Dehnungs- und Krafünesser
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungs- und Kraftmesser.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass ein Bedürfnis für ein Messinstrument besteht, welches entweder eine kleine Längenänderung oder eine verhältnismässig kleine Kraft in eine praktisch proportionale Drehung eines in bezug auf eine Skala beweglichen Teiles umsetzt.
Der erfindungsgemässe Dehnungs- und Kraftmesser ist gekennzeichnet durch mindestens zwei eine gemeinsame Rotationsachse aufweisende, mit Bezug aufeinander drehbare Organe, die durch mindestens einen an ihren Rändern befestigten, windschief zur Achse angeordneten Stab verbunden sind, so dass die Relativdrehung der beiden Organe als Mass für die Kraft oder die Dehnung dient.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt:
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dehnungsmessers,
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Geometrie der Fig. 1,
Fig. 3 ein Kugelgelenk,
Fig. 4 die Charakteristik eines Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 für verschiedene Werte zweier Parameter,
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5,
Fig. 7 ein drittes sowohl als Dehnungs- als auch als Kraftmesser dienendes Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 eine Variante zu Fig. 7,
Fig. 9 eine weitere Ausbildung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 8,
Fig. 10 eine Variante zu Fig. 1,
Fig. 11 eine Variante zu Fig. 6,
Fig. 12 das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 mit Zeiger und Skala.
Die in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Achse 1, an welcher ein Arm 2 und ein Arm 3 drehbar und axial verschiebbar angeordnet sind. Diese beiden Arme 2, 3 sind durch einen mit Bezug auf die Achse 1 windschief angeordneten Stab 4 verbunden. Die Verbindung zwischen den Enden des Stabes 4 und denjenigen der Arme 2, 3 erfolgt mittels Kugelgelenk 5.
Fig. 3 zeigt beispielsweise ein spielfreies Kugelgelenk. Am Arm 3 (oder 2) ist eine Kugel 5a angebracht, welche in eine Bohrung 5b der Stange 4 mit wenig Spiel eingreift. Ein konischer Teil 5c der Bohrung ist in Kontakt mit der Kugel 5a, von einer, mittels der Schraube 5e an der Stange 4 befestigten Feder, leicht angedrückt. Andere Kugelgelenke, auch solche mit Spiel, sind möglich, wenn z. B. (nicht gezeichnet) mittels einer Feder der Stab 4 immer in einer Richtung, z. B. auf Druck, beansprucht wird.
Die Geometrie dieser Vorrichtung ist in Fig. 2 näher erläutert. Die Länge O1D des Armes 2 ist mit C1, die Länge 02C des Armes 3 mit r2, die Länge des Stabes 5 mit 1 bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Arm 3 und der achsenparallelen Projektion 02B des Armes 2 auf die Rotationsebene des Armes 3 ist mit ç bezeichnet. Ferner wird der Abstand der Punkte 0102 voneinander Z genannt.
Es sei noch:
1 1 r2 Z r1 r1 r1
Wird der Arm 3 von oben nach unten versetzt, so erfährt eine gewisse Drehung, die als Mass für die Veränderung des Abstandes Z gilt.
Wie es eine elementare Ableitung zeigt, ist m2 = las - a2 + 2a cos g, - 1
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von ç in Funktion von m für verschiedene a. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, hat jede Kurve einen Wendepunkt w (für alle II > 2), die bei ç etwas grösser als 900 (für alle n > 3) liegt.
Die Drehung des Stabes 3 gegenüber dem Stab 2 um den Winkel < phat zur Folger dass sich auch der Stab 4 gegenüber mindestens einem der Arme 3 bzw.
4 um eine Längsachse drehen muss. Ausserdem erfolgt eine Drehung der Stäbe 4 um die Achse je der Kurbel 2 bzw. 3. Es sind somit zur Verbindung der Kurbeln 2 bzw. 3 mit dem Stab 4 Kugelgelenke notwendig.
In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Arme 2, 3 sind durch Scheiben 6, 7 ersetzt. Diese Scheiben 6, 7 sind durch eine Anzahl von windschief angeordneten Stäben 8 verbunden. Die Stäbe 8 sind zweckmässig regelmässig verteilt und weisen Verjüngungen 9 auf, die als elastische Drehund Biegegelenke dienen.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei welcher eine Scheibe 6' und eine zweite Schar von Stäben 8' mit Bezug auf die Scheibe 7 spiegelsymmetrisch zur Scheibe 6 angeordnet sind.
In beiden Ausführungen bilden die Verjüngungen 9 virtuelle Gelenke, deren effektiver Gelenkpunkt etwa in der Mitte der Verjüngungen liegt. Die Verjüngungen sollen mit Bezug auf die Stäbe klein genug bemessen sein, so dass die Charakteristik des Messers nicht wesentlich beeinträchtigen. Mit elastischen Gelenken wird sowohl eine Abnützung als auch ein Spiel vermieden.
Fig. 7 ist t ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein zwischen zwei Scheiben 6 und 7 angeordneter Hohlzylider durch windschiefes Schlitzen eine Stabschar 10 bildet.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem zwischen den Scheiben 6, 6' und 7 zwei Hohlzylinderflächen 10 und 11 angeordnet sind, welche gegengleich windschief geschlitzt zwei Stabscharen 12 bilden. Wird die Messstrecke, d. h. der Abstand zwischen den Scheiben 6 und 6' lage- oder kraftschlüssig verändert, so erfährt die Scheibe 7 eine Verdrehung gegenüber den Scheiben 6, 6', wobei diese Verdrehung ein Mass für die Abstandsänderung der Scheiben 6, 6' bildet.
Die Charakteristik der Ausführungsbeispiele 7 und 8 weicht verhältnismässig stark von den Kurven der Fig. 4 ab. In der Tat wird jeder Stab der Stabscharen über eine ganze Länge verdreht, und an den Enden gegengleich gebogen. Ferner werden die Stäbe einem Längsdruck ausgesetzt, so dass ihre Länge verkürzt wird. Diese Verkürzung hat eine Verminderung der Verdrehung der Scheibe 7 gegenüber der Scheibe 6 bzw. den Scheiben 6, 6' zur Folge. Der Wendepunkt der Charakteristik wird hierdurch in
Richtung der kleineren Werte von ç verlegt.
In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das aus Scheiben 6, 7 und einer windschiefen Stabschar 10 besteht. Ferner ist eine weitere Scheibe 13 vorgesehen, die mittels einer achsparallelen Stabschar 14 mit der Scheibe verbunden ist. Die Stäbe 15 dieser Stabschar bilden ein reibungs- und spielfreies Gegenlager der Scheibe 7. Ein solches oder andersartiges Gegenlager (Axiallager) ist immer notwendig, wenn nicht zwei gegen-windschiefe Stabscharen angeordnet sind.
Man nehme zunächst an, dass die Stäbe 15 durch ideelle Gelenke mit den Scheiben 7 und 13 verbunden seien. Es ist einleuchtend, dass die Scheibe 7 bei kleinen Verdrehungen um die Längsachse ihren Abstand gegenüber der Scheibe 13 nicht wesentlich ändert, jedenfalls viel weniger als die gewollte Abstandsänderung zwischen den Scheiben 6 und 7 bei gleicher Verdrehung. Somit wirkt die Stabschar 15 wie ein reibungs- und spielfreies Axiallager, das allerdings in einem gewissen Ausmass die Charakteristik der Obersetzung beeinflusst, was deshalb bei der Forderung genauer Proportionalität der Obersetzung berücksichtigt werden muss.
Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1, 5 und 6 sind als Dehnungsmesser gedacht. Man kann sie aber auch als Kraftmesser verwenden. Hierzu genügt es, eine lineare Feder (hier angedeutet als Spiralfeder 16) an den Scheiben 6, 6' (Fig. 11) anzuschliessen. Der prinzipiell mit Fig. 10 dargestellte Kraftmesser hat eine Charakteristik, die ziemlich genau derjenigen der Fig. 4 entspricht, wobei jetzt M eine normierte Kraft bedeutet.
Beim ebenfalls prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist die Charakteristik nur dann ähnlich derjenigen der Fig. 4, wenn die Steifheit der durch die Verjüngung 9 gebildeten Gelenke, mit Bezug auf diejenigen der Feder 16, vernachlässigbar ist.
Hingegen kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 oder 8 ohne weiteres direkt auch als Kraftmesser dienen. Seine Gestaltung erlaubt ihm eine axiale Kraft aufzunehmen und sich entsprechend zu deformieren. Da die axialen Federkräfte mit zunehmenden q > abnehmen, ist die Charakteristik dieses Kräfte messers verschieden von derjenigen als Dehnungsmesser.
Die Nichtlinearität der Axial-Federkonstante hat zur Folge, dass der Wendepunkt der Kurve bei einem vorhanden ist, der kleiner ist als im Falle des Gebrauches als Dehnungsmessung.
In der obigen Beschreibung sind alle Ausführungsbeispiele ohne Zeiger und ohne Skala dargestellt worden. In Fig. 12 ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 mit Zeiger und Skala dargestellt.
In einem massiven Federkörper 20 mit einem Langlodhschlitz 21 ist in der Längsachse ein Messe element nach Fig. 8 befestigt. Ein Zeigerarm 22 mit einer Spitze 22a befestigt an der Scheibe 7 bestreicht eine Skala 23, welche am Federkörper 20 mittels der Arme 24 befestigt ist.
Die Skala 23 kann auch am Zeigerarm 22 befestigt sein. Die Arme 24 tragen in diesem Fall eine Ablesemarke und können eine optische Vcrgrösse- rungs einrichtung tagen.
An der Scheibe 7 kann zweckmässig ein Gegengewicht 25 zum Zeigerarm 22 befestigt werden, was die Messeinrichtung lageunempfindlich macht.
Es können auch technisch äquivalente Mittel verwendet werden, um die Drehung der Scheibe 7 anzuzeigen, und zwar sowohl für dieses als auch für die anderen Ausführungsbeispiele.
Stretchers and strengths
The present invention relates to a strain and force gauge.
It has been shown in practice that there is a need for a measuring instrument which converts either a small change in length or a comparatively small force into a practically proportional rotation of a part that is movable with respect to a scale.
The strain and dynamometer according to the invention is characterized by at least two organs which have a common axis of rotation and which can be rotated with respect to one another and which are connected by at least one rod attached to their edges and arranged at an angle to the axis, so that the relative rotation of the two organs as a measure of the Force or stretch is used.
In the accompanying drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically:
Show it:
1 shows a first embodiment of a strain gauge,
FIG. 2 is a sketch to explain the geometry of FIG. 1,
3 shows a ball joint,
4 shows the characteristics of an exemplary embodiment according to FIG. 1 for different values of two parameters,
5 shows a second embodiment,
6 shows a variant of FIG. 5,
7 shows a third exemplary embodiment serving both as a strain gauge and as a force gauge,
8 shows a variant of FIG. 7,
FIG. 9 shows a further development of the exemplary embodiment according to FIG. 8,
10 shows a variant of FIG. 1,
11 shows a variant of FIG. 6,
FIG. 12 shows the embodiment according to FIG. 8 with pointer and scale.
The device shown in principle in Fig. 1 consists of an axis 1 on which an arm 2 and an arm 3 are rotatably and axially displaceably arranged. These two arms 2, 3 are connected by a rod 4 which is arranged skewed with respect to the axis 1. The connection between the ends of the rod 4 and those of the arms 2, 3 is made by means of a ball joint 5.
3 shows, for example, a backlash-free ball joint. A ball 5a is attached to the arm 3 (or 2) and engages in a bore 5b of the rod 4 with little play. A conical part 5c of the bore is slightly pressed into contact with the ball 5a by a spring fastened to the rod 4 by means of the screw 5e. Other ball joints, including those with play, are possible if, for. B. (not shown) by means of a spring, the rod 4 always in one direction, for. B. on pressure is claimed.
The geometry of this device is explained in more detail in FIG. The length O1D of the arm 2 is denoted by C1, the length 02C of the arm 3 by r2, and the length of the rod 5 by 1. The angle between the arm 3 and the axis-parallel projection 02B of the arm 2 on the plane of rotation of the arm 3 is denoted by ç. Furthermore, the distance between the points 0102 is called Z.
It is still:
1 1 r2 Z r1 r1 r1
If the arm 3 is displaced from top to bottom, it experiences a certain rotation, which is a measure of the change in distance Z.
As an elementary derivative shows, m2 = las - a2 + 2a cos g, - 1
Figure 4 is a graph of ç as a function of m for various a. As can be seen from this figure, every curve has an inflection point w (for all II> 2), which at ç is slightly greater than 900 (for all n> 3).
The rotation of the rod 3 with respect to the rod 2 by the angle <phat with the consequence that the rod 4 is also opposite to at least one of the arms 3 or
4 must rotate around a longitudinal axis. In addition, the rods 4 rotate about the axis of each of the cranks 2 or 3. Thus, 4 ball joints are necessary to connect the cranks 2 and 3 to the rod.
In Fig. 5, a second embodiment is shown. The arms 2, 3 are replaced by disks 6, 7. These disks 6, 7 are connected by a number of rods 8 arranged at an angle. The rods 8 are expediently evenly distributed and have tapers 9 which serve as elastic pivot and bending joints.
6 shows a further embodiment in which a disk 6 ′ and a second set of rods 8 ′ are arranged with mirror symmetry to disk 6 with respect to disk 7.
In both versions, the tapering 9 form virtual joints, the effective hinge point of which is approximately in the middle of the tapering. The tapers should be dimensioned small enough with respect to the rods so that the characteristics of the knife are not significantly impaired. With elastic joints, both wear and play are avoided.
7 is an exemplary embodiment in which a hollow cylinder arranged between two disks 6 and 7 forms a bar 10 by slitting at an angle.
8 shows a further exemplary embodiment in which two hollow cylindrical surfaces 10 and 11 are arranged between the disks 6, 6 'and 7, which form two sets of rods 12 slotted in opposite directions. If the measuring section, d. H. If the distance between the disks 6 and 6 'changes positionally or non-positively, the disk 7 experiences a rotation relative to the disks 6, 6', this rotation forming a measure of the change in the distance between the disks 6, 6 '.
The characteristics of the exemplary embodiments 7 and 8 deviate relatively greatly from the curves in FIG. In fact, each bar of the bar shares is twisted over an entire length and bent in opposite directions at the ends. Furthermore, the bars are subjected to longitudinal pressure, so that their length is shortened. This shortening results in a reduction in the rotation of the disk 7 relative to the disk 6 or the disks 6, 6 '. The turning point of the characteristic is thereby in
Relocated towards the smaller values of ç.
In Fig. 9 an embodiment is shown, which consists of disks 6, 7 and a crooked bar share 10. Furthermore, a further disk 13 is provided, which is connected to the disk by means of an axially parallel bar 14. The bars 15 of this bar share form a friction-free and play-free counter bearing of the disc 7. Such a counter bearing or a different type of counter bearing (axial bearing) is always necessary if two bars that are skewed against each other are not arranged.
Let us first assume that the bars 15 are connected to the disks 7 and 13 by ideal joints. It is evident that the disc 7 does not significantly change its distance from the disc 13 with small rotations about the longitudinal axis, at least much less than the desired change in distance between the discs 6 and 7 with the same rotation. The bar share 15 thus acts like a frictionless and backlash-free axial bearing, which, however, influences the characteristics of the transmission to a certain extent, which must therefore be taken into account when exact proportionality of the transmission is required.
The embodiments according to FIGS. 1, 5 and 6 are intended as strain gauges. But you can also use it as a force gauge. For this purpose, it is sufficient to connect a linear spring (indicated here as a spiral spring 16) to the disks 6, 6 '(FIG. 11). The dynamometer shown in principle with FIG. 10 has a characteristic which corresponds almost exactly to that of FIG. 4, where M now means a normalized force.
In the embodiment according to FIG. 11, which is also shown in principle, the characteristic is only similar to that of FIG. 4 if the rigidity of the joints formed by the taper 9, with respect to those of the spring 16, is negligible.
On the other hand, the embodiment according to FIG. 7 or 8 can also serve directly as a force gauge. Its design allows it to absorb an axial force and to deform accordingly. Since the axial spring forces decrease with increasing q>, the characteristic of this force meter is different from that of a strain gauge.
The non-linearity of the axial spring constant has the consequence that the turning point of the curve is present in one that is smaller than when it is used as a strain measurement.
In the above description, all the exemplary embodiments have been shown without a pointer and without a scale. In Fig. 12 the embodiment of FIG. 8 is shown with pointer and scale.
In a massive spring body 20 with a Langlodhschlitz 21 a fair element is attached to FIG. 8 in the longitudinal axis. A pointer arm 22 with a tip 22a attached to the disk 7 sweeps a scale 23 which is attached to the spring body 20 by means of the arms 24.
The scale 23 can also be attached to the pointer arm 22. The arms 24 in this case carry a reading mark and can mount an optical magnification device.
A counterweight 25 to the pointer arm 22 can expediently be attached to the disk 7, which makes the measuring device insensitive to position.
Technically equivalent means can also be used to indicate the rotation of the disk 7, both for this and for the other exemplary embodiments.