfassbar sind,
- Auswerten der von den Dehnungsmessstreifen (6) ermittelten Messergebnisses und - Berechnen der im inneren der Kraftmess-Hüise (1) wirkenden Spannungen und der daraus resultierenden tangential eingeleiteten Kraft (FT).
Mess- und Berechnungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Berechnung der Spannungen unmittelbar die eingeleiteten Kraftkomponenten FT oder indirekt das auf die Kraftmess-Hüise (1 ) einwirkende Drehmoment ausgewiesen ist.
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