Die Erfindung bezieht sich auf einen zylinderförmigen Kraftmess-Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Mess- und Berechnungsverfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 8, 9, 10 und 12. Aus der DE 28 02 947 A1 ist eine dynamische Messanordnung für ein Kippmoment eines Hebezeugauslegers bekannt geworden. Dabei soll eine Kraftkomponente, die längs einer Messrichtung verläuft und mit einem bestimmten Winkel bezogen auf eine Bezugsiinie wirkt, gemessen werden. Zu diesem Zweck ist ein Messkörper vorgesehen, der mit dem Hubzylinder und über Lagerschalen mit dem Hebeausleger ver- bunden ist, so dass der Kraftfluss durch die Messstellen des Messkörpers geleitet ist. In den Messkörper sind dabei vier Ausnehmungen, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, eingearbeitet. In die Ausnehmungen sind in üblicher Weise die Dehnmessstreifen angebracht, um die eingeleiteten Spannungen zu messen, durch die die Ausnehmungen verformt sind.

Als nachteilig bei diesem Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass das Messergebnis oftmals fehlerbehaftet ist, da die Krafteinleitung und die Kraftausleitung durch den Messkörper nicht definiert und physikalisch nachprüfbar an bestimmten Positionen erfolgt, denn die Messstellen sind in vereinzelten Ausnehmungen in Form von Bohrungen vorgesehen, so dass die zu messenden Kräfte unmittelbar durch die Messstellen fließen und dort eine Materialverformung vornehmen, die von dem Messstreifen nicht zuverlässig erfasst werden kann. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des bekanntgewordenen Messkörpers ist ein solcher definierter Kraftfluss oftmals nicht zu erreichen, wenn nämlich die Kraftverläufe in einem ungünstigen Winkelverhältnis in den Messkörper eingeleitet werden,

Zudem können durch die bekannt gewordene Messanordnung keine tangential, son- dem ausschließlich radial verlaufende Kräfte gemessen werden. Auch herrscht zwischen dem Kraftmesskörper und einem auf diesen aufgesetzten Zahnrad oder Um- lenkrad keine kraftschlüssige Wirkverbindung. Die Messanordnung ist vielmehr an einem exakt vorgegebenen Messpunkt, nämlich zwischen einem Kranausleger und einem diesem abstützenden Hydraulikzylinder anzuordnen und kann daher nicht in Umlenkrädern oder dgl. eingebaut werden, um die dort herrschenden Kräfte mit sich ständig ändernden Kraftverläufen und Kraftbeträgen zuverlässig zu erfassen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zunächst einen Kraftmess-Körper der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, dass dieser für ein Mess- und Berechnungs- verfahren zur Ermittlung der radial und tangential wirkenden Kräfte verwendbar ist. Des Weiteren soll ein Kraftmess-Körper der eingangs genannten Gattung derart ausgestaltet sein, dass durch diesen eine Ermittlung der radial wirkenden Kräfte bei geänderten Winkelpositionen der resultierenden Kraftverläufe oder die durch Drehmomente entstehenden tangentialen Kräfte gemessen werden können. Darüber hin- aus soll ein Mess- und Berechnungsverfahren der eingangs genannten Gattung derart weitergebildet sein, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kraftmess-Körpers eine Messung und Berechnung der Winkelposition der resultierenden radial einwirkenden Kraft und deren Kraftbetrag bei wechselnden Kraftverläufen und Kraftbelastungen oder die Messung von Drehmomenten bzw. tangential verlaufenden Kräften zur Verfügung steht.

Die Aufgabe, den Kraftmess-Körper 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 8, 9, 10 und 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall ist dann gegeben, wenn ein zylinderför- miger Kraftmess-Körper, beispielsweise als Lagerachse für ein Umlenkrad, an dem freien Ende eines Kran-Auslegearmes zur Verfügung stehen soll. Bei dem Kraftmess-Körper ist es erforderlich, dass zwei gegenüberliegende Ausnehmungen eine Kraftmess-Ebene bilden, durch die senkrecht zu dieser verlaufende resultierende Messkräfte gemessen werden. Die gegenüberliegenden Ausnehmungen liegen demnach fluchtend auf einer gemeinsamen Symmetrieachse, die senkrecht zu der Längsachse des Kraftmess-Körpers ausgerichtet ist. In den Umfang der äußeren Mantelfläche können eine Vielzahl von zueinander gegenüberliegenden Ausnehmungen eingearbeitet sein, so dass mehrere Kraftmess-Ebenen gebildet sind, die in einem Winkel zwischen 90° und weniger zueinander verlaufen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Kraftmess-Körper trieblich bzw. kraftschlüssig mit einem Zahnrad in Wirkverbindung steht, denn dadurch ist zum einen gewährleistet, dass zwischen dem Messkörper und dem Zahnrad ein Kraftfluss für den An- oder Abtrieb des Zahnrades verwendet werden kann und zum anderen ist über die kraft- schlüssige Wirkverbindung zwischen dem Messkörper und dem Zahnrad im Inneren des Messkörpers ein Kraftfluss feststellbar, der durch die Dehnungsmessstreifen er- fasst werden kann. Folglich können durch die Messanordnung nicht nur radial wirkende Kräfte, sondern auch tangential verlaufende Kräfte, die aus Drehmomenten bei einer Verzahnung beispielweise entstehen, gemessen werden.

In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kraftmess-Körpers dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:

Figur 1a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei um- laufende Nuten, in denen jeweils vier Ausnehmungen vorgesehen sind, und auf den ein Umlenkrad zwischen den beiden umlaufenden Nuten angeordnet ist, in Draufsicht, Figur 1 b den Kraftmess-Körper gemäß Figur 1 a entlang der Schnittlinie Ib-Ib, ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei umlaufenden Nuten, in denen jeweils zwei gegenüberliegende Ausnehmungen zur Bildung einer Messebene vorgesehen sind, zwischen denen ein Umlenkrad angeordnet ist, in Draufsicht,

Figur 2b den Kraftmess-Körper gemäß Figur 2a entlang der Schnittlinie IIb— IIb, Figur 3a ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kraftmesskörpers mit zwei Paaren von Ausnehmungen, die gegenüberliegend zueinander verlaufen und in einem Winkel von kleiner als 90° zueinander versetzt sind, in Draufsicht, den Kraftmess-Körper gemäß Figur 3a in einem schematisch dargestellten Verwendungszweck im Schnitt, den Kraftmess-Körper gemäß 3a entlang der Schnittlinie lllc-fllc in einem Anwendungsbeispiel mit einem Umlenkrad, ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit zwei umlaufenden Nuten, in denen jeweils zwei Paare von zueinander gegenüberliegenden Ausnehmungen eingearbeitet sind, in Draufsicht, den Kraftmess-Körper gemäß Figur 4a entlang der Schnittlinie IVb-IVb und

Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kraftmess-Körpers mit einer

trieblichen Wirkverbindung zwischen diesem und einem Zahnrad zur Messung von Drehmomenten oder tangentialen Kräften.

In den Figuren 1 a und 1 b ist ein Kraftmess-Körper 11 abgebildet. Der Körper 11 dient als Achse und weist somit eine zylinderförmige Außenkontur auf. In den Körper 11 sind zwei um die Längsachse 4 des Körpers 11 ausgerichtete Nuten 12 eingearbeitet.

Die zwischen den zueinander beabstandeten Nuten 2 vorgesehene Mantelfläche des Körpers 11 dient als Kraftübertragungsfläche für ein Lager 24 eines Umlenkra- des 21. Durch das Umlenkrad 21 soll ein Seil 28 geführt gehalten sein. Der Körper 11 ist beispielsweise einem Umlenkrad 21 zu dessen Lagerung zugeordnet, durch das am freien Ende eines Kran-Auslegerarmes das Seil 28 zur Aufnahme von Lasten angeordnet ist.

Durch die Veränderung der Winkelstellung des Kran-Auslegerarmes aus der Horizontalen verändert sich in Abhängigkeit der Kranarmneigung der Umschlingungswin- kel ß an dem Umlenkrad 21. Für solche Winkelveränderungen soll der Kraftmess- Körper 11 dienen, durch den sowohl die Wirkrichtung α als auch der Betrag der re- sultierenden Kraft FR ermittelbar ist.

Die in den Körper 1 eingearbeiteten Nuten 12 weisen dabei jeweils zwei Ausnehmungen 13 auf, an deren Boden 27 jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifen 14 befestigt ist. Die Ausnehmungen 13 und die Dehnungsmessstreifen 14 bilden demnach gemeinsam eine Messstelle 15. Zwei Messstellen 15 liegen gegenüberliegend zueinander und bilden eine gemeinsame Messebene 22 oder 23, die senkrecht zu der Längsachse 4 verläuft. Gemäß Figur 1 b erfolgt die Messung jeder Messkraft senkrecht zu der jeweiligen Messebene 22 bzw. 23. Durch das Zentrum der jeweiligen Ausnehmung 13 verläuft eine Symmetrieachse 31 , die senkrecht zu der Längsachse 4 ausgerichtet ist. Wenn zwei Ausnehmungen 13 zueinander fluchtend angeordnet sind, so verlaufen die Symmetrieachsen 31 der gegenüberliegenden Ausnehmungen 13 fluchtend zueinander. Mehrere der Messstellen 15 können auf einer gemeinsamen Kreisbahn 9, die konzentrisch um die Längsachse 4 des Kraftmesskörpers 11 verläuft, angeordnet sein.

Des Weiteren ist in die Mantelfläche des Körpers 11 eine Referenzkerbe 26 eingearbeitet, deren Winkelposition bezogen auf eine Ausgangsstellung von einem Wtnkel- geber 25 permanent gemessen ist. Die Winkelposition der Referenzkerbe 26 liefert Angaben über den Umschlingungswinkel, so dass in Kenntnis der Winkeiposition der Referenzkerbe 26 der Umschlingungswinkel des Seiles 28 auf dem Umlenkrad 21 errechnet werden kann. Mit Kenntnis des Umschlingungswinkels ist demnach eine Berechnung der Wirkrichtung der resultierenden Kraft F _R möglich, und zwar bezogen auf eine der beiden Kraftmess-Richtungen F I oder F _M 2-

Durch die beiden Messebenen 22 und 23 und die daraus ermittelten Kraftbeträge der Messkräfte F _M1 und F 2 ist die Errechnung des Kraftbetrages für die resultierende Kraft FR möglich, so dass mit Hilfe des Kraftmess-Körpers 1 sowohl die Wirkrich- tung α als auch der Kraftbetrag der resultierenden Kraft F _R gemessen und errechnet werden kann.

In den Figuren 2a und 2b ist der Kraftmess-Körper 11 derart ausgestaltet, dass in die beiden umlaufenden Nuten 12 lediglich jeweils zwei gegenüberliegende Ausneh- mungen 13 eingearbeitet sind, die demnach eine Messebene 22 bilden. Die Messkraft F verläuft senkrecht zu der Messebene 22. Durch den Winkelgeber 25 wird die Winkelstellung des Körpers 11 gemessen, so dass erneut die Wirkrichtung α einer resultierenden Kraft FR ausgehend von der Messkraft-Richtung F gemessen und errechnet werden kann.

In den Figuren 3a, 3b und 3c ist der Kraftmess-Körper 1 der Figuren 1a und 1b gezeigt; jedoch ist der Anwendungsfall unterschiedlich zu Figur 1a und 1 b, denn die Wirkungsrichtung α der resultierenden Kraft F _R ist nicht bekannt. Der Umschlingungswinkel ß des Seils 28 auf dem Umfenkrad 21 ist vielmehr zu errechnen, und zwar aus der gemessenen Winkelposition des Körpers 11. Die resultierende Kraft verändert ihre Wirkungsrichtung α aufgrund unterschiedlicher Umschlingungswinkel ß permanent und in einem groß bemessenen Winkelbereich.

Zu diesem Zweck werden die Messstellen 15 bzw. die Messebenen 22 oder 23 nacheinander angesteuert, um die auf diese einwirkenden Kraftmessbeträge F _M i bzw. F _M2 ZU erfassen. Gemeinsam mit der Messung der Winkelposition der Referenzkerbe 26 durch den Winkelgeber 25 können dann Berechnungen angestellt werden, um die Wirkrichtung α der resultierenden Kraft F _R zu ermitteln. Auch durch die Messung der Kraftmessbeträge FMI und F _M 2 sind dann in Kenntnis der Wirkrichtung α der resultierenden Kraft FR sind Berechnungen bezüglich des Kraftbetrages der resultierenden Kraft F _R möglich.

In Figur 3b ist ein Anwendungsfall gezeigt, in dem der Körper 1 1 bereits mit den ent- sprechenden Messkräften FMI und Fm beaufschlagt ist; im Gegensatz dazu ist in Figur 3c der Anwendungsfall dargestellt, dass an dem Körper 1 1 über das Lager 24 das Umlenkrad 21 rotierbar abgestützt ist. Der in Figur 3b gezeigte Anwendungsfall soll verdeutlichen, dass der Kraftmess-Körper 11 beispielsweise als Achse oder auch als Welle für ein Umlenkrad 21 , ein Zahnrad 21 ' oder dergleichen einsetzbar ist.

Den Figuren 4a und 4b ist zu entnehmen, dass in die Außenkontur des Kraftmess- Körpers 1 1 jeweils drei Ausnehmungen 13 in einer der Nuten 12 eingearbeitet sind, um drei Messebenen 22, 22' und 23 zur Verfügung zu stellen. In Figur 5 ist eine kraftschlüssige Wirkverbindung zwischen dem Kraftmess-Körper 1 1 und dem Zahnrad 21 ' dargestellt. Der Kraftmess-Körper 1 ist nämlich über eine Passfeder 41 mit dem Zahnrad 21 ' verbunden. Dabei ist in dem Messkörper 1 1 eine Nut 42 und in das Zahnrad 21 ' eine Nut 42' eingearbeitet, die im montierten Zustand zueinander fluchtend ausgerichtet sind und in die die Passfeder 41 eingesetzt ist. Der Messkörper 11 wirkt demnach als Antriebs- oder Abtriebswelle, denn eine tangential verlaufende Kraft FT wird entweder von dem Zahnrad 21 ' auf den Körper 11 oder umgekehrt übertragen.

Die Passfeder 41 nimmt daher die tangential verlaufende Kraft FT auf und stützt diese an einer Flanke 43' des Körpers 11 ab, so dass diese über die Flanke 43 der Nut 42 an den Körper 11 weitergeleitet ist. Durch die nunmehr im Inneren des Körpers 1 1 wirkende Tangentialkraft FT entstehen Torsionen, Scherungen oder Spannungen, die von den Dehnmessstreifen 14, die in der Aussparung 13 sowohl am Boden 27 und/oder an einer der Seitenwand 29 angebracht sind, erfasst werden, so dass durch die Dehnmessstreifen 14 entweder unmittelbar das auf das Zahnrad 21' einwirkende Drehmoment erfassbar oder indirekt über die geometrischen Abstandsverhältnisse die Tangentialkraft F _T gemessen werden kann. Ein solcher Messkörper 1 1 dient beispielsweise dazu, die unterschiedlichen Drehmomentverläufe, die zwischen einem Motor und einem Getriebe bzw. zwischen dem Getriebe und einer Abtriebswelle 11 herrschen, zu erfassen. Aufgrund der bekannten geometrischen Abstände zwischen den Krafteinleitungspunkten an den Zahnflanken des Zahnrades 21 ' und dem Mittelpunkt des Messkörpers 1 1 ist es möglich sowohl als Messergebnis, die Tangentialkraft F _T als auch das Drehmoment zu berechnen. Wenn nämlich durch die Dehnungsmessstreifen 7, die im Inneren des Messkörpers 1 1 herrschenden Spannungsverhältnisse gemessen sind, dann kann hieraus die einwirkende Tangentialkraft Fr errechnet werden. Diese Kraftbeträge können unmittel- bar ausgewiesen werden oder über die bekannten Abstände ist ein Drehmoment errechenbar. Die geometrischen Abstände sind mit der Bezugskennzeichnung I in Figur 5 versehen.