DE102013202647A1

DE102013202647A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Schnittkräften

Info

Publication number: DE102013202647A1
Application number: DE102013202647.1A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schlipf; Matthias Giese
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-21
Also published as: US9274015B2; US20140230569A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Schnittkräften an einem einstückigen Strukturelement in Bezug auf eine Schnittebene mit einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen, wobei ein erster und ein zweiter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf einer ersten Außenwandung angeordnet sind und ein dritter und ein vierter Dehnungsmessstreifen auf einer zweiten Außenwandung angeordnet sind, so dass bei Belastung des Strukturelementes mit einer ersten Kraft, die Längenänderung des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenwandung und die zweite Außenwandung im Bereich eines Hohlraums zumindest drei Aussparungen aufweisen, die durch Stege voneinander getrennt sind, und dass der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen auf den Stegen angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Schnittkräften an einem einstückigen Strukturelement in Bezug auf eine Schnittebene mit einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen, wobei das Strukturelement eine erste und eine zweite Außenwandung aufweist, die senkrecht zu der Schnittebene verlaufen, sich spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene zueinander erstrecken und durch weitere Außenwandungen verbunden sind, wobei die erste Spiegelebene senkrecht zu der Schnittebene verläuft, wobei jeder Dehnungsmessstreifen eine Messrichtung aufweist und der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens von der Länge des Dehnungsmessstreifens in Messrichtung abhängig ist, wobei ein erster und ein zweiter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf der ersten Außenwandung angeordnet sind und ein dritter und vierter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf der zweiten Außenwandung angeordnet sind, wobei die Dehnungsmessstreifen so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelements mit einer ersten Kraft, die parallel zu der Schnittebene und parallel zu der ersten Spiegelebene wirkt, der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist.
Unter einer Schnittkraft oder Schnittgröße oder Schnittreaktion wird das Wirken von Kräften und Drehmomenten innerhalb eines Strukturelements oder Bauteils verstanden. Es handelt sich dabei um die Kräfte, die ein Strukturelement aufbringen muss, um unter der Einwirkung von äußeren Kräften oder Drehmomenten nicht zu versagen. Schnittkräfte oder auch Schnittreaktionen sind einem Strukturelement von außen nicht anzusehen. Man muss, daher der Name, ein Strukturelement entlang einer Schnittebene gedanklich aufschneiden, um die in dem Strukturelement wirkenden Kräfte und Drehmomente sichtbar zu machen. Äußerlich sichtbar werden Schnittkräfte durch Verformungen des Strukturelements, auf das eine Kraft oder ein Drehmoment einwirkt. Die Verformung eines Strukturelements äußert sich an dessen Oberfläche darin, dass die Oberfläche – je nach einwirkender Kraft bzw. einwirkendem Drehmoment und abhängig vom betrachteten Ort – gestreckt oder gestaucht wird.
Die Veränderungen der Oberfläche in Form von Dehnungen oder Stauchungen können mithilfe von sogenannten Dehnungsmessstreifen (DMS) gemessen werden. Ein Dehnungsmessstreifen ist ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert oder einfach Widerstand von der Länge des Dehnungsmessstreifens in Messrichtung abhängig ist. Wird der Dehnungsmessstreifen gedehnt, das heißt, seine Länge in Messrichtung wird größer, dann wird der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens größer. Umgekehrt wird der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens kleiner, wenn der Dehnungsmessstreifen gestaucht oder kürzer wird. Dehnungsmessstreifen sind so konstruiert, dass sie eine eindeutige Messrichtung bzw. Messachse aufweisen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Widerstandänderung bei einer Längenänderung in der Messrichtung bzw. entlang der Messachse viel größer ist als bei einer Längenänderung in anderen Richtungen. Insbesondere sind Dehnungsmessstreifen bevorzugt so aufgebaut, dass eine Längenänderung senkrecht zur Messrichtung nur zu einer minimalen Widerstandsänderung führt.
Um die Dehnung oder Stauchung einer Oberfläche eines Strukturelementes zu messen, wird der Dehnungsmessstreifen in geeigneter Weise auf der Oberfläche fixiert. Wirkt nun eine Kraft auf das Strukturelement ein, und verformt sich die Oberfläche des Strukturelements in dem Bereich, in dem der Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, so ändert sich der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens. Die Änderung des Widerstandes ist offensichtlich dann am größten, wenn sich die Oberfläche des Strukturelements parallel zu der Messrichtung des Dehnungsmessstreifens verformt. Es ist allerdings zu bedenken, dass ein Strukturelement, das senkrecht zur Messrichtung eines Dehnungsmessstreifens gedehnt wird, in Richtung des Dehnungsmessstreifens in der Regel gestaucht wird. Eine Dehnung der Oberfläche eines Strukturelements in eine Richtung, führt somit in der Regel zu einer messbaren Stauchung eines Dehnungsmessstreifens, dessen Messrichtung senkrecht zu der Dehnungsrichtung verläuft.
Die Länge des Dehnungsmessstreifens ändert sich somit nicht nur dann, wenn die Oberfläche des Strukturelements parallel oder senkrecht zur Messrichtung des Dehnungsmessstreifens gedehnt wird. Um die Richtung einer Dehnung oder Stauchung der Oberfläche bestimmen zu können, werden mehrere Dehnungsmessstreifen, deren Messrichtungen in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, übereinander oder nah beieinander auf der gleichen Oberfläche angebracht. Aus der Widerstandsänderung der verschiedenen Dehnungsmessstreifen kann bei geeigneter Anordnung der Dehnungsmessstreifen die Richtung der Dehnung der Oberfläche des Strukturelements bestimmt werden.
Allerdings reicht dies nicht aus, um festzustellen, ob eine Kraft oder ein Drehmoment die Verformung erzeugt. Hierzu wird auf verteilte Anordnungen von vorzugsweise vier Dehnungsmessstreifen zurückgegriffen, von denen je zwei gestaucht bzw. gedehnt werden, wenn eine bestimmte Kraft oder ein bestimmtes Drehmoment an dem Strukturelement angreift. Vorzugsweise werden die Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass unterschiedliche Dehnungsmessstreifen gedehnt bzw. gestaucht werden, je nachdem ob das Drehmoment oder die Kraft auf das Strukturelement einwirkt.
Die Bestimmung des Widerstandes der Dehnungsmessstreifen ist ebenfalls im Stand der Technik seit langem gelöst. Die Messung des elektrischen Widerstandes erfolgt vorzugsweise nicht direkt, sondern über eine sogenannte Wheatstone-Brücke oder Wheatstonesche Messbrücke. Eine exemplarische Wheatstone-Brücke 1 ist in 1 dargestellt. Die Wheatstone-Brücke umfasst vier Widerstände 3, 5, 7, 9. Ein erster Widerstand 3 und ein zweiter Widerstand 5 sind in Reihe geschaltet. Über den ersten und den zweiten Widerstand 3, 5 fällt eine Versorgungsspannung 11 ab. Ein dritter Widerstand 7 und ein vierter Widerstand 9 sind ebenfalls in Reihe und parallel zu dem ersten und dem zweiten Widerstand 3, 5 geschaltet, so dass die Versorgungsspannung 11 auch über den dritten und den vierten Widerstand 7, 9 abfällt. Weiterhin umfasst die Wheatstone-Brücke 1 ein Spannungsmessgerät 13, das den Spannungsabfall zwischen einem Knoten in der Verbindung des ersten und des zweiten Widerstandes 3, 5 und einem Knoten in der Verbindung des dritten und vierten Widerstandes 7, 9 misst. Das Spannungsmessgerät 13 misst genau dann keinen Spannungsabfall, wenn das Verhältnis des ersten Widerstandes 3 zu dem zweiten Widerstand 5 dem Verhältnis des vierten Widerstandes 9 zu dem dritten Widerstand 7 entspricht. Bereits bei kleinen Änderungen eines der Widerstände 3, 5, 7, 9 treten messbare Spannungsabfälle an dem Spannungsmessgerät 13 auf, aus denen die Größe der Widerstandänderung bestimmt werden kann. Die genaue Funktionsweise der Wheatstone-Brücke 1 und die Berechnung der Widerstandsänderungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht weiter ausgeführt.
Wie sich der obigen Darstellung bereits entnehmen lässt, eignet sich die Wheatstone-Brücke hervorragend dazu, die Änderungen von Widerständen zu bestimmen. Vorzugsweise werden daher in einem Aufbau zur Messung von Schnittkräften vier Dehnungsmessstreifen verwendet, die so gekoppelt werden, dass bereits eine geringe Änderung der Länge der vier Dehnungsmessstreifen und damit ihrer Widerstände relativ zueinander zu einem möglichst großen Spannungsabfall an dem Spannungsmessgerät führt. Führt beispielsweise eine Kraft dazu, dass die Oberfläche eines Strukturelements in eine Richtung gedehnt und senkrecht dazu gestaucht wird, werden zur Beobachtung der Einwirkung dieser Kraft vorzugsweise zwei Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass ihre Messrichtung parallel zur Dehnungsrichtung verläuft, und zwei Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass ihre Messrichtung parallel zur Stauchrichtung liegt. Im Fall des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Wheatstone-Brücke würden beispielsweise die Dehnungsmessstreifen, die dem ersten und dem dritten Widerstand 3, 7 entsprechen, so angeordnet, dass sie gestreckt werden, und die Dehnungsmessstreifen, die dem zweiten und dem vierten Widerstand 5, 9 entsprechen, so angeordnet, dass sie gestaucht werden. Dann führen bereits kleine Änderungen der Oberfläche des Strukturelements aufgrund der Krafteinwirkung zu messbaren Spannungsabfällen über das Spannungsmessgerät 13.
Eine derartige Anordnung ist aber nicht zwingend vorteilhaft, da beispielsweise eine Kraft und ein senkrecht zu der Kraft wirkendes Drehmoment eine Längenänderung der vier Dehnungsmessstreifen in die gleiche Richtung bewirken können. Mit anderen Worten lässt sich nicht feststellen, ob die Widerstandsänderung durch das Drehmoment oder die Kraft bewirkt wurde. Daher kann es vorteilhaft sein, die Dehnungsmessstreifen unter einem Winkel zu einer bevorzugten Dehnungsrichtung anzuordnen, so dass bei einem Einwirken der Kraft, die beobachtet werden soll, beispielsweise der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen gedehnt und der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen gestaucht werden, und beim Einwirken des Drehmoments auf das Strukturelement der erste und der vierte Dehnungsmessstreifen gedehnt und der zweite und der dritte Dehnungsmessstreifen gestaucht werden. Sind die relativen Größenänderungen der elektrischen Widerstände der Dehnungsmessstreifen in beiden Fällen gleich, so fällt bei der beschriebenen Verschaltung der Dehnungsmessstreifen lediglich eine Spannung über das Spannungsmessgerät ab, wenn die Kraft auf das Strukturelement einwirkt. Unter Einwirkung des Drehmoments verändert sich hingegen das Verhältnis der Widerstände nicht, so dass keine Spannung über das Spannungsmessgerät abfällt. Derartige Schaltungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Es ist in jedem Fall zu beachten, dass die Auflösung der Wheatstone-Brücke hinsichtlich der Größe der Widerstandsänderungen jedoch begrenzt ist. Bei besonders steifen Strukturelementen aus dehnfesten Materialien ist oftmals die Änderung der Länge der Dehnungsmessstreifen so gering, dass sie auch mit einer Wheatstone-Brücke nicht messbar ist. Gerade bei Bauteilen, die über lange Zeiträume großen Lasten und vor allem auch wechselnden Lasten ausgesetzt sind, ist es jedoch wichtig, die Kräfte und Drehmomente, die auf das Strukturelement oder Bauteil einwirken, genau bestimmen zu können. Dies ist mit den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen nicht mit hinreichender Sicherheit möglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit der Schnittkräfte in einem einstückigen Strukturelement zuverlässig gemessen werden können.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe zum einen durch Vorrichtung mit einem Strukturelement, das einen Hohlraum aufweist. Die erste Außenwandung weist im Bereich des Hohlraums zumindest drei Aussparungen auf, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden, und die zweite Außenwandung weist im Bereich des Hohlraums ebenfalls zumindest drei Aussparungen auf, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einer Außenwandung eines Strukturelements nicht nur ein Wandabschnitt des Strukturelements verstanden, der den Hohlraum begrenzt, sondern auch entsprechende Außenbereiche von massiven Abschnitten des Strukturelements. Jede Außenfläche des Strukturelements ist somit Teil einer entsprechenden Außenwandung. Zwei Außenwandungen sind nicht zwingend durch Kanten von einander getrennt. Vielmehr kann der Begriff Außenwandung auch einen Abschnitt einer Fläche bezeichnen. Im Fall eines länglichen quaderförmigen Strukturelements weist dieses zum Beispiel entlang seiner Erstreckungs- oder Längsrichtung vier Außenwandungen auf sowie jeweils eine Außenwandung an jeder Stirnseite. Die Außenfläche eines beispielhaften zylindrischen Strukturelements wird lediglich von einer Mantelfläche und zwei Stirnflächen gebildet. Sowohl die Mantelfläche als auch die Stirnflächen können ohne weiteres in mehrere Außenwandungen unterteilt werden. Insbesondere kann die Mantelfläche beispielsweise in vier Außenwandungen aufgeteilt werden. Die Aussparungen und Stege der ersten Außenwandung sind spiegel- oder flächensymmetrisch um die erste Spiegelebene zu den Aussparungen und Stegen der zweiten Außenwandung angeordnet, d.h. sie weisen dieselbe Anordnung und bevorzugt auch dieselben Abmessungen auf. Der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen sind auf den Stegen angeordnet, und die Stege jeder Außenwandung erstrecken sich von einem gemeinsamen Punkt weg.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit das Strukturelement gezielt in dem Bereich geschwächt, in dem die Schnittkräfte oder Schnittreaktionen gemessen werden sollen. Der Hohlraum in dem Strukturelement in Verbindung mit den Aussparungen in den Außenwandungen schwächt die Steifigkeit des Strukturelements im Vergleich zu einem massiven Strukturelement. Die Stege zwischen den Aussparungen, auf denen die Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, erfahren verhältnismäßig größere Längenänderungen bei der gleichen Krafteinwirkung. Somit ändert sich auch der elektrische Widerstand in größerem Maße als bei einem massiven Bauteil, so dass bereits kleine Kraft- oder Drehmomenteinwirkungen, die bei dem massiven Bauteil oder Strukturelement nicht sichtbar wären, zu messbaren Änderungen der elektrischen Widerstände der vier Dehnungsmessstreifen führen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, um auf einem Teststand die Kräfte und Drehmomente zu bestimmen, die von einer Landeklappenanordnung auf eine Flügel- oder Tragflächenstruktur, beispielsweise in einem Holm eines Flügels, ausgeübt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Messung von Schnittkräften in Bezug auf eine Schnittebene in einem einstückigen Strukturelement oder auch Werkstück oder Bauteil, das insbesondere aus einem besonders steifen Material gefertigt sein kann und vorzugsweise ist. Das Strukturelement ist in der Regel massiv und umfasst zumindest vier Außenwandungen. Zwei dieser Außenwandungen, die erste und die zweite Außenwandung, verlaufen senkrecht zu einer Schnittebene und sind spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene angeordnet. Die erste und die zweiten Außenwandung können beispielsweise gegenüberliegende, parallel zueinander und parallel zur Spiegelebene verlaufende Außenwandungen eines Strukturelements mit einem rechteckigen Querschnitt sein, die senkrecht zu der Schnittebene verlaufen. Die weiteren Außenwandungen des beispielhaften Strukturelements, die die erste und die zweite Außenwandung miteinander verbinden, werden dann jeweils von einer ebenen Außenfläche und angrenzenden Strukturelementabschnitten gebildet, die senkrecht zu der ersten und zweiten Außenwandung und senkrecht zu der Schnittebene verlaufen. Die weiteren Außenwandungen können jedoch auch andere Formen annehmen. In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform weist das Strukturelement einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Strukturelement um einen Zylinder handeln. In diesem Fall ist die Mantelfläche in vier Außenwandungen eingeteilt, von den die erste und die zweite Mantelfläche spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Als Symmetrieebene dient die erste Spiegelebene, die senkrecht zur Schnittebene verläuft.
Das Strukturelement weist einen von den Außenwandungen umgebenen bzw. begrenzten Hohlraum auf. Dabei ist es durchaus vorstellbar, dass das Strukturelement in dem Zustand, in dem es in einem Produkt eingesetzt werden soll, tatsächlich massiv ist und keinen Hohlraum aufweist und der Hohlraum lediglich eingebracht wird, um das Strukturelement zum Zweck einer dem eigentlichen Einsatz vorgelagerten Analyse gezielt zu schwächen. Ein mit einem Hohlraum versehenes Strukturelement verformt sich bei gleicher Belastung stärker als ein massives Strukturelement gleicher Ausmaße.
Auf der ersten und der zweiten Außenwandung werden jeweils zwei Dehnungsmessstreifen angeordnet, um die Vorformung des Strukturelement unter Einwirkung einer ersten Kraft zu messen, die parallel zu der ersten Spiegelebene und auch parallel zu der Schnittfläche auf das Strukturelement einwirkt. Die erste Kraft ist somit eine Querkraft.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf der ersten und der zweiten Außenwandung erfolgt so, dass auch bei kleinen Widerstandsänderungen bereits möglichst große Spannungsabfälle über ein Spannungsmessgerät einer Wheatstone-Brücke gemessen werden können, zu der die Dehnungsmessstreifen verschaltet sind. Ein erster und ein zweiter Dehnungsmessstreifen werden so auf der ersten Außenwandung angeordnet, dass sich die Länge des ersten und des zweiten Dehnungsmessstreifens beim Einwirken der ersten Kraft auf das Strukturelement in entgegengesetzte Richtungen ändert. Wirkt die erste Kraft auf das Messstück ein und wird der erste Dehnungsmessstreifen in Messrichtung länger, so verkürzt sich mit anderen Worten der zweite Dehnungsmessstreifen in Messrichtung. Wird beispielsweise eine Wheatstone-Brücke zur Messung der Widerstandsänderung verwendet, wie sie als beispielhafte Ausführungsform in der 1 dargestellt ist, so könnte der erste Dehnungsmessstreifen als erster Widerstand 3 verwendet werden und der zweite Dehnungsmessstreifen als zweiter Widerstand 5.
Ein dritter und ein vierter Dehnungsmessstreifen werden auf der zweiten Außenwandung angeordnet. Auch hier gilt, dass der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen so zueinander angeordnet werden, dass der dritte Dehnungsmessstreifen und der der vierte Dehnungsmessstreifen bei einem Einwirken der ersten Kraft auf das Strukturelement ihre Längen in Messrichtung in die entgegengesetzte Richtung ändern. Mit anderen Worten wird der dritte Dehnungsmessstreifen länger, wenn der vierte Dehnungsmessstreifen kürzer wird, und umgekehrt. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Wheatstone-Brücke 1 könnte der dritte Dehnungsmessstreifen beispielsweise als dritter Widerstand 7 verwendet werden und der vierte Dehnungsmessstreifen als vierter Widerstand 9.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen wird weiter dadurch eingeschränkt, dass die Längenänderung des ersten Dehnungsmessstreifens in die gleiche Richtung erfolgen muss, wie die Längenänderung des dritten Dehnungsmessstreifens, wenn die erste Kraft auf das Strukturelement einwirkt. Auch die Anordnung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens wird weiter eingeschränkt, da auch diese beim Einwirken der ersten Kraft auf das Strukturelement in Messrichtung eine gleichgerichtete Längenänderung erfahren müssen. Hierzu könnten der erste und der zweite Dehnungsmessstreifen beispielsweise spiegelverkehrt zu dem dritten und dem vierten Dehnungsmessstreifen angeordnet sein. In dieser beispielhaften Ausführungsform entspricht der Winkel der Messrichtung des ersten Dehnungsmessstreifens zur Schnittebene dem Winkel zwischen der Messrichtung des dritten Dehnungsmessstreifens und der Schnittebene. Gleichermaßen entspricht der Winkel zwischen der Messrichtung des zweiten Dehnungsmessstreifens dem Winkel unter dem der vierte Dehnungsmessstreifens zur Schnittebene geneigt ist.
Beispielsweise können der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen parallel zu der Schnittebene auf der ersten bzw. zweiten Außenwandung aufgebracht werden und der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen senkrecht zu der Schnittebene auf der jeweiligen Außenwandung aufgebracht werden. Die Ausrichtung eines Dehnungsmessstreifens wird, auch wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist, stets in Bezug auf die Ausrichtung seiner Messrichtung angegeben, das heißt, die Neigung eines Dehnungsmessstreifens in Bezug auf eine Ebene oder eine Gerade bezieht sich stets auf die Neigung der Messrichtung des Dehnungsmessstreifens in Bezug auf diese Ebene oder Gerade.
Die erste und die zweite Außenwandung weisen im Bereich des Hohlraums je wenigstens drei Aussparungen auf. Die Aussparungen werden durch Stege voneinander getrennt und verbinden den Hohlraum des Strukturelements mit dem Äußeren bzw. der Umgebung des Strukturelements. Bei einem zuvor massiven Strukturelement werden also nun neben dem Hohlraum, der in das Strukturelement eingebracht worden ist, vor der eigentlichen Messung der Schnittkräfte zusätzliche Aussparungen in die erste und die zweite Außenwandung eingebracht, die das Strukturelement weiter schwächen. Hierdurch dehnen sich die im Bereich des Hohlraums verbleibenden Abschnitte der ersten und zweiten Außenwandung, die von den Stegen gebildet werden, deutlich stärker aus bzw. werden deutlich stärker gestaucht. Daher werden der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen auf den Stegen angeordnet. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Stege in Messrichtung der auf ihnen aufgebrachten Dehnungsmessstreifen eine größere Ausdehnung aufweisen, als senkrecht zu der Messrichtung. Im Extremfall könnte die Ausdehnung eines Stegs senkrecht zur Messrichtung des darauf angebrachten Dehnungsmessstreifens auf die Ausdehnung des Dehnungsmessstreifens senkrecht zur Messrichtung reduziert werden. Solche Stege erfahren eine besonders große Längenänderung parallel zur Messrichtung wodurch besonders große Widerstandsänderungen und die Auswirkung kleiner erster Kräfte gemessen werden können.
Die Anordnung der Stege ist weiterhin dadurch eingeschränkt, dass sich sämtliche Stege einer Außenwandung vom gleichen Punkt weg erstrecken. Weist eine Außenwandung beispielsweise drei Öffnungen auf, so könnten diese durch zwei Stege voneinander getrennt werden, die V-förmig angeordnet sind. Alternativ könnten auch drei Stege zur Trennung der drei Aussparungen voneinander verwendet werden, die in Form eines Y oder eines T angeordnet sind. Werden hingegen in einer beispielhaften Ausführungsform vier Aussparungen je Außenwand vorgesehen, so können die Stege beispielsweise kreuz- oder x-förmig angeordnet sein. In jedem Falle bilden die Stege eine Art Fachwerk, das im Bereich des Hohlraums die erste und die zweite Außenwandung zumindest teilweise ersetzt. Es ist hierbei jedoch zu beachten, dass die Stege und das Strukturelement einstückig ausgebildet sind, und nicht von einem Fachwerk gebildet werden, das nachträglich in das Strukturelement eingesetzt wurde.
Die Aussparungen in der ersten und der zweiten Außenwandung sowie die dazwischen angeordneten Stege sind spiegelsymmetrisch um die erste Spiegelebene zueinander angeordnet. Sie liegen einander jeweils gegenüber. Anders ausgedrückt, ist die erste Außenwandung mit Aussparungen versehen, die eine spiegelbildliche Anordnung der Aussparung der ersten Außenwandung darstellen, wobei die Spiegelung an der ersten Spiegelebene erfolgt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine besonders vorteilhafte Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf Stegen in einem Strukturelement bereit, die die Außenwandungen ersetzt haben und eine Art Fachwerk bilden. Diese Stege dehnen sich, wenn eine erste Kraft auf das Strukturelement einwirkt, deutlich stärker aus bzw. verkürzen sich deutlich stärker, als geschlossene Außenwandungen eines massiven oder eines hohlen Strukturelements. Damit erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch die Auswirkungen von kleinen Kräften auf verhältnismäßig steife Bauteile zu messen. Auch wenn die Dehnungen nicht den eigentlichen Dehnungen in dem Strukturelement ohne die Aussparungen und ohne den Hohlraum entsprechen, so kann daraus dennoch auf die lokal wirkenden Kräfte geschlossen werden. Eine Rekonstruktion der Stärke einer einwirkenden Kraft aus Längenänderungen von den Dehnungsmessstreifen, die nicht senkrecht bzw. parallel zu der ersten Kraft angeordnet sind, lassen sich über den Mohrschen Spannungskreis in Richtung der einwirkenden Kraft überführen, wie dem Fachmann hinlänglich bekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein fünfter und ein sechster Dehnungsstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf der ersten Außenwandung und einer siebter und ein achter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf der zweiten Außenwandung in der Weise angeordnet, dass bei Belastung des Strukturelements mit einem Drehmoment, das senkrecht zu der ersten Kraft, parallel zu der ersten Spiegelebene wirkt, der fünfte und der siebte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der sechste und der achte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des fünften und des siebten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des sechsten und des achten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt sind. Der fünfte, der sechste, der siebte und der achte Dehnungsmessstreifen sind ebenfalls auf den Stegen angeordnet.
Diese bevorzugte Ausführungsform verwendet somit neben dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Dehnungsmessstreifen vier weitere Dehnungsmessstreifen, die ebenfalls auf den Stegen angeordnet sind. Dabei sind der fünfte und der sechste Dehnungsmessstreifen jeweils auf einem der Stege der ersten Außenwandung angeordnet und der siebte und der achte Dehnungsmessstreifen jeweils auf einem der Stege der zweiten Außenwandung angeordnet. Die Dehnungsmessstreifen sollen so angeordnet sein, dass bei Belastung des Strukturelements mit dem Drehmoment der fünfte und der siebte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und der sechste und der achte Dehnungsmessstreifen bei einem Einwirken des Drehmomentes auf das Strukturelement ebenfalls eine gleichgerichtete Längenänderung erfahren. Die Längenänderung an den auf der gleichen Außenwandung angeordneten Dehnungsmessstreifen soll dabei jeweils zueinander entgegengesetzt sein. Mit anderen Worten ändert sich die Länge des fünften Dehnungsmessstreifens in die entgegengesetzte Richtung zu der Länge des sechsten Dehnungsmessstreifens und die Länge des siebten Dehnungsmessstreifens ändert sich in die entgegengesetzte Richtung zu der Länge des achten Dehnungsmessstreifens, wenn das Drehmoment auf das Strukturelement einwirkt.
Das bereits beschriebene Drehmoment, das auf das Strukturelement einwirkt, wirkt senkrecht zu der ersten Kraft und parallel zu der ersten Spiegelebene. Ein derartiges Drehmoment könnte beispielsweise erzeugt werden, indem eine parallel zu der Schnittebene wirkende Kraft über einen Hebel an dem Strukturelement angreift, der ebenfalls parallel zu der Schnittebene verläuft. Beispielsweise könnte das Drehmoment durch eine parallel zur ersten Kraft wirkende Kraft erzeugt werden, die über einen Hebel an dem Strukturelement angreift, der sich senkrecht zu der Kraft und senkrecht zu der ersten Spiegelebene erstreckt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel könnten der fünfte bis achte Dehnungsmessstreifen jeweils parallel zu einem der ersten bis vierten Dehnungsmessstreifen angeordnet werden.
Die Anordnung der Stege in der ersten und der zweiten Außenwandung in Kombination mit dem in das Strukturelement eingebrachten Hohlraum erlaubt es auf besonders vorteilhafte Weise, separat sowohl die Auswirkungen des Drehmomentes als auch der ersten Kraft zu messen, was bei einem massiven Strukturelement oder zumindest bei einem Strukturelement, das geschlossene erste und zweite Außenwandungen aufweisen würde, nicht möglich wäre.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass bei Belastung des Strukturelements mit dem Drehmoment der erste und der vierte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der dritte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des vierten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zweiten und des dritten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist.
Die Anordnung des ersten bis vierten Dehnungsmessstreifens erfolgt dann so, dass bei einem Einwirken des Drehmomentes auf das Strukturelement das Verhältnis des elektrischen Widerstandes des ersten zu dem zweiten Dehnungsmessstreifen möglichst ähnlich zu dem Verhältnis der elektrischen Widerstände des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifen bleibt. Handelt es sich beispielsweise bei dem ersten bis vierten Dehnungsmessstreifen um die gleiche Art von Dehnungsmessstreifen und sind diese so angeordnet, dass die durch das Drehmoment hervorgerufenen Längen- und damit Widerstandsänderungen des ersten und des vierten Dehnungsmessstreifens von der gleichen absoluten Größe sind, wie die absoluten Änderungen des Widerstands des zweiten und des dritten Dehnungsmessstreifens, so verändert sich das Verhältnis des elektrischen Widerstandes des ersten Dehnungsmessstreifens zum elektrischen Widerstand des zweiten Dehnungsmessstreifens genau so, wie das Verhältnis des elektrischen Widerstands des vierten Dehnungsmessstreifens zum elektrischen Widerstand des dritten Dehnungsmessstreifens. Sind die Dehnungsmessstreifen wie oben beschrieben zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, so dass sie sich zur Messung der Auswirkung der ersten Kraft eignen, so führt das Einwirken des Drehmomentes auf das Strukturelement nicht zu einem messbaren Spannungsabfall in der Wheatstone-Brücke. Mit anderen Worten ist die Messung der Auswirkung der ersten Kraft mit dem ersten bis vierten Dehnungsmessstreifen von der Messung der Auswirkung des Drehmomentes entkoppelt.
Sollten sich die Änderungen nicht exakt kompensieren, wie beispielhaft beschrieben, so wirken die Änderungen der Widerstände der Dehnungsmessstreifen jedoch in entgegengesetzte Richtungen, so dass die Messung der Widerstandsänderung über die ersten vier Dehnungsmessstreifen deutlich geringer ausfallen sollte, als die Änderung der fünften bis achten Dehnungsmessstreifen.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Dehnungsmessstreifen so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelements mit der ersten Kraft der fünfte und der achte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der sechste und der siebte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des fünften und des achten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung der sechsten und des siebten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist. Diese bevorzugte Ausführungsform entkoppelt auf vorteilhafte Weise die Messung der Auswirkung des Drehmomentes auf das Strukturelement von der Messung der Auswirkung der ersten Kraft. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform kompensieren sich die Längen- und Widerstandsänderungen der Dehnungsmessstreifen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Außenwandung vier Aussparungen auf. Zwischen den vier Aussparungen verlaufen vier Stege, von denen ein erster und einer dritter Steg sich in eine erste Richtung erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg sich in eine zweite Richtung erstrecken. Die zweite Außenwandung weist ebenfalls vier Aussparungen auf. Zwischen diesen vier Aussparungen verlaufen ebenfalls vier Stege, von denen ein erster und ein dritter Steg sich in die erste Richtung erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg sich in die zweite Richtung erstrecken.
Die erste und die zweite Außenwandung werden dann von vier Aussparungen durchbrochen, und die zwischen den Aussparungen verlaufenden Stege bilden auf beiden Seiten ein X oder ein Kreuz. Sind der erste und der dritte Steg jeweils so angeordnet, dass sie sich in eine erste Richtung erstrecken, so ist darunter zu verstehen, dass der dritte Steg die Verlängerung des ersten Steges bildet und der erste und der dritte Stege eine Linie bilden, die durch den Punkt verläuft, in dem die vier Stege sich treffen bzw. von dem die vier Stege ausgehen. Der erste und der dritte Steg bilden somit eine durchgängige Verbindung zwischen verschiedenen, ansonsten durch die Aussparungen voneinander getrennten Abschnitten der jeweiligen Außenwandung bzw. des Strukturelements.
Entsprechend sind der zweite und der vierte Steg ebenfalls so angeordnet, dass sie eine Linie bilden, die durch den Punkt geht, von dem alle vier Stege ausgehen, und auch der zweite und der vierte Steg verbinden verschiedene, ansonsten durch die Aussparungen voneinander getrennte Abschnitte der jeweiligen Außenwandung bzw. des Strukturelements in einer Linie miteinander. Durch die Verbindung in einer Linie wird eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen den Außenwandungen bzw. dem Strukturelement ermöglicht und Bruchstellen beispielsweise durch Knicke oder Krümmungen vermieden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die erste Richtung unter einem Winkel von 30° bis 60° und vorzugsweise von 40° bis 50° geneigt zur Schnittebene verläuft. Die zweite Richtung soll entsprechend unter einem Winkel von –30° bis –60° und vorzugsweise von –40° bis –50° zur Schnittebene geneigt verlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Richtung und die zweite Richtung unter entgegengesetzten Winkel zur Schnittebene geneigt. Mit anderen Worten verläuft die erste Richtung unter dem negativen oder invertierten Winkel zur Schnittebene, unter dem die erste Richtung zur Schnittebene verläuft. Auf diese Weise lassen sich durch geeignete Verschaltung der Dehnungsmessstreifen Torsion und Querkraft besonders gut entkoppelt voneinander messen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die weiteren Außenwandungen eine dritte und eine vierte Außenwandung. Die dritte und vierte Außenwandung erstrecken sich spiegelsymmetrisch um eine zweite Spiegelebene zueinander und senkrecht zu der Schnittebene. Die zweite Spiegelebene verläuft senkrecht zur ersten Spiegelebene und senkrecht zur Schnittebene. Ein neunter und ein zehnter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen sind auf der dritten Außenwandung und ein elfter und ein zwölfter Dehnungsmessstreifen der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen sind auf der vierten Außenwandung in der Weise angeordnet, dass bei Belastung des Strukturelements mit einer zweiten Kraft, die parallel zu der Schnittebene und parallel zur zweiten Spiegelebene wirkt, der neunte und der elfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des elften Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zehnten und des zwölften Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist. Die dritte Außenwandung weist im Bereich des Hohlraums zumindest drei Aussparungen auf, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden. Die vierte Außenwandung weist im Bereich des Hohlraums zumindest drei Aussparungen auf, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbindet. Die Aussparungen und Stege der dritten Außenwandung sind spiegelsymmetrisch um die zweite Spiegelebene zu den den Aussparungen und Stegen der vierten Außenwandung angeordnet. Der neunte, zehnte, elfte und zwölfte Dehnungsmessstreifen sind jeweils auf einem der von der dritten und der vierten Außenwandung gebildeten Stege angeordnet. Die Stege jeder Außenwandung erstrecken sich von einem gemeinsamen Punkt weg.
Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht es durch eine gezielte Schwächung der dritten und vierten Außenwandung die Auswirkungen einer zweiten Kraft auf das Strukturelement zu messen, die senkrecht zu der ersten Kraft und parallel zu der Schnittebene auf das Strukturelement einwirkt. Die Aussparungen in der dritten und vierten Außenwandung verbessern jedoch nicht nur die Auflösung, mit der das Einwirken der zweiten Kraft gemessen werden kann. Wirkt die erste Kraft oder das Drehmoment auf das Strukturelement ein, so ist bei einer geschlossenen oder massiven dritten und vierten Außenwandung ein Teil der Verformungskräfte von der dritten und vierten Außenwandung aufgenommen worden. Sind diese Außenwandungen jedoch durch die Aussparungen geschwächt, so verformt sich das Strukturelement auch durch die erste Kraft und das Drehmoment stärker, und die Längenänderung der Stege auf der ersten und zweiten Außenwandung wird ebenfalls größer, so dass kleinere Kräfte messbar werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die weiteren Außenwandungen, die die erste und die zweite Außenwandung miteinander verbinden, zumindest eine dritte und vierte Außenwandung umfassen. Die dritte und vierte Außenwandung können direkt an die erste und zweite Außenwandung anschließen. Es ist allerdings auch denkbar, dass zwischen der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Außenwandung weitere Außenwandungen in beliebigen Formen angeordnet sind. Weist das Strukturelement einen rechteckigen Querschnitt auf, so entspricht die Schnittfläche einem rechteckigen Querschnitt. Weist das Strukturelement einen kreisförmigen Querschnitt auf, so entspricht die Schnittfläche einem kreisförmigen Querschnitt.
Auf der dritten und der vierten Außenwandung sind vier weitere Dehnungsmessstreifen angeordnet, ein neunter und ein zehnter Dehnungsmessstreifen auf der dritten Außenwandung und ein elfter und ein zwölfter Dehnungsmessstreifen auf der vierten Außenwandung. Jeweils auf der dritten und der vierten Außenwandung wird ein Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass er sich bei einem Einwirken der zweiten Kraft ausdehnt, und ein weiterer Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass er beim Einwirken der gleichen Kraft gestaucht wird. Wirkt die zweite Kraft in die entgegengesetzte Richtung ein, so tauschen die Dehnungsmessstreifen ihre Rolle.
Um die Dehnung und Stauchung der Dehnungsmessstreifen beim Einwirken einer verhältnismäßig kleinen zweiten Kraft auf das Strukturelement sichtbar zu machen, sind in die dritte und vierte Außenwandung spiegelbildlich Aussparungen eingebracht, und die Dehnungsmessstreifen auf den zwischen den Aussparungen verlaufenden Stegen angeordnet, die einstückig mit dem Strukturelement ausgebildet sind. Die Anordnung der Aussparungen und Stege auf der dritten und der vierten Außenwandung erfolgt dabei flächensymmetrisch um die zweite Spiegelebene. Mit anderen Worten sind die Aussparungen in der dritten und der vierten Außenwandung gegenüber voneinander angeordnet.
Wie auch die Stege auf der ersten und der zweiten Außenwandung erstrecken sich die Stege der dritten und der vierten Außenwandung jeweils von einem gemeinsamen Punkt weg. Die Stege bilden also je nach Anzahl und Anordnung der vorgesehenen Aussparungen, beispielsweise eine X-Form, die Form eines Kreuzes oder die Form eines T. Für die genaue Ausgestaltung der Aussparungen und Stege gelten die gleichen Überlegungen, die bereits für die Ausrichtung der Stege und Aussparungen in der ersten und zweiten Außenwandung in Bezug auf die erste Kraft angestellt worden sind.
Es ist weiterhin bevorzugt, die Dehnungsmessstreifen so anzuordnen, dass bei Belastung des Strukturelements mit dem Drehmoment der neunte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der elfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des zwölften Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zehnten und des elften Dehnungsmessstreifen entgegengesetzt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden die Dehnungsmessstreifen so angeordnet, dass sich bei einer Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke die Widerstandsänderungen der neunten bis zwölften Dehnungsmessstreifen beim Einwirken einer zweiten Kraft verstärken und die Widerstandsänderungen beim Einwirken des Drehmoments sich nach Möglichkeit kompensieren. Die Anordnung entkoppelt somit die Messung der Auswirkungen der zweiten Kraft von den Auswirkungen des Drehmomentes auf das Strukturelement.
Die Entkopplung ist sowohl auf der ersten und zweiten als auch auf der dritten und vierten Außenwandung notwendig, da das Drehmoment alle vier Außenwandungen insbesondere bei einem rechteckigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt des Strukturelementes ähnlich stark verformt. Eine Entkopplung der Messungen der Auswirkung der ersten Kraft und der zweiten Kraft ist hingegen nicht notwendig, da die Längenänderung, die auf der dritten und vierten Außenwandung beim Einwirken der ersten Kraft auftreten, im Vergleich zu den Auswirkungen, die die erste Kraft auf die erste und zweite Außenwandung hat, verhältnismäßig klein sind. Dies gilt auch umgekehrt für die zweite Kraft.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die dritte Außenwandung vier Aussparungen auf, zwischen denen vier Stege verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg sich in eine dritte Richtung erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg sich in eine vierte Richtung erstrecken. Die zweite Außenwandung weist dann ebenfalls vier Aussparungen auf, zwischen denen vier Stege verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg sich in die dritte Richtung erstrecken und zweiter und ein vierter Steg sich in die vierte Richtung erstrecken.
Die Anordnung von vier Aussparungen und vier Stegen in Kreuzoder X-Form, wie sie bereits für die erste und zweite Außenwandung beschrieben worden ist, ergibt hier die gleichen Vorteile.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die dritte Richtung unter einem Winkel von 30° bis 60° und vorzugsweise von 40° bis 50° geneigt zur Schnittebene verläuft und dass die vierte Richtung unter einem Winkel von –30° bis –60° und vorzugsweise von –40° bis –50° geneigt zur Schnittebene verläuft. Die Neigung der dritten und vierten Richtung unter den angegebenen Winkeln ergibt die gleichen Vorteil, die die Neigung der ersten und zweiten Richtung unter den entsprechenden Winkeln zur Schnittebene ergibt.
Die dritte Richtung und die vierte Richtung sind vorzugsweise unter entgegengesetztem Winkel zur Schnittebene geneigt. Auch die Neigung der dritten und vierten Richtung unter engegengesetztem Winkel zur Schnittebene ist aus den gleichen Gründen vorteilhaft, wie die Neigung der ersten und der zweiten Richtung unter entgegengesetztem Winkel zur Schnittebene.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen so angeordnet und ausgestaltet, dass Längenänderungen des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifens bei einem Einwirken der ersten Kraft und/oder des Drehmomentes auf das Strukturelement eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifens bewirken. Bei betragsmäßig gleichgroßen Änderungen der elektrischen Widerstände der Dehnungsmessstreifen lässt sich zum einen die Änderung des Widerstands besonders einfach berechnen, zum anderen führt auch nur dies zu einer vollständigen Entkopplung der Messung der ersten Kraft und des Drehmomentes. Die betragsmäßig gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstands des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifens führt bei entsprechender Anordnung der Dehnungsmessstreifen dazu, dass sich die Widerstandsänderungen kompensieren und das Verhältnis der zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Dehnungsmessstreifen auf beiden Seiten gleich bleibt und keine Spannungsdifferenz festgestellt werden kann.
In ähnlicher Weise ist es bevorzugt, dass der fünfte, der sechste, der siebte und der achte Dehnungsmessstreifen so angeordnet sind, dass Längenänderungen des fünften, des sechsten, des siebten und des achten Dehnungsmessstreifens bei einem Einwirken der ersten Kraft und/oder des Drehmomentes auf das Strukturelement eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des fünften, des sechsten, des siebten und des achten Dehnungsmessstreifen bewirken. Hier ergeben sich die gleichen Vorteile, wie für den ersten bis vierten Dehnungsmessstreifen bei betragsmäßig gleichgroßen Änderungen des elektrischen Widerstandes.
Es ist daher ebenfalls bevorzugt, dass der neunte, der zehnte, der elfte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen so angeordnet sind, dass Längenänderungen des neunten, des zehnten, des elften und des zwölften Dehnungsmessstreifens bei einem Einwirken der zweiten Kraft und/oder des Drehmomentes auf das Strukturelement eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des neunten, des zehnten, des elften und des zwölften Dehnungsmessstreifens bewirken. Auch hier ist die betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes eine bedeutende Erleichterung zur Berechnung der Widerstandsänderungen und ermöglicht die vollständige Entkopplung der Messung der Auswirkung der zweiten Kraft und des Drehmomentes auf das Strukturelement bei entsprechender Anordnung der Dehnungsmessstreifen.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird zudem durch ein Verfahren zur Messung von Schnittkräften an einem einstückigen Strukturelement in Bezug auf eine Schnittebene mit einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen gelöst. Das Strukturelement weist eine erste und eine zweite Außenwandung auf, die senkrecht zu der Schnittebene verlaufen, sich spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene zueinander erstrecken und durch weitere Außenwandungen verbunden sind, wobei die erste Spiegelebene senkrecht zu der Schnittebene verläuft. Jeder Dehnungsmessstreifen weist eine Messrichtung auf, und der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens ist von der Länge des Dehnungsmessstreifens in Messrichtung abhängig. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Vorsehen eines Hohlraums in dem Strukturelement,
– Einbringen von zumindest drei Aussparungen in die erste Außenwandung im Bereich des Hohlraums, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden, wobei sich die Stege von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken,
– Einbringen von zumindest drei Aussparungen in die zweite Außenwandung im Bereich des Hohlraums, die durch Stege voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden, wobei die Aussparungen und Stege der ersten Außenwandung spiegelsymmetrisch um die erste Spiegelebene zu den Aussparungen und Stegen der zweiten Außenwandung angeordnet werden, wobei sich die Stege von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken,
– Anordnen eines ersten und eines zweiten Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der ersten Außenwandung und eines dritten und eines vierten Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der zweiten Außenwandung, wobei die Dehnungsmessstreifen so angeordnet werden, dass bei Belastung des Strukturelementes mit einer ersten Kraft, die parallel zu der Schnittebene und parallel zu der ersten Spiegelebene wirkt, der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist,
– Verschalten des ersten bis vierten Dehnungsmessstreifens zu einer Wheatstone-Brücke, wobei der erste und der zweite Dehnungsmessstreifen in Reihe und parallel zu den ebenfalls in Reihe geschalteten vierten und dritten Dehnungsmessstreifen geschaltet werden, wobei ein Spannungsmessgerät den Spannungsabfall zwischen einem Knoten zwischen dem ersten und dem zweiten Dehnungsmessstreifen und einem Knoten zwischen dem vierten und dem dritten Dehnungsmessstreifen misst,
– Anlegen einer Versorgungsspannung, die über den ersten und den zweiten Dehnungsmessstreifen und auch über den vierten und den dritten Dehnungsmessstreifen abfällt,
– Aufbringen der ersten Kraft auf das Strukturelement und
– Bestimmen des Spannungsabfalls an dem Spannungsmessgerät beim Aufbringen bzw. Einwirken der ersten Kraft.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst dass Verfahren zudem die folgenden Schritte:

– Anordnen eines fünften und eines sechsten Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der ersten Außenwandung und eines siebten und eines achten Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der zweiten Außenwandung, wobei die Dehnungsmessstreifen so angeordnet werden, dass bei Belastung des Strukturelementes mit einem ersten Drehmoment, das senkrecht zu der ersten Kraft und parallel zu der ersten Spiegelebene wirkt, der fünfte und der siebte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der sechste und der achte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des fünften und des siebten Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des sechsten und des achten Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist,
– Verschalten des fünften bis achten Dehnungsmessstreifens zu einer Wheatstone-Brücke, wobei der fünfte und der sechste Dehnungsmessstreifen in Reihe und parallel zu den ebenfalls in Reihe geschalteten achten und siebten Dehnungsmessstreifen geschaltet werden, wobei ein Spannungsmessgerät den Spannungsabfall zwischen einem Knoten zwischen dem fünften und dem sechsten Dehnungsmessstreifen und einem Knoten zwischen dem achten und dem siebten Dehnungsmessstreifen misst,
– Anlegen einer Versorgungsspannung, die über den fünften und den sechsten Dehnungsmessstreifen und auch über den achten und den siebten Dehnungsmessstreifen abfällt,
– Ausbringen des ersten Drehmoments auf das Strukturelement und
– Bestimmen des Spannungsabfalls an dem Spannungsmessgerät beim Einwirken bzw. Aufbringen des ersten Drehmoments.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Strukturelement eine dritte und eine vierte Außenwandung, die sich spiegelsymmetrisch um eine zweite Spiegelebene zueinander erstrecken und senkrecht zu der Schnittebene verlaufen, wobei die zweite Spiegelebene senkrecht zur ersten Spiegelebene und senkrecht zur Schnittebene verläuft. Das Verfahren weist zudem zusätzlich die folgenden Schritte auf:

– Einbringen von zumindest drei Aussparungen im Bereich des Hohlraums in die dritte Außenwandung, die durch Stege, die sich von einem gemeinsamen Punkt aus weg erstrecken, voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden,
– Einbringen von zumindest drei Aussparungen im Bereich des Hohlraums in die vierte Außenwandung, die durch Stege, die sich von einem gemeinsamen Punkt aus weg erstrecken, voneinander getrennt sind und den Hohlraum mit dem Äußeren des Strukturelements verbinden, wobei die Aussparungen und Stege der vierten Außenwandung spiegelsymmetrisch um die zweite Spiegelebene zu den Aussparungen und Stegen der dritten Außenwandung eingebracht werden,
– Anordnen eines neunten und eines zehnten Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der dritten Außenwandung und eines elften und eines zwölften Dehnungsmessstreifens der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen auf den Stegen der vierten Außenwandung in der Weise, dass bei Belastung des Strukturelementes mit einer zweiten Kraft, die parallel zu der Schnittebene und parallel zu der zweiten Spiegelebene wirkt, der neunte und der elfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des elften Dehnungsmessstreifens der Längenänderung des zehnten und des zwölften Dehnungsmessstreifens entgegengesetzt ist,
– Verschalten des neunten bis zwölften Dehnungsmessstreifens zu einer Wheatstone-Brücke, wobei der neunte und der zehnte Dehnungsmessstreifen in Reihe und parallel zu den ebenfalls in Reihe geschalteten zwölften und elften Dehnungsmessstreifen geschaltet werden, wobei ein Spannungsmessgerät den Spannungsabfall zwischen einem Knoten zwischen dem neunten und dem zehnten Dehnungsmessstreifen und einem Knoten zwischen dem zwölften und dem elften Dehnungsmessstreifen misst,
– Anlegen einer Versorgungsspannung, die über den neunten und den zehnten Dehnungsmessstreifen und auch über den zwölften und den elften Dehnungsmessstreifen abfällt,
– Aufbringen der zweiten Kraft auf das Strukturelement und
– Bestimmen des Spannungsabfalls an dem Spannungsmessgerät beim Einwirken bzw. Aufbringen der zweiten Kraft. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung. Es kann beispielsweise dazu verwendet werden, um auf einem Teststand die Kräfte und Drehmomente zu bestimmen, die von einer Landeklappenanordnung auf eine Flügel- oder Tragflächenstruktur, beispielsweise in einem Holm eines Flügels, ausgeübt werden.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden schematischen Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 ein Ausführungsbeispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten Wheatstone-Brücke,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Dehnungsmessstreifens,
3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des ersten Ausführungsbeispiels und
5 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels.
In 2 ist zunächst ein Dehnungsmessstreifen 15 schematisch dargestellt. Der Dehnungsmessstreifen 15 weist einen geschwungenen und gewundenen Leiter 17 auf, der auf einem Träger 19 schleifenförmig angeordnet ist. Der Leiter 17 ist so gewunden, dass sich bei einer Längenänderung des Trägers 19 in Messrichtung 21 die Länge des Leiters 17 um ein Vielfaches der Längenänderung des Trägers 19 ändert. Der in 2 dargestellte Leiter hat acht Windungen. Die Länge des Leiters 17 und damit der elektrische Widerstand des Leiters 17 und des gesamten Dehnungsmessstreifens 15 ändert sich somit um das 8-fache verglichen mit einem Leiter der lediglich die einfache Länge des Dehnungsmessstreifens 15 aufweisen würde. Wird die Länge des Dehnungsmessstreifens 15 hingegen senkrecht zur Messrichtung 21 verändert, d.h., gestaucht oder gedehnt, so ändert sich der Widerstand des Leiters 17 nur unwesentlich.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. 3 zeigt ein einstückiges Strukturelement 23, das einen rechtwinkligen bzw. rechteckigen Querschnitt aufweist. Das Strukturelement 23 ist ein Biegeträger und weist eine erste Außenwandung 25 und eine zweite Außenwandung 27 auf, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Strukturelements 23 befinden. Die erste und zweite Außenwandung 25, 27 verlaufen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zueinander und parallel zu der von dem rechtwinkligen Koordinatensystem 29 definierten X-Z-Ebene. Zudem sind die erste und die zweite Außenwandung 25, 27 flächensymmetrisch oder spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene 30 zueinander angeordnet. Die erste Spiegelebene 30 verläuft parallel zu der X-Z-Ebene des Koordinatensystems 29.
Die erste und die zweite Außenwandung 25, 27 des Strukturelements 23 sind durch eine dritte Außenwandung 31 und eine vierte Außenwandung 33 miteinander verbunden. Die dritte und vierte Außenwandung 31, 33 verlaufen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zueinander, senkrecht zu der ersten und der zweiten Außenwandung 25, 27 und parallel zu der Y-Z-Ebene des Koordinatensystems 29. Parallel zu der Y-Z-Ebene des Koordinatensystems 29 erstreckt sich auch die zweite Spiegelebene 34, um die die dritte und die vierte Außenwandung 31, 33 spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Die erste bis vierte Außenwandung 25, 27, 31, 33 und die Spiegelebenen 30, 34 erstrecken sich parallel zu einer Erstreckungsrichtung 36 des Strukturelements oder Biegeträgers 23, die parallel zu der Z-Achse des Koordinatensystems 29 läuft.
Als Biegeträger umfasst das Strukturelement 23 ein festes Ende 35, an dem es unbeweglich gehaltert ist. Das gegenüberliegende Ende 37 ist ein freies Ende, an dem verschiedene durch Pfeile dargestellte Kräfte und Drehmomente auf das Strukturelement 23 einwirken. Die Messung der Auswirkungen einiger dieser Kräfte und Drehmomente in Bezug auf eine Schnittebene 39 erfolgt mittels eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Schnittebene 39 entspricht dem Querschnitt des rechteckigen Strukturelements 23, sie verläuft somit senkrecht zu den Spiegelebenen 30, 34 und der Erstreckungsrichtung 36, parallel zu der X-Y-Ebene des Koordinatensystems 29 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel aufgrund des rechteckigen Querschnitts des Strukturelements 23 auch senkrecht zu den vier Außenwandungen 25, 27, 31, 33.
Zunächst soll die Auswirkung einer ersten Kraft 41, die an dem freien Ende 37 des Strukturelements 23 angreift, in Bezug auf die Schnittebene 39 bestimmt werden. Die erste Kraft 41 ist eine Querkraft in der Schnittebene 39, d.h., sie wirkt parallel zur Schnittebene 39 auf das Strukturelement 23 ein. Die erste Kraft 41 wirkt weiterhin senkrecht zu der ersten Spiegelebene 30, sowie im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch parallel zu der ersten und zweiten Außenwandung 25, 27 und auf Grund des rechteckigen Querschnitts des Strukturelements 23 senkrecht zu der dritten und vierten Außenwandung 31, 33. Bezug nehmend auf das Koordinatensystem 29 wirkt die erste Kraft 41 in X-Richtung.
Erfindungsgemäß ist in das Strukturelement 23 ein Hohlraum 43 eingebracht worden, um die Auswirkungen der ersten Kraft 41 auf das Strukturelement 23 besser messen zu können. Der mit dem Hohlraum 43 versehene Abschnitt des Strukturelements 23 ist im Detail in 4 dargestellt, auf die nachfolgend vornehmlich Bezug genommen wird. In die erste Außenwandung 25 sind zudem vier Aussparungen 45 eingebracht worden, die den Hohlraum 43 mit der Umgebung des Strukturelements 23 verbinden und die durch vier Stege 47, 49, 51, 53 voneinander getrennt werden. Die zweite Außenwandung 27 weist ebenfalls vier Aussparungen 55 auf, die ebenfalls den Hohlraum 43 mit der Umgebung oder dem Äußeren des Strukturelements 23 verbinden und die durch vier Stege 57, 59, 61, 63 voneinander getrennt werden. Die Aussparungen 45 und Stege 47, 49, 51, 53 der ersten Außenwandung 25 sind jeweils in der Weise gegenüber den Aussparungen 55 bzw. Stegen 57, 59, 61, 63 der zweiten Außenwandung angeordnet, dass die erste und die zweite Außenwandung 25, 27 ein spiegelsymmetrisches Erscheinungsbild aufweisen, wobei die erste Spiegelebene 30 die Symmetrieebene definiert.
Die Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 von jeder der beiden Außenwandungen 25, 27 gehen von einem gemeinsamen Punkt aus und sind x-förmig angeordnet. Ein erster und einer dritter Steg 47, 51, 57, 61 erstrecken sich jeweils in eine erste Richtung 65 und ein zweiter und ein vierter Steg 49, 53, 59, 63 erstrecken sich in eine zweite Richtung 67. Da sich je zwei der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 in die gleiche Richtung 65, 67 erstrecken, wird eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen den Bereichen des Strukturelements 23 ermöglicht, die keinen Holraum 43 aufweisen und in denen die Außenwandungen 25, 27, 31, 33 nicht durch Ausnehmungen 45, 55 unterbrochen sind.
Die erste und die zweite Richtung 65, 67 sind unter entgegengesetzten Winkeln zu der Schnittebene 39 geneigt. Die erste Richtung 65 ist in dem vorliegenden Beispiel in einem Winkel von 45° zur Schnittebene 39 geneigt, und die zweite Richtung 67 ist unter einem Winkel von –45° zur Schnittebene 39 geneigt. Eine Neigung der ersten und zweiten Richtung 65, 67 um 45° zur Schnittebene 39 ermöglicht eine besonders gleichmäßige Übertragung der Kräfte und Drehmomente in dem Strukturelement 23. Weitere Vorteile der Neigung der Richtungen 65, 67 und damit der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 ergeben sich zudem aus der folgenden Beschreibung.
Zur Messung der Auswirkungen der ersten Kraft 41 sind auf dem Strukturelement vier Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 angeordnet. Ein erster Dehnungsmessstreifen 69 und ein zweiter Dehnungsmessstreifen 71 sind auf der ersten Außenwandung 25 angeordnet. Der erste Dehnungsmessstreifen 69 ist auf dem ersten Steg 47 angeordnet und der zweite Dehnungsmessstreifen 71 auf dem vierten Steg 53. Die Messrichtung der Dehnungsmessstreifen 69, 71 entspricht dabei der Erstreckungsrichtung 65, 67 des jeweiligen Stegs 47, 53. Ein dritter Dehnungsmessstreifen 73 ist mit seiner Messrichtung parallel zur ersten Richtung 65 auf dem ersten Steg 57 der zweiten Außenwandung 27 angeordnet und der vierte Dehnungsmessstreifen 75 ist auf dem vierten Steg 63 der zweiten Außenwandung 27 angeordnet. Die Messrichtung des vierten Dehnungsmessstreifens 75 verläuft entlang der zweiten Richtung 67.
Beim Einwirken der ersten Kraft 41 auf das freie Ende 37 des Strukturelements 23 verformt sich dieses, und die erste und die zweite Außenwandung 25, 27 und insbesondere die Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 werden gedehnt bzw. gestaucht. Im vorliegenden Beispiel werden durch die erste Kraft 41 die ersten Stege 47, 57 gestaucht und die vierten Stege 53, 63 gestreckt. Mit den Stegen 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 verändert sich auch die Länge der entsprechenden Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 in Messrichtung und somit ihr elektrischer Widerstand.
Wirkt die erste Kraft 41 auf das Strukturelement 23 ein, so verringert sich der elektrische Widerstand des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens 69, 73 und der Widerstand des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens 71, 75 wird größer. Sind die vier Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 in der Weise zu einer Wheatstone-Brücke 1 zusammengeschaltet, dass der erste Dehnungsmessstreifen 69 an die Stelle des ersten Widerstandes 3, der zweite Dehnungsmessstreifen 71 an die Stelle des zweiten Widerstandes 5, der dritte Dehnungsmessstreifen 73 an die Stelle des dritten Widerstandes 7 und der vierte Dehnungsmessstreifen 75 an die Stelle des vierten Widerstandes 9 tritt, so stehen der erste und der zweite Widerstand 3, 5 und der vierte und der dritte Widerstand 7, 9 in unterschiedlichen Verhältnissen zueinander und über das Spannungsmessgerät 13 fällt eine Spannung ab, aus deren Größe die Änderung der Widerstände berechnet werden kann. Vorzugsweise haben die Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 bei gleicher Ausdehnung den gleichen Widerstand, und dieser ändert sich beim Einwirken der ersten Kraft 41 um den gleichen Absolutbetrag, so dass die Berechnung der Widerstandsänderung besonders einfach ist.
Das in den 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt somit eine Möglichkeit dar, die Auswirkung der ersten Kraft 41 auf das Strukturelement 23 auch dann zu messen, wenn die Größe der ersten Kraft 41 bei einem massiven Strukturelement 23 keine messbaren Änderungen oder Verzerrungen der Oberfläche der Außenwandungen 25, 27 hervorrufen würde.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 in der beschriebenen Form weist zudem einen weiteren Vorteil auf. Wirkt ein Drehmoment 77 senkrecht zu der ersten Kraft 41 und parallel zu Erstreckungsrichtung 36 auf das Strukturelement 23 ein, so ändert sich ebenfalls die Länge der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 der ersten und der zweiten Außenwandung 25, 27. Es ändert sich folglich auch der Widerstand der Dehnungsmessstreifen 69 71, 73, 75.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 ist jedoch gerade so gewählt, dass beim Einwirken des Drehmomentes 77 der erste und der vierte Dehnungsmessstreifen 69, 75 eine gleichgerichtete Längenänderung erfahren und der zweite und der dritte Dehnungsmessstreifen 71, 73 ebenfalls eine gleichgerichtete Längenänderung erfahren, die jedoch der Längenänderung des ersten und des vierten Dehnungsmessstreifen 69, 75 entgegengesetzt ist. Das bedeutet, dass sich das Verhältnis der Widerstände der Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 in der Wheatstone-Brücke nicht ändert, und das Spannungsmessgerät 13 zeigt somit keine oder nur eine sehr geringe Änderung der Widerstände an. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 um den gleichen Absolutbetrag ändert. Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 auf den Stegen 47, 53, 57, 63 erlaubt somit nicht nur eine Messung einer verhältnismäßig kleinen ersten Kraft 41, sondern ist zudem von den Einflüssen des Drehmomentes 77 entkoppelt.
Wirkt eine zu der ersten Kraft 41 entgegengesetzte Kraft auf das Strukturelement 23 ein, so ändern sich die Längen der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 und der darauf angeordneten Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75 offensichtlich in entgegengesetzte Richtungen.
Die Anordnung der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 erlaubt es zudem auf besonders vorteilhafte Weise, das Drehmoment 77 entkoppelt von der ersten Kraft 41 zu messen. Hierzu wird ein fünfter Dehnungsmessstreifen 79 auf dem ersten Steg 47 der ersten Außenwandung 25 angeordnet, dessen Messrichtung in die erste Richtung 65 weist. Ein sechster Dehnungsmessstreifen 81 wird auf dem zweiten Steg 49 der ersten Außenwandung 25 angeordnet, dessen Messrichtung in die zweite Richtung 67 weist. Auf den Stegen 57 und 59 der zweiten Außenwandung 27 sind ein siebter Dehnungsmessstreifen 83 und ein achter Dehnungsmessstreifen 85 angeordnet. Der siebte Dehnungsmessstreifen 83 ist auf dem zweiten Steg 59 der zweiten Außenwandung 27 in die zweite Richtung 67 orientiert angeordnet. Der achte Dehnungsmessstreifen 85 ist in die erste Richtung 65 orientiert auf dem ersten Steg 57 der zweiten Außenwandung 27 angeordnet.
Wirkt das Drehmoment 77 auf das Strukturelement 23 ein, so ändert sich die Länge des fünften und des siebten Dehnungsmessstreifens 79, 83 und der Stege 47, 59, in die gleiche Richtung. Entsprechend ändert sich auch der Widerstand des fünften und des siebten Dehnungsmessstreifens 79, 83 in die gleiche Richtung. Die Länge und damit auch der elektrische Widerstand des sechsten und des achten Dehnungsmessstreifens 81, 85 ändert sich in die entgegengesetzte Richtung. Sind die Dehnungsmessstreifen 79, 81, 83, 85 zu einer Wheatstone-Brücke 1 verschaltet, so ändert sich unter Einwirkung des Drehmomentes 77 auf das Strukturelement 23 das Verhältnis der Widerstände und das Spannungsmessgerät 13 zeigt einen Spannungsabfall an, aus dem die Widerstandsänderung berechnet werden kann.
Vorzugsweise ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen 79 81, 83, 85 beim Einwirken des Drehmoments 77 auf das Strukturelement 23 um den gleichen Betrag. Dies erlaubt es auf besonders einfache Weise, die Änderung des Widerstandes und damit die Änderung der Länge der Dehnungsmessstreifen 79, 81, 83, 85 zu berechnen.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 79, 81, 83, 85 des in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels erlaubt es somit auf besonders vorteilhafte Weise, auch die Auswirkungen kleiner Drehmomente 77 auf das Strukturelement 23 zu berechnen, die ohne den Hohlraum 43 und die Aussparungen 45, 55 keine messbaren Verzerrungen der Oberfläche des Strukturelement 23 hervorrufen würden. Die Neigung der ersten und der zweiten Richtung 65, 67 um 45° bzw. –45° zur Schnittebene und damit auch um 45° bzw. –45° zu dem Drehmoment 77 ist besonders vorteilhaft, da sich die Auswirkungen des Drehmomentes 77 auf der ersten und zweiten Außenwandung 25, 27 mittels des Mohrschen Spannungskreises in zwei Hauptkomponenten zerlegen lassen, von denen eine in die erste Richtung 65 und die zweite in die zweite Richtung 67 wirkt.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Dehnungsmessstreifen 79, 81, 83, 85 bietet zudem den Vorteil, dass die Messung der Auswirkung des Drehmomentes 77 auf das Strukturelement 23 von der Messung der Auswirkung der ersten Kraft 41 entkoppelt ist. Wirkt die erste Kraft 41 auf das Strukturelement 23 ein, so ändern sich der Widerstand des fünften und des achten Dehnungsmessstreifens 79, 85 in die gleiche Richtung und der Widerstand de sechsten und des siebtens Dehnungsmessstreifens 81, 83 in die entgegengesetzte Richtung. Sind diese wie eben beschrieben in einer Wheatstone-Brücke 1 geschaltet, so ändert sich das Verhältnis der Widerstände 3, 5, 7, 9 nicht und das Spannungsmessgerät 13 misst keinen Spannungsabfall.
Das in den 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt somit eine Möglichkeit dar, die erste Kraft 41 und das Drehmoment 77 unabhängig voneinander auch an einem Strukturelement 23 zu messen, das ohne die eingebrachten Aussparungen 45, 55 und den eingebrachten Hohlraum 43 so steif wäre, dass die Längenänderungen auf der Oberfläche bei aufgebrachten Dehnungsmessstreifen zu gering wären, um die Kräfte messen zu können.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Dehnungsmessstreifen 69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85 auch auf anderen Stegen 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63 angeordnet werden können, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Auch eine andere Anordnung der Stege 47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63, beispielsweise unter anderen Neigungswinkel zur Schnittebene 39 ist vorstellbar. Die hier beschriebene Anordnung ist nur exemplarisch und eine von mehreren Anordnungen, die das in den Ansprüchen definierte Prinzip der Erfindung erfüllt.
In den 3 und 4 sind noch weiter Dehnungsmessstreifen 87 dargestellt, mit denen die Auswirkungen weiterer Kräfte und Drehmomente auf das Strukturelement 23 gemessen werden können. Die Anordnung der weiteren Dehnungsmessstreifen 87 ist dem Fachmann allerdings hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Daher wird darauf hier nicht weiter eingegangen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen entsprechende Elemente. Das in 5 dargestellte Strukturelement 23 ist das gleiche Strukturelement 23, das bereits in 4 dargestellt worden ist. Es weist die gleichen Aussparungen und Stege auf der erste und auf der zweiten Außenwandung 25, 27 auf, die auch den gleichen Zweck erfüllen. Auf diese soll daher im Folgenden nicht weiter eingegangen werden.
Zusätzlich sind in die dritte und vierte Außenwandung 31, 33 in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel je vier Aussparungen 89 eingebracht worden. Zwischen den Aussparungen erstrecken sich vier Stege 91. Auf je zwei Stegen 91 der dritten Außenwandung 31 und der vierten Außenwandung 33 ist ein Dehnungsmessstreifen 93, 95, 97, 99 angeordnet, um die Auswirkungen des Einwirkens einer zweiten Kraft 101 auf das Strukturelement 23 messen zu können. Die zweite Kraft 101 wirkt senkrecht zu der ersten Kraft 41 und dem Drehmoment 77 auf das freie Ende 37 des Strukturelement 23 ein.
Die Dehnungsmessstreifen 93, 95, 97, 99 sind dabei so angeordnet, dass der Widerstand eines neunten und eines zehnten Dehnungsmessstreifens 93, 95, die auf der dritten Außenwandung 31 angeordnet sind, sich beim Einwirken der zweiten Kraft 101 auf das freie Ende 37 des Strukturelements 23 in entgegengesetzte Richtung ändern. Der elfte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen 97, 99 sind auf den Stegen 91 der vierten Außenwandung 33 so angeordnet, dass sich ihre Widerstände beim Einwirken der zweiten Kraft 101 ebenfalls in entgegengesetzte Richtung ändern. Die Dehnungsmessstreifen 93, 95, 97, 99 können so zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden, dass sich das Verhältnis der Widerstände beim Einwirken der zweiten Kraft 101 in entgegengesetzte Richtungen ändert und ein besonders großer Spannungsabfall gemessen werden kann.
Der neunte und elfte Dehnungsmessstreifen 93, 97 sind in eine dritte Richtung 103 ausgerichtet, und der zehnte und zwölfte Dehnungsmessstreifen 95, 99 sind in eine vierte Richtung 105 ausgerichtet. Von den vier Stegen 91, die zwischen den Aussparungen 89 der dritten und vierten Außenwandung 31, 33 verlaufen, verlaufen jeweils zwei Stege 91 in die dritte Richtung 103 und zwei Stege 91 in die vierte Richtung 105. Die Richtungen 103, 105, in die die Stege 91 verlaufen, entsprechen dabei den Richtungen 103, 105 in denen die Messrichtungen der auf den Stegen 91 angeordneten Dehnungsmessstreifen 93, 95, 97, 99 ausgerichtet sind. Die Stege 91 sind zudem vorzugsweise unter entgegengesetzten Winkeln zu der Schnittebene 39 geneigt.
Durch die Aussparungen 91 wird es ermöglicht, auch zweite Kräfte 101 zu messen, die ein massives Strukturelement 23 oder auch ein Strukturelement 23 mit einem Hohlraum 43 aber geschlossener dritter und vierter Außenwandung 31, 33 nicht ausreichend stark deformieren würden, um eine ausreichend große Widerstandsänderung messen zu können.
Die Anordnung der Dehnungsmessstreifen 93, 95, 97, 99 ist zudem vorteilhaft, da sich beim Einwirken des Drehmomentes 77 deren Widerstände so ändern, dass sich das Verhältnis der Widerstände der oben angegebenen Wheatstone-Brücke nicht ändert. Die Messung der zweiten Kraft 101 erfolgt somit auf besonders vorteilhafte Weise entkoppelt von der Messung des Drehmomentes 77.

Claims

Vorrichtung zur Messung von Schnittkräften an einem einstückigen Strukturelement (23) in Bezug auf eine Schnittebene (39) mit einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99), wobei das Strukturelement (23) eine erste und eine zweite Außenwandung (25, 27) aufweist, die senkrecht zu der Schnittebene (39) verlaufen, sich spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene (30) zueinander erstrecken und durch weitere Außenwandungen (31, 33) verbunden sind, wobei die erste Spiegelebene (30) senkrecht zu der Schnittebene (39) verläuft, wobei jeder Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) eine Messrichtung aufweist und der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) von der Länge des Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) in Messrichtung abhängig ist, wobei ein erster und ein zweiter Dehnungsmessstreifen (69, 71) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der ersten Außenwandung (25) angeordnet sind und ein dritter und ein vierter Dehnungsmessstreifen (73, 75) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der zweiten Außenwandung (27) angeordnet sind, wobei die Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit einer ersten Kraft (41), die parallel zu der Schnittebene (39) und parallel zu der ersten Spiegelebene (30) wirkt, der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen (69, 73) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen (71, 75) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens (69, 73) der Längenänderung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens (71, 75) entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (23) einen Hohlraum (43) aufweist, die erste Außenwandung (25) im Bereich des Hohlraums (43) zumindest drei Aussparungen (45) aufweist, die durch Stege (47, 49, 51, 53) voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, die zweite Außenwandung (27) im Bereich des Hohlraums (43) zumindest drei Aussparungen (55) aufweist, die durch Stege (57, 59, 61, 63) voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, und die Aussparungen (45) und Stege (47, 49, 51, 53) der ersten Außenwandung (25) spiegelsymmetrisch um die erste Spiegelebene (30) zu den Aussparungen (55) und Stegen (57, 59, 61, 63) der zweiten Außenwandung (27) angeordnet sind, der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75) jeweils auf einem der Stege (47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63) angeordnet sind und die Stege (47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63) jeder Außenwandung (25, 27) sich von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünfter und ein sechster Dehnungsmessstreifen (79, 81) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der ersten Außenwandung (25) und ein siebter und ein achter Dehnungsmessstreifen (83, 85) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der zweiten Außenwandung (27) in der Weise angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit einem Drehmoment (77), das senkrecht zu der ersten Kraft (41) und parallel zu der ersten Spiegelebene (30) wirkt, der fünfte und der siebte Dehnungsmessstreifen (79, 83) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der sechste und der achte Dehnungsmessstreifen (81, 85) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des fünften und des siebten Dehnungsmessstreifen (79, 83) der Längenänderung des sechsten und des achten Dehnungsmessstreifens (81, 85) entgegengesetzt ist, und dass der fünfte, der sechste, der siebte und der achte Dehnungsmessstreifen (79, 81, 83, 85) jeweils auf einem der Stege (47, 49, 51, 53, 57, 59, 61, 63) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit dem Drehmoment (77) der erste und der vierte Dehnungsmessstreifen (69, 75) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der dritte Dehnungsmessstreifen (71, 73) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des vierten Dehnungsmessstreifen (69, 75) der Längenänderung des zweiten und des dritten Dehnungsmessstreifens (71, 73) entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit der ersten Kraft (41) der fünfte und der achte Dehnungsmessstreifen (79, 85) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der sechste und der siebte Dehnungsmessstreifen (81, 83) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des fünften und des achten Dehnungsmessstreifen (79, 85) der Längenänderung des sechsten und des siebten Dehnungsmessstreifens (81, 83) entgegengesetzt ist.
Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenwandung (25) vier Aussparungen (45) aufweist, zwischen denen vier Stege (47, 49, 51, 53) verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg (47, 51) sich in eine erste Richtung (65) erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg (49, 53) sich in eine zweite Richtung (67) erstrecken, und dass die zweite Außenwandung (27) vier Aussparungen (55) aufweist, zwischen denen vier Stege (57, 59, 61, 63) verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg (57, 61) sich in die erste Richtung (65) erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg (59, 63) sich in die zweite Richtung (67) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (65) unter einem Winkel von 30° bis 60° und vorzugsweise von 40° bis 50° geneigt zur Schnittebene (39) verläuft und dass die zweite Richtung (67) unter einem Winkel von –30° bis –60° und vorzugsweise von –40° bis –50° geneigt zur Schnittebene (39) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (65) und die zweite Richtung (67) unter entgegengesetztem Winkel zur Schnittebene (39) geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Außenwandungen (31, 33) eine dritte und eine vierte Außenwandung (31, 33) umfassen, die sich spiegelsymmetrisch um eine zweite Spiegelebene (34) zueinander erstrecken und senkrecht zu der Schnittebene (39) verlaufen, wobei die zweite Spiegelebene (34) senkrecht zur ersten Spiegelebene (30) und senkrecht zur Schnittebene (39) verläuft, dass ein neunter und ein zehnter Dehnungsmessstreifen (93, 95) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der dritten Außenwandung (31) und ein elfter und ein zwölfter Dehnungsmessstreifen (97, 99) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf der vierten Außenwandung (33) in der Weise angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit einer zweiten Kraft (101), die parallel zu der Schnittebene (39) und parallel zu der zweiten Spiegelebene (34) wirkt, der neunte und der elfte Dehnungsmessstreifen (93, 97) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen (95, 99) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des elften Dehnungsmessstreifens (93, 97) der Längenänderung des zehnten und des zwölften Dehnungsmessstreifens (95, 99) entgegengesetzt ist, dass die dritte Außenwandung (31) im Bereich des Hohlraums (43) zumindest drei Aussparungen (89) aufweist, die durch Stege (91) voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, die vierte Außenwandung (33) im Bereich des Hohlraums (43) zumindest drei Aussparungen (89) aufweist, die durch Stege (91) voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, und die Aussparungen (89) und Stege (91) der dritten Außenwandung (31) spiegelsymmetrisch um die zweite Spiegelebene (34) zu den Aussparungen (89) und Stegen (91) der vierten Außenwandung (33) angeordnet sind, der neunte, zehnte, elfte und zwölfte Dehnungsmessstreifen (93, 95, 97, 99) jeweils auf einem der von der dritten und der vierten Außenwandung (31, 33) gebildeten Stege (91) angeordnet sind und die Stege (91) der dritten und vierten Außenwandung (31, 33) sich jeweils von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) so angeordnet sind, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit dem Drehmoment (77) der neunte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen (93, 99) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der elfte Dehnungsmessstreifen (95, 97) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des zwölften Dehnungsmessstreifen (93, 99) der Längenänderung des zehnten und des elften Dehnungsmessstreifens (95, 97) entgegengesetzt ist.
Vorrichtungen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Außenwandung (31) vier Aussparungen (89) aufweist, zwischen denen vier Stege (91) verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg (91) sich in eine dritte Richtung (103) erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg (91) sich in eine vierte Richtung (105) erstrecken und dass die zweite Außenwandung (31) vier Aussparungen (89) aufweist, zwischen denen vier Stege (91) verlaufen, von denen ein erster und ein dritter Steg (91) sich in eine dritte Richtung (103) erstrecken und ein zweiter und ein vierter Steg (91) sich in eine vierte Richtung (105) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Richtung (103) unter einem Winkel von 30° bis 60° und vorzugsweise von 40° bis 50° geneigt zur Schnittebene (39) verläuft und dass die vierte Richtung (105) unter einem Winkel von –30° bis –60° und vorzugsweise von –40° bis –50° geneigt zur Schnittebene (39) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Richtung (103) und die vierte Richtung (105) unter entgegengesetztem Winkel zur Schnittebene (39) geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der zweite, der dritte und der vierte Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75) so angeordnet sind, dass Längenänderungen des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75) bei einem Einwirken der ersten Kraft (41) und/oder des Drehmomentes (77) auf das Strukturelement (23) eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75) bewirken, und/oder dass der fünfte, der sechste, der siebte und der achte Dehnungsmessstreifen (79, 81, 83, 85) so angeordnet sind, dass Längenänderungen des fünften, des sechsten, des siebten und des achten Dehnungsmessstreifens (79, 81, 83, 85) bei einem Einwirken der ersten Kraft (41) und/oder des Drehmomentes (77) auf das Strukturelement (23) eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des fünften, des sechsten, des siebten und des achten Dehnungsmessstreifens (79, 81, 83, 85) bewirken, und/oder dass der neunte, der zehnte, der elfte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen (93, 95, 97, 99) so angeordnet sind, dass Längenänderungen des neunten, des zehnten, des elften und des zwölften Dehnungsmessstreifens (93, 95, 97, 99) bei einem Einwirken der zweiten Kraft (101) und/oder des Drehmoments (77) auf das Strukturelement (23) eine betragsmäßig annähernd gleichgroße Änderung des elektrischen Widerstandes des neunten, des zehnten, des elften und des zwölften Dehnungsmessstreifens (93, 95, 97, 99) bewirken.
Verfahren zur Messung von Schnittkräften an einem einstückigen Strukturelement (23) in Bezug auf eine Schnittebene (39) mit einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99), wobei das Strukturelement (23) eine erste und eine zweite Außenwandung (25, 27) aufweist, die senkrecht zu der Schnittebene (39) verlaufen, sich spiegelsymmetrisch um eine erste Spiegelebene (30) zueinander erstrecken und durch weitere Außenwandungen (31, 33) verbunden sind, wobei die erste Spiegelebene (30) senkrecht zu der Schnittebene (39) verläuft, wobei jeder Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) eine Messrichtung aufweist und der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) von der Länge des Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) in Messrichtung abhängig ist, und – wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Vorsehen eines Hohlraums (43) in dem Strukturelement (23), – Einbringen von zumindest drei Aussparungen (45) in die erste Außenwandung (25) im Bereich des Hohlraums (43), die durch Stege (47, 49, 51, 53) voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, wobei sich die Stege (47, 49, 51, 53) von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken, – Einbringen von zumindest drei Aussparungen (55) in die zweite Außenwandung (27) im Bereich des Hohlraums (43), die durch Stege (57, 59, 61, 63), die sich von einem gemeinsamen Punkt weg erstrecken, voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, wobei die Aussparungen (55) und Stege (57, 59, 61, 63) der zweiten Außenwandung (27) spiegelsymmetrisch um die erste Spiegelebene (30) zu den Aussparungen (45) und Stegen (47, 49, 51, 53) der ersten Außenwandung (25) angeordnet werden, – Anordnen eines ersten und eines zweiten Dehnungsmessstreifens (69, 71) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf den Stegen (47, 49, 51, 53) der ersten Außenwandung (25) und eines dritten und eines vierten Dehnungsmessstreifens (73, 75) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf den Stegen (57, 59, 61, 63) der zweiten Außenwandung (27), wobei die Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) so angeordnet werden, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit einer ersten Kraft (41), die parallel zu der Schnittebene (39) und parallel zu der ersten Spiegelebene (30) wirkt, der erste und der dritte Dehnungsmessstreifen (69, 73) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zweite und der vierte Dehnungsmessstreifen (71, 75) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des ersten und des dritten Dehnungsmessstreifens (69, 73) der Längenänderung des zweiten und des vierten Dehnungsmessstreifens (71, 75) entgegengesetzt ist, – Verschalten des ersten bis vierten Dehnungsmessstreifens (69, 71, 73, 75) zu einer Wheatstone-Brücke (1), wobei der erste und der zweite Dehnungsmessstreifen (69, 71) in Reihe und parallel zu den ebenfalls in Reihe geschalteten vierten und dritten Dehnungsmessstreifen (75, 73) geschaltet werden, wobei ein Spannungsmessgerät (13) den Spannungsabfall zwischen einem Knoten zwischen dem ersten und dem zweiten Dehnungsmessstreifen (69, 71) und einem Knoten zwischen dem vierten und dem dritten Dehnungsmessstreifen (75, 73) misst, – Anlegen einer Versorgungsspannung (11), die über den ersten und den zweiten Dehnungsmessstreifen (69, 71) und auch über den vierten und den dritten Dehnungsmessstreifen (75, 73) abfällt, – Aufbringen der ersten Kraft (41) auf das Strukturelement (23) und – Bestimmen des Spannungsabfalls an dem Spannungsmessgerät (13) beim Einwirken der ersten Kraft (41).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (23) eine dritte und eine vierte Außenwandung (31, 33) umfassen, die sich spiegelsymmetrisch um eine zweite Spiegelebene (34) zueinander erstrecken und senkrecht zu der Schnittebene (39) verlaufen, wobei die zweite Spiegelebene (34) senkrecht zur ersten Spiegelebene (30) und senkrecht zur Schnittebene (39) verläuft, und dass das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte aufweist: – Einbringen von zumindest drei Aussparungen (89) im Bereich des Hohlraums (43) in die dritte Außenwandung (31), die durch Stege (91), die sich von einem gemeinsamen Punkt aus weg erstrecken, voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, – Einbringen von zumindest drei Aussparungen (89) im Bereich des Hohlraums (43) in die vierte Außenwandung (33), die durch Stege (91), die sich von einem gemeinsamen Punkt aus weg erstrecken, voneinander getrennt sind und den Hohlraum (43) mit dem Äußeren des Strukturelements (23) verbinden, wobei die Aussparungen (89) und Stege (91) der vierten Außenwandung (33) spiegelsymmetrisch um die zweite Spiegelebene (34) zu den Aussparungen (89) und Stegen (91) der dritten Außenwandung (31) angeordnet werden, – Anordnen eines neunten und eines zehnten Dehnungsmessstreifens (93, 95) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf den Stegen (91) der dritten Außenwandung (31) und eines elften und eines zwölften Dehnungsmessstreifens (97, 99) der Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen (69, 71, 73, 75, 79, 81, 83, 85, 87, 93, 95, 97, 99) auf den Stegen (91) der vierten Außenwandung (33) in der Weise, dass bei Belastung des Strukturelementes (23) mit einer zweiten Kraft (101), die parallel zu der Schnittebene (39) und parallel zu der zweiten Spiegelebene (34) wirkt, der neunte und der elfte Dehnungsmessstreifen (93, 97) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren, der zehnte und der zwölfte Dehnungsmessstreifen (95, 99) eine gleichgerichtete Längenänderung in Messrichtung erfahren und die Längenänderung des neunten und des elften Dehnungsmessstreifens (93, 97) der Längenänderung des zehnten und des zwölften Dehnungsmessstreifens (95, 99) entgegengesetzt ist, – Verschalten des neunten bis zwölften Dehnungsmessstreifens (93, 95, 97, 99) zu einer Wheatstone-Brücke (1), wobei der neunte und der zehnte Dehnungsmessstreifen (93, 95) in Reihe und parallel zu den ebenfalls in Reihe geschalteten zwölften und elften Dehnungsmessstreifen (99, 97) geschaltet werden, wobei ein Spannungsmessgerät (13) den Spannungsabfall zwischen einem Knoten zwischen dem neunten und dem zehnten Dehnungsmessstreifen (93, 95) und einem Knoten zwischen dem zwölften und dem elften Dehnungsmessstreifen (99, 97) misst, – Anlegen einer Versorgungsspannung (11), die über den neunten und den zehnten Dehnungsmessstreifen (93, 95) und auch über den zwölften und den neunten Dehnungsmessstreifen (99, 97) abfällt, – Aufbringen der zweiten Kraft (101) auf das Strukturelement (23) und – Bestimmen des Spannungsabfalls an dem Spannungsmessgerät (13) beim Einwirken der zweiten Kraft (101).