DE2200211A1 - Kraftmessdose - Google Patents

Description

40.24 30.12.1971

Kraftmeßdose.

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit kreisringförmigem," lastempfindlichem Element, auf dem Meßelemente, vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen, befestigt sind und dessen Dicke vorzugsweise derart stetig vom Radius abhängt, daß das lastempfindliche Element am inneren und äußeren Kreisringrand dicker ist als zwischen den Rändern.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 129 317 sind Kraftmeßdosen bekannt geworden, die ein kreisringförmiges lastempfindliches Element aufweisen, dessen Dicke mit dem Radius variiert. Das lastempfindliche Element ist bei diesen Kraftmeßdosen zwischen einem äußeren Ring und einer innenliegenden Nabe angebracht, wobei die Nabe, das lastempfindliche Element und der äußere Ringaus einem Stück gefertigt sein können. Die Dicke des lastempfindlichen Elementes nimmt zunächst mit dem Radius stetig ab und erreicht etwa in der Mitte zwischen der Nabe und dem äußeren Ring ihre kleinste Abmessung und nimmt dann wieder stetig zu. Dadurch erhält das lastempfindliche Element geneigte Oberflächen auf denen Dehnungsmeßelemente, vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen, aufgeklebt sind. Wird die Nabe einer solchen Kraftmeßdose belastet, wobei an dem äußeren Ring die Gegenkräfte angreifen, so werden die innen liegenden schrägen Flächen gestaucht, während die äußeren Flächen eine Dehnung erfahren. Diese entgegengesetzten Längenänderungen der geneigten Flächen bewirken beim Aufbringen einer Last eine relativ große Abweichung vom Brückengleichgewicht der aus den Dehnungsmeßelementen gebildeten Brücke und machen damit die Kraftmeßdose sehr empfindlich.

Nachteilig bei derartigen Kraftmeßdosen ist, daß das lastempfindliche Element relativ dick ausgestaltet sein muß, da sonst die Kraftmeßdose übermäßig empfindlich gegenüber unerwünschten seitlichen Spannungen und Torsionsbelastungen würde. Da das relativ·dicke lastempfindliche Element nur durch große Kräfte

209 8 31/0636

40.24 - 2 -

hinreichend stark verformt v/erden kann, lassen sich derartige Kraftmeßdosen nur zur Messung verhältnismäßig großer Kräfte anwenden. Die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Kraftmeßdosen sind daher in der V/eise beschränkt, daß es nicht möglich ist, · sie zur Messung von Kräften in beliebigen Bereichen und insbesondere zur Messung kleiner Kräfte auszulegen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 026 522 sind Kraftmeßdosen bekannt geworden, deren lastempfindliches Element mit Löchern versehen ist und die Dehnungsmeßelemente an den Seitenwänden dieser Löcher befestigt sind. Die Dehnungsmeßelemente reagieren auf Scherbeanspruchungen des lastempfindlichen Elementes, so daß eine derartige Kraftmeßdose eine völlig andere Charakteristik hat als die weiter oben beschriebenen. Außerdem hat eine derartige Kraftmeßdose eine ziemlich große Bauhöhe, die sie für manche Verwendungszwecke unbrauchbar macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste einfachherzustellende und kleinbauende Kraftmeßdose zu schaffen, die unempfindlich ist gegenüber seitlichen Kräften oder Torsionsbelastungen und die zur Messung von Kräften in beliebigen Bereichen, insbesondere auch zur Messung von kleinen Kräften ausgestaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das an sich für große Lasten bemessene lastempfindliche Bauelement mit Sackbohrungen derart versehen ist, daß der Boden der Sackbohrungen durch dünne, membranartige Materialbrücken gebildet wird. Die Meßelemente sind auf den zwischen den Sackbohrungen stehenbleibenden Rippen befestigt und die Sackbohrungen, die vorzugsweise kreisförmig sind, sind vorzugsweise symmetrisch angeordnet. Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

20983 1 /0636

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind den Figuren 1-5 zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kraftmeßdose, die für Druckmessungen ausgerüstet ist,

Fig. 2 Blick senkrecht zu der in Fig. 1 durch die Linie 2-2 angedeuteten Ebene,

Fig. 3 die Brückenschaltung für die.Dehnungsmeßelemente bei der Kraftmeßdose gemäß den Figuren 1 und 2,

Fig. 4 eine-erfindungsgemäße Kraftmeßdose, die für Zug- und Druekmessungen ausgerüstet ist und

Fig. 5 einen· Schnitt längs der Linie 4 - 4■in Figur >.

Das Aufnehmer-Formstück 6 nach Figur 1 und 2, das den Hauptbestandteil der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose darstellt, besteht aus einem steifen Kranzteil 7 und einem steifen Nabenteil 8, das mit einem ein Außengewinde tragendeis AnschlußstücK 9 verbunden ist. Das.Kranzteil 7 und das Nabenteil 8 sind über ein Platten- ■ teil Ib miteinander verbunden, das als lastempfindliches Element ausgestaltet ist.. Kranzteil. 7y Plattenteil 16 und Nabenteil 8 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstück. Das Plattenteil 16 verjüngt sich sowohl vom Kranzteil 7 als auch vom Nabenteil δ her gesehen. Dadurch entstehen geneigte Flächen 10 und 11, die die Dehnungsmeßstreifen 19-22 aufnehmen; und zwar sind die Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 abwechselnd auf den Flächen 10 und 11 angebracht. Die Dicke des lastempfindlichen Elementes 16 ist so bemessen, daß es starke Kräfte aufnehmen kann.

Um nun die Kraftmeßdose auch für schwache Kräfte geeignet zu machen, ohne die Stabilität der Dose aufzugeben, werden in dem ' lastempfindlichen Element l6 eine Reihe von Sackbohrungen 12 - 15 vorgenommen und zwar derart, daß das lastempfindliche Element 16 an diesen Stellen nur noch aus dünnen, membranarti- ' gen Materialbrücken 27 - 30 besteht. Die Sackbohrungen 12 - 15 haben vorzugsweise die Form.eines Kreises, deren Mittelpunkte auf dem Radius 3I des lastempfindlichen Elementes l6 angeordnet sind, auf dem dieser seine kleinste Dicke annimmt. Die Sackboh-

- 4 2 09 8 3 1 /Ό 63 6

rungen 12 - 15 werden vorzugsweise symmetrisch angebracht, so daß zwischen den Sackbohrungen 12 - 15 Rippenteile 23 - 26 stehen bleiben, die die Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 aufnehmen. Die Radien der Sackbohrungen 12 - 15 werden vorzugsweise so gewählt, daß sie einen größeren Bereich überdecken als die Ausdehnung der Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 (angedeutet durch den Doppelpfeil 32). Damit wird sichergestellt, daß die Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 in einem Bereich maximaler Verformung der zwischen den Sackbohrungen stehenbleibenden Rippenteile 23 - 26 angebracht sind.

Das Kranzteil 7 besitzt an einer Stelle eine Öffnung, durch die die elektrische Zuleitung 17 mit den Anschlüssen l8 für die Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 geführt ist.

Die zu messende Kraft greift in Richtung des Pfeiles L am Nabenteil 18 an, während das Kranzteil 7 die entsprechenden Gegenkräfte aufnimmt.

Beim Aufbringen äußerer Lasten nehmen die zwischen den Einbohrungen 12 - 15 liegenden Rippen 23 - 26 nahezu alle Kräfte auf und werden entsprechend elastisch verformt. Diese Verformung ist um so größer, je größer die Radien der Sackbohrungen 12 sind. Die Sackbohrungen 12 - 15 haben also die Aufgabe, die Winkelbreite der Rippen 23 - 26 und damit die Empfindlichkeit der Kraftmeßdose zu bestimmen. Die dünnen Materialschichten 27 am Puße der Sackbohrungen 12 - I5 verleihen andererseits dem lastempfindlichen Element l6 eine Membran-Chrakteristik, die den Widerstand gegen Torsions- oder andere außermittige Belastungen fördern. Gleichzeitig tragen sie zur Abdichtung des inneren der Meßdose bei.

Die Anzahl der Sackbohrungen 12 - I5 kann je nach den konstruktiven Erfordernissen variiert werden und es kann ihnen auch eine andere Form als die dargestellte Kreisform gegeben werden. 2. B. ist es möglich, die Sackbohrungen 12 - 15 rechteckig zu machen

- 5 -209831/0636

- ■■■■'_- 5

oder in Form von zwei oder mehreren sich überschneidenden Kreisen., deren Mittelpunkte in radialer Richtung (bezogen auf das lasttragende Element 16) hintereinander oder nebeneinander liegen.

Sobald eine Belastung in Richtung des Pfeiles L aufgebracht wird, zeigen die Flächen 10 und 11 der Rippen 23 - 26 Zug- und Druckspannungseffekte, die von den auf.gebrachten Dehnungsmeßstreifen 19 - 22 gemessen werden können. Eine typische elektrische Brückenanordnung für solche Meßstreifen wird in Figur 3 dargestellt. Die mit Druckkraft belasteten Dehnungsmeßstreifen 19 und 21 liegen ebenso wie die mit Zugkraft belasteten Meßstreifen 20 und 22 in gegenüberliegenden diagonalen Brückenzweigen. Auf diese Weise ergibt sich beim Aufbringen einer Last eine maximale Brückenverstimmung.

Die in den Figuren 1-3 dargestellte Kraftmeßdose 'ist geeignet zur Aufnahme von Druckkräften. Sie baut außerordentlich klein und die Einzelteile können ohne Schwierigkeit auf einer Drehmaschine hergestellt werden. Schließlich kann die erfindungsgemäße Kraftmeßdose auch für kleine Kräfte ausgelegt und je nach Zahl und Form der Sackbohrungen 12 - 15 optimal den Erfordernissen angepaßt werden.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose, die sich sowohl zur Aufnahme von Zug- als auch von Druckkräften eignet ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Die Kraftmeßdose ist in dieser Ausgestaltung mit einem Zug-Anschlußstück 33 und mit einem zugehörigen Verbindungsstück 34 ausgestattet. Die obere Hälfte dieser Kraftmeßdose hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in Figur 1 und 2 dargestellte Dose. Mit Hilfe der Schrauben:35 wird das Anschlußstück mit dem Kranzteil 7 verbunden. Die Dehnungsmeßstreifen 38 - 45 sind in diesem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung paarweise gegenüberliegend innerhalb und außerhalb des Kreises mit der geringsten Dicke des lastempfindlichen Elementes 16 angeordnet. Auf diese Weise können sowohl Zug- als auch Druckkräfte gemessen werden.

209831/0636

. ' "■:'",.-;' S υ Γι C

40.24 - 6 -

Die Art und die Anbringung der Sackbohrungen 12 - 15 sowie die Lage des Kreises mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes sind in diesem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung etwas anders gewählt, um zu zeigen, daß die Erfindung keineswegs auf das weiter oben behandelte Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sackbohrungen 12 - 15 in dem lastempfindlichen Element 16 zunächst durch durchgehende Bohrungen ersetzt, d. h. es wird keine Materialschicht mehr stehengelassen. Die membranartige Materialschicht wird durch Hinzufügung einer relativ dünnen Platte 36 gebildet, die auf die Rippen 22 - 25 aufgelegt wird. Die Verbindung der Platte 36 mit den Rippen 23 - 26 kann durch Hartlöten oder anderweitig entlang der Nahtlinie 37 erfolgen. Die Platte 36 enthält außerdem eine zentrale öffnung, so daß das Verbindungsstück 9 eingesetzt werden kann.

Der Kreis mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes 16 liegt in diesem Beispiel nicht in der Mitte zwischen dem Nabenteil 8 und dem Kranzteil 7 sondern weiter innen. Dadurch wird der Kreis mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes näher an die Nabe 8 herangebracht. Diese Anordnung stellt insofern ein Optimum dar, daß die innerhalb und außerhalb des Kreises mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes liegenden Rippenteile 10 und 11 annähernd die gleiche Breite erhalten.

Die Dehnungsmeßstreifen 38 - 45 sind in Figur 5 zur Verdeutlichung etwas größer dargestellt als sie eigentlich sind. In Wirklichkeit sollen die Dehnungsmeßstreifen 38 - 4o so bemessen sein, daß sie innerhalb eines gedachten Ringes liegender die Sackbohrungen 12 - 15 an ihrer inneren und ihrer äußeren Kante berührt. Damit liegen die Dehnungsmeßstreifen innerhalb des Bereiches maximaler Verformung der Rippenteile 23 - 26.

209831/0636

Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Ausgestaltungen und Anwendungen, denkbar. So können Kraftmeßdosen der erfindungsgemäßen-Art auch als Aufnehmer für Flüssigkeitsdrucke verwendet werden. In diesem Fall entfällt das Anschlußstück 9, so daß der Flüssigkeitsdruck direkt von der Außenfläche des lastempfindlichen Elementes 16 oder der Platte 36 aufgenommen wird.

209831/0536

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kraftmeßdose mit kreisringförmigem lastempfindlichem Element, auf dem Meßelemente, vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen, befestigt sind und dessen Dicke vorzugsweise derart stetig vom Radius abhängt, daß das lastempfindliche Element am inneren und äußeren Kreisringrand dicker ist als zwischen den Rändern, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich für große Lasten bemessene lastempfindliche Element (16) mit Sackbohrungen (12 - 15) derart versehen ist, daß der Boden der Sackbohrungen durch dünne membranartige Materialschichten (27 - 30) gebildet wird.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (19 - 22 bzw. 38 - 45) auf den zwischen den Sackbohrungen (12 - 15) stehenbleibenden Rippen (23 - 26) befestigt sind.

3· Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrungen (12 - I5) symmetrisch angeordnet sind.

4. Kraftmeßdose zur Messung von Druckkräften nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (19 - 22) abwechselnd innerhalb und außerhalb des Kreises (31) mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes (l6) befestigt und zu einer Brücke verbunden sind.

209831 /0636

5. Kraftmeßdose zur Messung von Zug- und Druckkräften nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (38 - 45) paarweise beiderseits des Kreises (31) mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes (l6) befestigt und zu zwei Brücken verbunden sind.

6. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrungen (12 - I5) die Form von Kreisen haben, deren Mittelpunkte auf dem Kreis (3I) mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes (l6) liegen und deren Radien größer als die radiale Ausdehnung der Meßelemente (19 - 22 bzw. 38 - 45) sind. ·

7· Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lastempfindliche Element (16) anstelle der Sackbohrungen (12 - 15) mit durchgehenden Bohrungen versehen ist und die membranartigen Materialbrücken (27 - 30) von einer ringförmigen dünnen Platte (36) gebildet werden, die an dem lastempfindlichen Element (16) befestigt, vorzugsweise hartgelötet ist.

8. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrungen (12 - 15) die Form von Kreisen haben und derart angeordnet sind, daß der Kreis (31) mit der kleinsten Dicke des lastempfindlichen Elementes (26) einen solchen Radius besitzt, daß die Rippenteile (10 und 11) annähernd, die gleiche Breite erhalten.

209831/083S

Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrungen (12 - 15) die Form von Rechtecken.haben oder aus zwei oder mehreren sich überschneidenden Kreisen bestehen, deren Mittelpunkte in, bezogen auf das lastempfindliche Element (16), radialer Richtung hintereinander oder nebeneinander liegen.

209831 /0636

L e e r s e i t e