DE2837448C2

DE2837448C2 - Vorrichtung zum Messen von Scherkräften

Info

Publication number: DE2837448C2
Application number: DE19782837448
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8033 Planegg Ritzinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1978-08-28
Publication date: 1980-09-04
Also published as: DE2837448B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Scherkräften an Probekörpern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art weisen üblicherweise ein zellenaitig ausgebildetes Meßelement auf, das in seinem Innern Dehnungsmeßstreifen trägt und an zwei parallelen Außenflächen den zu messenden Scherkräften unterworfen wird. Nachteilig sind hierbei jedoch außer einer geringen Meßgenauigkeit die relativ großen Abmessungen und ein komplizierter Aufbau, so daß sich eine solche Vorrichtung nicht dazu eignet, die beispielsweise im Innern von Materialien, insbesondere an deren Schichtgrenzen auftretenden Scherkräfte zu messen.

Der Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der gaUungsgemäßen Art zur Beseitigung der genannten Nachteile in kompakter Bauform mit geringen Abmessungen und einfachem Aufbau derart auszugestalten, daß sie sich auch zur Messung von Scherkräften im Innern von Materialien eignet und gleichzeitig genaue Meßergebnisse zu erzielen gestattet.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestal tungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung läßt sich außerordentlich präzise herstellen, da sie außer den Dehnungsmeßstreifen - nur aus drei Teilen besteht, nämlich zwei weitgehend identischen starren Schalen und einer dazwischen anzuordnenden Kraftmeßplatte. Diese Teilie sind derart fest miteinander verbunden, vorzugsweise durch Punktschweißen oder beispielsweise auch durch Kleben, daß dann, wenn die beiden Schalen an parallelen Außenflächen tangential den entgegengesetzt gerichteten Kraftkomponenten der zu messenden Scherkräfte unterworfen werden und sich demgemäß gegeneinander zu verschieben suchen, die Kraftmeßplatte in ihrem die Dehnungsmeßstreifen tragenden einen Bereich auf Druck und in ihrem ebenfalls Dehnungsmeßstreifen tragenden anderen Bereich auf Zug beansprucht wird.

Der dadurch gegebene einfache Aufbau der Vorrichtung wird noch durch den Vorteil einer kompakten Bauform ergänzt, da sie sich mit außerordentlich geringen Abmessungen herstellen läßt. So sind minimal beispielsweise ohne größere Schwierigkeiten Abmessungen von ca.

0,8 -8 12 mm (Höhe X Breite X Länge)
realisierbar. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Anwendung der Vorrichtung zum Messen von Seherkräften an den Grenzen von Matcrialschichten im Innern eines Körpers, beispielsweise eines Kräftfahrzcugreifens,da hierbei ein Meßelement mit geringen Abmessungen nicht nur erwünscht, sondern sogar notwendig ist, um die Voraussetzung zum Erzielen genauer MeLtergebnisse zu schaffen.

Diese Meßergebnisse lassen sich mit der Vorrichtung in außerordentlich hoher Genauigkeit und mit großem Auflösungsvermögen erzielen, da die noch zu messende, stabil auflösbare Minimalkraft bei etwa H)^-2 N, d. h. also bei ca. 1 ρ liegt. Demgegenüber sind der zu messenden Maximalkraft nvr durch Bauhöhe und Breite natürliche konstruktive Grenzen gesetzt, so daß beispielsweise bei einer Breite der Vorrichtung von 10 mm und einer Höhe von 0,8 mm Pzw. 1,0 mm bzw. 2,0 mm die maximal zu messende Kraft den hohen Wen von 10³ N bzw. 5 10³N bzw. 2,5 · U)^A N erreicht. Alle senkrecht zur Meßachse auftretenden »Stör«-Kraftkomponenten werden von der Vorrichtung ignoriert, da diese sich symmetrisch auf Wheatstonesche-Dehnungsmeßstreifenbrücke auswirken.

Da schließlich die Vorrichtung in einem Temperaturbereich von maximal ca. —200 bis +270° C abgeglichen werden kann, ist sie außerordentlich vielseitig anwendbar und kann insbesondere in zu untersuchenden Materialien bereits bei deren Formung ohne Beeinträchtigung miteingegossen, d. h. also bei einem Kraftfahrzeugreifen beispielsweise in die Umfangswand einvulkanisiert werden.

Die Vorrichtung kann im übrigen mit Vorteil beispielsweise auch zur Drehmomentenmessung eingesetzt werden, wobei sie dann direkt an der dem Drehmoment, d. h. also der Scherkraft unterworfenen Stelle zwischen zwei Materialgrenzen angeordnet wird. Bei einem durch eine Welle angetriebenen und hiermit verkeilten Drehteil liegt diese Stelle zweckmäßigerweise zwischen Nuut und Feder bzw. Paßkeil.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 schematisch das als Scherkraftmeßvorrichtung dienende Meßelement im Längsschnitt,

Fig. 2 das Meßelement in Draufsicht mit abgenommener oberer Schale zur Verdeutlichung der Anordnung der Dehnungsmeßstreifen, und

Fig. 3 schematisch das Meßelement in einer die Lage der Schalenbefestigungsbereiche verdeutlichenden Darstellung.

Das aus der Zeichnung ersichtliche Meßelement 1 weist etwa eine parallelepipedische Form mit rechteckigem Grundriß auf und bildet ein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse. Dieses ist durch zwei starre Schalen 2, 3 aus Metall oder Kunststoff gebildet, die durch einen geeigneten Formvergang, beispielsweise im Wege des Pressens, bzw. Erodierens geformt sinti. Die beiden Schalen 2,3 sind unter Zwischenlage einer ebenen Kraftmeßplatte 4 einander zugekehrt, so daß die Böden 5 der Schalen 2, 3 parallel zueinander verlaufen.

Die zwischen den Schalen 2, 3 etwa in d*r Längsmittelebene des dadurch gebildeten Gehäuses angeordnete Kraftmeßplatte 4 weist eine der Schalengrundfläche entsprechende Größe auf. Hierbei sind die durch die zu messenden Kräfte P₁, P. gegeneinander beweglichen Schalen 2, 3 in besonderer Weise starr mit der Platte 4 verbunden, und zwar derart, daß die eine Schale 2 - beim i·:·^.-teilten Ausführungsbeispiel die untere Schale gemäß Fig. 1 oder 3 - mit zwei gegenüberliegenden Randbereichen 6, 7 ihrer Rechteckschmalkanten an der Unterseite der Platte 4 befestigt ist, wahrend die Schale 3 - die obere Schale gemäß Fig. I oder 3 beim dargestellten Ausführungsbeispiel - mil einem zu den Randbereichen 6. 7 der Schale 2 parallelen Mittelbereich 8 an der Platte 4 festgelegt ist. Die jeweiligen Schalenbefestigungsbereiche 6, 7, 8 sind durch Punktschweißen mit der Platte 4 verbunden.

Zum Zweck des leichteren Verbindens mit der Platte 4 sind die Randbereiche 6, 7 der Schale 2 als Flansche ausgebildet, die an entsprechende Stellender den schmalen Boden 5 begrenzenden Schalenwand 9 angeformt sind und parallel zur Platte 4 verlaufen. In entsprechender Weise ist der zur Festlegung an der

i» Platte 4 dienende Mittelbereich 8 der Schale 3 dadurch gebildet, daß der Boden 5 dieser Schale 3 mittig in einem zu den Flanschen 6,7 der Schale 2 parallelen Bereich eingezogen ist, und zwar so weit nach innen in Richtung zur Platte 4, daß der Steg dieses eingezo-" > genen Mittelbereiches 8 ohne Schwierigkeiten mit der Platte 4 verbunden werden kann.

Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich, sind des weiteren die Schalen 2, 3 symmetrisch zu ihrer durch die Platte 4 gebildeten Längsmittelebene ausgebildet, so

-'» daß die Schale 2 ebenfalls einen eingezogenen Mittelbereich 8' aufweist und die Schale 3 — genau wie die Schale 2 — mit einander gegenüberliegenden Flanschen 6', T versehen ist. Tatsächlich sind jedoch die Schalen 2,3 nicht vollständig symmetrisch zueinander ausgebildet, weil einerseits, der eingezogene Mittelbereich 8' der Schale 2 und andererseits die Flansche 6', T der Schale 3 einen bestimmten, wenn auch geringfügigen Abstand zur Platte 4 besitzen bzw. gegenüber dieser verschieblich sein müssen.

«ι Um zu diesem Zweck die Reibung zu minimieren und eine Verfälschung des Meßergebnisses auszuschalten, ist die Platte 4 oberseitig an ihren den Flanschen 6', T der Schale 3 zugekehrten Randbereichen, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit einer reibungsarmen

Jj Materialschicht 10 beschichtet, die bevorzugt aus PTFE-Kunststoff besteht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Platte 4 unterseitig an ihrem den Mittelbereich 8' der Schale 2 zugekehrten Mittelbereich ebenfalls eine reibungsarme Material-

4i) schicht 11 auf, wobei es selbstverständlich möglich ist, diese Materialschichten 10 und/oder 11 auch an den entsprechenden Stellen 6', T, 8' der Schalen 2,3 selbst vorzusehen. In jedem Fall kann dann, wenn derartige reibungsarme Materialschichten 10, 11 vorgesehen > sind oder die zur Rede stehende Reibung durch geeignete andere Mittel minimiert ist, der Abstand dieser Schalenteile 6', T, 8' zur Platte 4 theoretisch zu Null gemacht werden, so daß das gesamte Meßelement 1 ein geschlossenes Gehäuse bildet. Dies ist insbeson-

jo dere dann von Bedeutung, wenn die hierdurch gebildete Vorrichtung bei bestimmten Anwendungsgebieten, beispielsweise der Messung von Scherkräften zwischen einzelnen Schichten in den Laufflächen bzw. Umfangswänden von Kraftfahrzeugreifen in das den

j j Scherkräften unterworfene Material zwischen Schichtgrenzen eingegossen werden soll.

Wie aus der Zeichnung weiterhin ersichtlich, wird die Verformung der ebenen Kraftmeßplatte 4 in Zugoder Druckrichtung durch Dehnungsmeßstreifen-

Wi paare 12, 13 erfaßt, die auf ein und derselben Seite der Platte 4- an der Plattenoberseite beim dargestellten Ausführungsbeispiel - befestigt und in üblichei Weise mit aus dem Meßelement 1 herausgeführten Anschlüssen 14 verbunden sind. Jedes Dehnungs-

■,-, melJstreifenpaar 12 bzw. 13 ist hierbei an der Platte 4 zwischen zwei Schalenbefestigungsbereichen 6,8 bzw. 8, 7 in gleichem Abstand zu diesen angeordnet. Unter der Voraussetzung daß das Scherkräftenaar I'.. P.

in der aus Fig. 1 oder 3 ersichtlichen Richtung wirkt, ist somit das Dehnungsmeßstreifenpaar 12 an der zwischen den beiden Schalenbefestigungsbereichen 6. 8 gebildeten linken Plattenhälfle auf Druck und das Dehnungsmeßstreifenpaar 13 an der zwischen den beiden Scru.lenbefestigungsbereichen 8, 7 gebildeten rechten Plattenhälfte auf Zug beansprucht, wie in Fig. 3 durch die Pfeile /',„, P_w (für Druck) und l\_r P-,₇ (für Zug) angedeutet.

Wegen der gegeneinander in Richtung der Ebene der Platte 4 verschieblichen Schalen 2, 3 ist die Anwendung des beschriebenen Meßclcmentes 1 üblicherweise derart vorgesehen, daß man die zu messende, durch das Kräftepaar P₁, P₁ gebildete Scherkraft entlang der Außenflächen der Schalenböden 5 wirken läßt, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Da beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Meßelcment 1 diejenigen Scherkräfte P_r P₂ erfaßt werden, die η zwei benachbarten inneren Materialschichten 15, 16 eines Kraftfahrzeugstreifens beim Kurvenfahren auftreten, ist das Meßelement 1 demgemäß in Längsrichtung zu den auftretenden Scherkräften P_r P-, zwischen diesen Materialschichten 15,16 an deren Schichtgrenzen eingegossen, insbesondere einvulkanisiert, und zwar derart, daß die Schale 2 mit der Materialschicht 15 und die Schale 3 mit der Material-

schicht 16 verbunden ist. Hierbei wird durch die eingezogenen Mittelbereiche 8',8 der Schalen 2,3 die innige Verbindung der Schalen 2,3 mit den Matcrialschichten 15, 16 begünstigt und somit eine einwandfreie Kraftübertragung gewährleistet. Zu diesem Zweck können auch die Außenflächen der Schalenböden 5, gegebenenfalls einschließlich derjenigen der Schalenwände 9, durch Aufrauhen od. dgl. uneben ausgebildet sein.

Wenn dann das Meßelcment 1 den in den Materialschichten 15, 16 zu messenden Scherkräften /',, /', unterworfen wird, suchen sich die Schalen 2. 3 entsprechend der Größe dieser Kräfte /',, P₂ um einen bestimmten proportionalen Betrag gegeneinander zu verschieben. Hierdurch wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Platte 4, da an ihr die Schalen 2. 3 in der beschriebenen speziellen Weise befestigt sind, in ihrer linken Hälfte zwischen den Schalenbefestigungsbereichen 6, 8 auf Druck und in ihrer rechten Hälfte zwischen den Schalenbefestigungsbereichen 8. 7 auf Zug beansprucht. Entsprechendes gilt für die an der Platte 4 festgelegten Dehnungsmeßstreifenpaaie 12,13, deren Kontraktion bzw. Dehnung in der üblichen Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt und über eine Wheatstonesche Brücke abgegriffen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Scherkräften an Probekörpern, insbesondere an den Schichtgrenzen von Probekörpern aus geschichtetem Material, mit einem durch die Scherkräfte verformbaren, zellenartig ausgebildeten Meßelement, das eine im wesentlichen parallelepipedische Form hat und in seinem Innern Dehnungsmeßstreifen trügt, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) das Meßelement (1) besieht aus zwei unter Zwischenlage einer ebenen Kraftmeßplatte

(4) einander zugekehrten Schalen (2, 3), an deren einander abgekehrten Außenflächen

(5) die zu messenden, entgegengesetzt gerichteten Kräfte (P₁, P₂) der Schichtgrenzen tangential angreifen;

b) die Schalen (2, 3) sind derart starr mit der Platte (4) verbunden, daß die eine Schale (2) mit zwei gegenüberliegenden Randbereichen (6, 7) und die andere Schale (3) mit einem zu diesen Randbereichen (6, 7) parallelen Mittelbereich (8) an der Platte (4) festgelegt ist;

c) die Dehnungsmeßstreifen (12, 13) sind auf der Platte (4) zwischen jeweils zwei Schalenbefestigungsbereichen (6, 8 bzw. 8, 7) angeordnet;

d) die Dehnungsmeßstreifen (12, 13) sind an der zwischen zwei Schalenbefestigungsbereichen gebildeten einen Plattenhälfte auf Druck und an der anderen Plattenhälfe auf Zug beansprucht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberliegenden, der Festlegung an der Platte (4) dienenden Randbereiche (6,7) der ersten Schale (2) als Flansche ausgebildet sind, die an die Schalenwand (9) angeformt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Festlegung an der Platte (4) dienende Mittelbereich (8) der zweiten Schale (3) vom Schalenboden (5) aus nach innen eingezogen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbereiche (6, 7, 8) der beiden Schalen (2, 3) durch Punktschweißen mit der Platte (4) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalen (2, 3) in bezug auf ihre durch die Platte (4) gebildete Längsmittelebene symmetrisch ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens diejenigen freien Randbereiche (6', T) der zweiten Schale (3), die den an der Platte (4) festgelegten Randbereichen (6,7) der ersten Schale (2) gegenüberliegen, mit einer reibungsarmen Materialschicht (10) aus Kunststoff zusammenwirken, die an diesen freien Randbereichen und/oder an den zugeordneten Plattenbereichen angebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Dehnungsmeßstreifen (12, 13) auf der einen Seite der Platte (4) befestigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der beiden Schalen (2, 3) zur innigen Verbindung mit den den Scherkräften unterworfenen Materialschichten (15, 116) aufgerauht sind.