DE3604418A1 - Kraftmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßeinrichtung mit einem auf Krafteinwirkung ansprechenden Element und einem Träger dafür sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bekannte Kraftmeßeinrichtungen dieser Art, insbesondere die sogenannten Dehnungsmeßstreifengeber verwenden einen Träger aus Metall insbesondere Stahl oder Aluminium, auf dem dann Strei­ fen aus Material aufgebracht werden, dessen Widerstand sich bei Beanspruchung auf Biegung oder Scherung verändert. Die Formgebung des Trägers erfolgt vor dem Aufbringen der Meß­ streifen durch entsprechende Bearbeitung bzw. durch Gießen in einer entsprechenden Form. Metallträger neigen unter Umwelt­ einflüssen zur Korrosion besonders empfindlich sind jedoch die Meßstreifen, die gegenüber derartigen Umwelteinflüssen isoliert werden müssen. Es ist deshalb erforderlich, in dem Träger Hohlräume anzubringen, an deren Wänden dann die Meß­ streifen aufgebracht werden, gefolgt von einem Beschichtungs­ vorgang. Für den Einbau derartiger Kraftmeßeinrichtungen müssen weitere Maßnahmen getroffen werden, wie die An­ bringung von Gewindebohrungen, das Ausbilden von Flanschen und dergleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßein­ richtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellen läßt als bekannte Kraftmeßeinrichtungen. Ferner sollen die Eigen­ schaften insbesondere die Langzeitbeständigkeit, Korrosions­ empfindlichkeit, Isolation und dergleichen verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kraft­ meßeinrichtung, bei der der Träger zumindest vorwiegend aus Polymerbeton besteht.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftmeßein­ richtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist zwar bekannt, Polymerbeton etwa im Werkzeugmaschinen­ bau für Maschinenständer oder dergleichen zu verwenden; andererseits wurde es bisher jedoch nicht erkannt, daß gerade die besonderen Eigenschaften von Polymerbeton diesen Werkstoff hervorragend geeignet zum Einsatz in der Kraft­ meßtechnik machen. So läßt sich Polymerbeton als Träger in beliebiger Form mit sehr hoher Genauigkeit gießen, wobei der Schwund wesentlich geringer ist als bei Metallguß, der bei hohen Temperaturen erfolgen muß, während Polymerbeton kalt gegossen wird und innerhalb kürzester Zeit aushärtet. Es kann dabei eine beliebige Oberflächenstruktur erreicht werden; ebenso ist eine beliebige Einfärbung möglich. Von besonderer Bedeutung ist die Zugfestigkeit des Polymerbetons sowie seine Dämpfungseigenschaften. Auch lassen sich An­ schlußteile und dergleichen ohne weiteres eingießen. Be­ sonders wesentlich ist, daß die auf Krafteinwirkung anspre­ chenden Elemente in den Träger eingegossen werden, so daß sie auf Grund der wasserabweisenden Eigenschaft gegenüber Umwelteinflüssen vollkommen isoliert sind. Bei Ausbildung des Trägers aus Polymerbeton erübrigen sich auch weitere Maßnahmen zum Korrosionsschutz.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kraft­ meßeinrichtung sowie das Verfahren zu deren Herstellung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung für Biegebeanspruchung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung für Scherungsbeanspruchung;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung in Stempelform zur Ausnutzung der Längs- und Querkontraktion;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Einrichtung mit flächenmäßiger Ausdehnung der auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente;

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung in Form eines Balkenträgers;

Fig. 6 eine sechste Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Einrichtung mit topfförmiger Ausbildung und

Fig. 7 eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung in ringförmiger Ausführung.

Es sei darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 1 bis 7 ge­ zeigten Ausführungsformen nur einige Beispiele der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung wiedergeben, wobei die Darstellung auf das prinzipielle beschränkt wurde, da dem Fachmann ent­ sprechende Kraftmeßeinrichtungen aus Metall bekannt sind.

Fig. 1 zeigt einen Träger 10, der mit seinem einen Ende in ein beliebiges Fundament 14 eingespannt ist, während sein anderes Ende durch eine Kraft F belastet ist, so daß der Trä­ ger 10 auf Biegung beansprucht wird. Nahe der Ober- und Unterseite des Trägers 10 ist mindestens je ein auf Kraftein­ wirkung ansprechendes Element, insbesondere ein Dehnungs­ meßstreifen 12 a bzw. 12 b eingegossen, wobei sich die Deh­ nungsmeßstreifen bevorzugt parallel zu der Ober- bzw. Unter­ seite in Richtung zwischen dem belasteten und dem einge­ spannten Ende erstrecken. Bevorzugt wird man im Träger 10 in Abstand zu den Dehnungsmeßstreifen 12 a und 12 b senkrecht zur Zeichenebene je ein weiteres Element vorsehen, die dann in bekannter Weise zur einer Wheatstone′schen Brücke zusammen­ schaltbar sind. Wie bekannt wird auf Grund der Einwirkung der Kraft F auf den Träger 10 das oder die oberen Dehnungs­ meßstreifen 12 a auf Dehnung und die unteren Dehnungsmeß­ streifen 12 b auf Stauchung beansprucht. Hierbei ändert sich der Widerstand der Elemente 12 a, 12 b in Abhängigkeit von der Kraft F, so daß bei Anliegen von Spannung an den Elementen 12 a, 12 b entsprechende Signaländerungen auftreten, die für die Anzeige der Größe der Kraft F dienen.

Erfindungsgemäß ist der Träger 10 zumindest überwiegend be­ vorzugt jedoch vollständig aus Polymerbeton hergestellt, der beispielsweise ein Acrylbeton sein kann. Einzelheiten bezüg­ lich des Polymerbetons werden an späterer Stelle noch ange­ geben.

Bereits dieses erste prinzipielle Beispiel zeigt den wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrich­ tungen gegenüber bekannten Einrichtungen. Die Dehnungsmeß­ streifen werden im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen nicht an deren Oberfläche oder in bestimmten Hohlräumen ange­ bracht und dann isoliert, sondern bereits bei der Herstellung des Trägers 10 eingegossen, so daß sie einerseits stabil an­ geordnet sind und zum anderen von jeglichen äußeren Ein­ flüssen abgeschlossen sind.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform mit einem in ein beliebiges Fundament 24 an seinem einen Ende eingespannten Träger 20 aus Polymerbeton, dessen anderes Ende wiederum mit einer Kraft F belastbar ist. Bei dieser Kraftmeßeinrichtung treten an die Stelle der auf Dehnung der beanspruchten Meß­ streifen der Fig. 1 eine Reihe von parallel zueinander und schräg zur Oberseite eines Trägers 20 aus Polymerbeton einge­ gossenen Meßstreifen 22 a im oberen Bereich und eine entspre­ chende Reihe von Meßstreifen 22 b im unteren Bereich des Trä­ gers 20.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Träger 10 bzw. 20 und auch die Träger der nachfolgenden Ausführungsbeispiele be­ liebige Form haben können, da sie aus Polymerbeton gegossen werden, der eine entsprechende Gießform äußerst genau und vollständig ausfüllt. Ferner besteht die Möglichkeit den Trä­ ger 10 bzw. 20 gegebenenfalls gleich in das Fundament 14 bzw. 24 oder eine beliebige andere Halterung mit einzugießen, so daß sich jede weitere Befestigung erübrigt.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Kraftmeßeinrichtung mit einem Träger 30 aus Polymer­ beton in Form eines Stempels mit beispielsweise kreisför­ migem oder quadratischem Querschnitt. Diametral gegenüber­ liegend bzw. an einander entsprechende Stellen zweier gegen­ überliegener Seitenflächen ist in der Nähe der Oberfläche in dem Stempel aus Polymerbeton je ein senkrechter Meßstreifen 31 und bevorzugt je ein waagerechter Meßstreifen 32 angeordnet. Falls erwünscht, können weitere Meßstreifen über den Umfang verteilt vorgesehen sein. Der Träger 30 stützt sich auf einem Fundament 34 ab und trägt an seiner oberen Stirnfläche eine Kallotte 36 über die eine Kraft F eingeleitet wird. Die Kallotte 36 kann entweder aus Polymerbeton bestehen und be­ reits beim Gießen mit angeformt sein oder sie besteht bei­ spielsweise aus Stahl und wird entweder bereits zum Gießen in die Form eingesetzt oder aber kurz vor Beendigung des Aushär­ tens an die Stirnfläche angedrückt, so daß sich eine gut haftende Verbindung ergibt.

Die Kraftmeßeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform spricht wie in der Kraftmeßtechnik bekannt auf Längs- und Querkon­ traktion an. Auch hier sind die Meßstreifen wiederum bereits bei der Herstellung des Trägers eingegossen. Sie können da­ bei bevorzugt auf einer Stahlfeder angeordnet sein.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung mit einer größeren Quer­ schnittsfläche mit der eine etwa unsymmetrische Belastung ausgeglichen werden kann. Die Einrichtung ruht auf einem Fundament 44 und besitzt zwei zueinander parallele Platten 43 und 45, die aus Stahl oder bevorzugt aus Polymerbeton be­ stehen können und einen Träger 40, in dem wiederum die auf die Krafteinwirkung ansprechenden Elemente 41 und 42 einge­ gossen sind. Diese können beispielsweise eine flächige Aus­ führung in Form von druckempfindlichen Folien oder Gittern aufweisen, die bei Druckbeanspruchung ihren Widerstand, ihre Kapazität oder eine andere feststellbare Eigenschaft ändern. Die Einleitung der Kraft F erfolgt wiederum über eine Kallotte 46. Der Träger 40 ist aus Polymerbeton.

Beim fünften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 liegt ein Trä­ ger 50 aus Polymerbeton mit seinen gegenüberliegenden Enden auf je einem Schneidenlager 55 bzw. 57 auf, die sich auf einem Fundament 54 abstützen. Ähnlich dem Ausführungsbei­ spiel der Fig. 2 sind in den Träger entsprechende Reihen von auf Scherung ansprechende Meßstreifen 51 a, 51 b, 52 a und 52 b angeordnet und zwar entsprechend symmetrisch zu den beiden Symmetrieachsen des Trägers 50.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit einem zylindrischen Träger 60 aus Polymerbeton, der sich über einen umlaufenden Rand 61 auf einem Fundament 64 abstützt, zwischen dem und der Unterseite des Trägers 60 ein zylindrischer Hohlraum 68 ausgebildet ist. In der Nähe der oberen Stirnfläche ist ein ringförmiges Meßelement 61 und in der Nähe der unteren Stirnfläche ein ringförmiges Meßelement 62 in den Träger 60 eingegossen. Diese Kraftmeßeinrichtung arbeitet wiederum unter Ansprechen auf Biegung unter dem Druck der Kraft F, wo­ bei das Element 61 und das Element 62 in je einem Zweig einer Wheatstone′schen Brücke liegt, deren andere beiden Zweige durch je einen gegebenenfalls einstellbaren Widerstand ge­ bildet werden, wie dies in der Meßtechnik bekannt ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung mit einem zylindrischen oder ringförmigen Träger 70 aus Polymerbeton, in den wiederum auf Kraftein­ wirkung ansprechende Elemente, bevorzugt Dehnungsmeßstreifen 71 a, 71 b, 72 a, 72 b diametral auf der Horizontalachse der An­ ordnung gegenüberliegend in der Nähe der Außen- bzw. Innen­ mantelfläche eingegossen sind. Die Einrichtung stützt sich beispielsweise über eine Kallotte 75 an ihrem untersten Ende auf einem Fundament 74 ab, während die Kraft F über eine diametral gegenüberliegende Kallotte 76 eingeleitet wird. Dieses Ausführungsbeipiel arbeitet ähnlich der Fig. 1 und 6 unter Ansprechen auf Biegung des Trägers 70 unter dem Einfluß der Kraft F.

An die Stelle der Dehnungsmeßstreifen können auch andere Elemente mit Vorteil verwendet werden, etwa solche die auf piezo-elektrischer oder piezo-resistiver Basis arbeiten.

Die Dehnungsmeßstreifen oder andere Elemente können auf einer entsprechende Unterlage aus Metallfolie, Stahlfedern oder Kunststoffolie aufgebracht sein, was die Positionierung in der Gußform für den Träger erleichtert.

Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung wird eine zur gewünschten Form des Trägers komplementäre Form hergestellt, wobei der Träger eine beliebige erforder­ liche, gießbare Gestalt haben kann. In der Form werden dann die Kraftaufnahmeelemente etwa mittels Kunststoff oder Metallstützen oder anderen Befestigungsgliedern angeordnet. Die Form wird dann mit einer Mischung aus entsprechendem Füllmaterial, insbesondere SiO₂ gegebenenfalls mit Glas oder Faserzusätzen und dem gewünschten Kunststoff gefüllt, nach dem letzterer gut mit dem Füllstoff vermischt und die Aus­ härtung eingeleitet wurde. Der Anteil des Kunststoffs kann in der Größenordnung von drei Gewichtsprozent liegen. Nach kürzester Zeit beispielsweise 20 Minuten ist der Träger aus­ gehärtet und kann aus der Form entfernt werden. Es sei da­ rauf hingewiesen, daß selbstverständlich die elektrischen Verbindungen von den Meßelementen z. B. 12 a ebenfalls vor dem Gießen angeordnet und bis an die Formwand geführt sind. Falls erwünscht können auch bestimmte elektrische Teile der Meßanordnung wie Widerstände oder dergleichen bereits in den Träger mit eingegossen werden.

Alternativ zu der genannten Verfahrensweise können Kraftmeß­ elemente, die in der Nähe der Oberseite der Form liegen auch erst nach vollständigem oder überwiegendem Einfüllen des Polymerbetons in der Form angebracht werden. Für beson­ dere Belastungen kann eine Bewährung in Form von Draht- oder Kunststoffstäben oder-Matten in dem Träger eingegossen werden. Auch Befestigungs-, Krafteinleitungs- und andere Teile können bereits mit eingegossen werden, so daß keine eigenen Maßnahmen dafür erforderlich sind.

Die auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente können auch auf einem Keramikträger aufgebracht sein, der sich mit Vor­ teil in den Träger eingießen läßt. Die Bewehrung des Trä­ gers kann auch vorteilhaft aus Kohlestofffasern bestehen. Ferner können in den Träger entsprechende Stahlfedern ein­ gegossen werden. Die Anpassung des Elastizitätsmoduls, der Linearität der Einrichtung und eine eventuell vorhandene Pfysterese können somit einmal durch entsprechende Zusammen­ setzung des Polymerbetons und zum anderen durch entsprechende Einlagerungen in weiten Grenzen der jeweiligen Anwendung angepaßt werden.

Das vorstehend Polymerbeton genannte Material ist auch unter dem Begriff Polymerguß bekannt. Hierzu wird auf die Firmen­ schrift KID-Info der Firma K.I.D. Imprägniertechnik GmbH, Georgenstr. 8, D-8018 Grafing, verwiesen. Ebenso auf den Auf­ satz "Polymerbeton ein Werkstoff für gegossene Maschinenbau­ teile?" von Widmoser und Nicklau. Als polymere Kunststoffe für den Polymerbeton bzw. -guß sind zu nennen Epoxydharze (UP) bzw. Mischungen davon. Füllstoffe sind vorzugsweise Quarz­ oder Kreidemehle oder Quarzite oder gebrochener Granit. Fer­ ner können Glas- oder bevorzugt Kohlestoffasern verwendet werden. Auch andere Füllstoffe kommen in Frage, sofern sie keine wesentliche chemische Reaktion mit dem verwendeten Harz eingehen und trocken sind. Die für den Polymerguß ver­ wendeten Kunststoffe sind kalthärtend. Die Härtung wird durch geeignete bekannte Härtersysteme gestartet und ist nach we­ nigen Minuten bis mehreren Stunden abgeschlossen. Da die Form­ technik der aus den polymeren Kunststoffen und den Füll­ stoffen gefertigten Werkstücke der Metallgußfertigung mit Dauerformen am ähnlichsten ist, sind alle in dieser Form­ technik bekannten Maßnahmen auch auf den Polymerguß bzw. -beton anwendbar mit der zusätzlichen Eigenschaft der Kalt­ härtung, so daß auf hohe Temperaturen keine Rücksicht ge­ nommen werden muß.

Zur Entfernung von eventuellen Luftblasen in dem Polymerbe­ ton kann dieser zumindest in der Anfangsphase der Aushärtung einem Vakuum oder einer mehrfachen Erdbeschleunigung, etwa durch Rotation ausgesetzt werden, wie dies beispielsweise in der PCT/EP 85/00 691 beschrieben ist.

Claims (19)

1. Kraftmeßeinrichtung mit mindestens einem auf Krafteinwir­ kung ansprechenden Element und einem Träger dafür, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger zumindest überwie­ gend aus Polymerbeton besteht.

2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenneich­ net, daß die auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente in den Träger aus Polymerbeton eingegossen sind.

3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente jeweils nahe der Oberfläche des Trägers eingegossen sind.

4. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Träger weitere Elemente, Befestigungs-, Krafteinleitungselemente und/oder elektrische Bauteile mit eingegossen sind.

5. Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Träger mit eingegossener Bewehrung.

6. Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zur Kraft­ meßung auf Biegung, Scherung, Längs- und/oder Querkon­ traktion belastbar ist.

7. Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger balken-, stempel-, topf- oder ringförmig ist.

8. Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Kraftein­ wirkung ansprechenden Elemente Dehnungsmeßstreifen, piezo­ resistive, piezo-elektrische piezo-kapazitive Elemente, auf Druck ansprechende Widerstandsschichten bzw. Halbleiter-DMS sind.

9. Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffanteil am Polymerbeton in der Größenordnung von bevorzugt zwei bis fünf Prozent und insbesondere in der Größenordnung von drei Prozent liegt.

10. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hauptbestandteil des Polymerbetons SiO₂ mit einer Korngröße von 0 bis 10, bevorzugt 0 bis 8mm ist.

11. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Polymerbeton als Füllmaterial Glas, Fasern , Matten oder Netze aus Kunststoff beigefügt sind.

12. Verfahren zum Herstellen einer Kraftmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß in einer entsprechend der Gestalt des Trägers komplementär ausgebildeten Form auf Krafteinwirkung an­ sprechende Elemente an gewünschten Positionen angeordnet und Polymerbeton, in dem die Härtung eingeleitet wurde, in die Form eingefüllt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Form weitere Elemente wie Befestigungs-, Kraftein­ leitungselemente und/oder elektrische Bauteile vor dem Gießen mitangeordnet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil der auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente und/oder der zusätzlichen Elemente erst nach Einfüllen des Polymerbetons in die Form eingebracht wer­ den.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger in eine Halterung, ein Fundament oder dergleichen mit eingegossen wird.

16. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymerbeton Kohlestoff­ fasern zugesetzt sind.

17. Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß in den Polymerbeton Ke­ ramikelemente, Kunststoff- und/oder Metallelemente einge­ lagert sind, wobei die auf Krafteinwirkung ansprechenden Elemente auf den Keramikelementen aufgebracht sein­ können.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul, die Linearität, eine Pfysterese und/oder andere Eigenschaften des Trägers durch geeignete Wahl der Zusammensetzung des Polymerbe­ tonmaterials und/oder Einlagerung von Metall-, Keramik­ und/oder Kunststoffelementen der jeweiligen Anwendung an­ gepaßt werden.

19. Verwendung von Polymerbeton in der Kraftmeßtechnik.