DE2827061A1

DE2827061A1 - Biegestab und diesen enthaltende kraftmessdose

Info

Publication number: DE2827061A1
Application number: DE19782827061
Authority: DE
Inventors: Walter H Eisele
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB2000304B; CA1110872A; FR2395497A1; NL7806770A; JPS549979A; DE2827061C3; GB2000304A; FR2395497B1; DE2827061B2; US4166998A

Description

BLUMBACl: - WEGER · EERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

GOUID INC.,

Gould Center,

Rolling Meadows, Illinois 60008,

ü. S. A.

Biegestab und diesen enthaltende Kraftmeßdose

Be s chreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftwandler; insbesondere betrifft die Erfindung einen Biegestab, an dem ein Beanspruchungsmesser befestigt ist, welcher das aktive, wahrnehmende Element des Kraftwandlers darstellt.

Zu einem in weitem Umfang eingesetztem Kraftwandler gehört ein Beanspruchungsmesser, bzw. ein Meßgerät für mechanische Spannungen, das auf die Einwirkung einer deformierenden Kraft oder einer

München: R. Kramer Dipl.-lng. ■ W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-lng. ■ P. Bergen Dipl.-lng. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-ing.

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Dehnung mit einer Veränderung seines elektrischen Widerstandes reagiert, wobei das Ausmaß der Widerstandsänderung ein direktes Maß für die einwirkende Kraft ist. Bei einem sehr guten Kraftwandler dieser Art ist auf einer Fläche eines Stabes oder Biegestabes, welche direkt mit der zu messenden Kraft in Verbindung kommt, eine Dünnschichtwiderstandsbrücke aufgebracht. Beim Gebrauch verursacht die zu messende Kraft eine Abbiegung des Biegestabes, welche wiederum die Widerstandsbrücke beeinflußt, so daß bei entsprechendem elektrischem Anschluß an ein geeignetes Meßgerät die Widerstandsbrücke eine direkte elektrische Anzeige des Betrages der zu messenden Kraft liefert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für einen Kraftwandler dieser Art einen Biegestab bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Kraftmeßdose mit diesem Biegestab bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Lösung jener Aufgaben ist ein Biegestab mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, bzw. eine Kraftmeßdose mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen.Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein Biegestab bereitgestellt, auf dem ein Beanspruchungsmesser angeordnet worden ist; die Ausbildung des Biegestabes gewährleistet, daß die einwirkenden Kräfte einheitliche väederholbare Biegemomente an derjenigen

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Fläche zeugen, an welcher der Beanspruchungsmesser "befestigt ist, ohne daß in nennenswertem Umfang Drehmomente oder Abbiegungen außerhalb der bevorzugten Ebene bei einer Verschiebung des Biegestabes auftreten. Der Biegestab ist gewöhnlich von rechteckiger, plattenförmiger Gestalt, wobei an einer der Stirnflächen das Brückenmuster des Beanspruchungsmessers aufgebracht ist. Zwischen den Hauptflächen ist durch den Körper des Biegestabes hindurch ein fortlaufender, Z-förmiger, schlitzförmiger Durchlaß ausgespart, wobei einer der Querbalken des "Z" vorzugsweise parallel zu derjenigen Stirnfläche verläuft, welche den Beanspruchungsmesser trägt. Mittels zwei Stiften, die durch entsprechende, auf einer Seite des diagonal verlaufenden Abschnittes des ¹¹Z" angeordnete Öffnungen hindurchragen, wird der Biegestab an einem diesen umfassenden Gehäuse gehalten. Die von außen einwirkenden Kräfte werden auf den Biegestab von einem weiteren Stift übertragen, der durch eine Öffnung auf der anderen Seite des diagonal verlaufenden Abschnittes des "Z" hindurchragt. Die zu messenden Kräfte werden im wesentlichen lediglich in solchen Ebenen übertragen, welche parallel zu den Hauptflächen des Biegestabes verlaufen.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung befindet sich innerhalb einer erweiterten Bohrung in der Mitte des diagonal verlaufenden Abschnittes des "Z" ein frei beweglicher Stift, welcher geringere Abmessungen als diese Bohrung aufweist. Der Stift verhindert sowohl eine Abbiegung des Biegestabes über den genauesten

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Meßbereich hinaus, wie eine Beschädigung des Biegestabes bei der Einwirkung einer zu großen Kraft.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen auch 2 Blatt Abbildungen mit den Pig. 1 bis 5;im einzelnen zeigt:

Fig. 1 in einer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Kraftwandler;

Fig. 2 die Darstellung eines Schnittes längs der . linie 2-2 aus Fig. 1;

Fig. 5 die Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie 3-5 aus Fig. 2;

Fig. 4 die Darstellung eines Schnittes längs der Linie 4-4 aus Fig. 2; und

Fig. 5 eine weitere Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie 5-5 aus Fig. 4.

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Fig. eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Wie mit Fig. 1 dargestellt, gehört zu dem erfindungsgemäßen Kraftwandler bzw. zu der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose 10 ein Glied 11, mittels welchem die zu messende Kraft auf den Kraft-

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wandler übertragen wird; weiterhin gehört dazu ein elektrischer Anschluß 12, der lösbar mit dem Kraftwandler verbunden ist, mittels dem die vom Kraftwandler erzeugten elektrischen Signale einer entfernt angeordneten elektrischen Pertigungseinrichtung zugeführt werden. Für Wandler dieser Art ist es üblich, daß der Kraftwandler 10 hermetisch verschlossen ist, und die Verbindungsmittel zur Zuführung der Kraft und zur Gewährleistung des elektrischen Anschlusses ebenfalls selbstabdichtend sind, um die Teile des Kraftwandlers vor schädlichen äußeren Einwirkungen zu schützen.

Wie mit den Pig. 2 und 4 dargestellt, gehört zu den wesentlichen Teilen des Kraftwandlers ein Biegestab 13 mit einem Beanspruchungsmesser bzw. mit einer Einrichtung 14 zur Messung mechanischer Spannungen, welche an einer Stirnseite des Biegestabes 15 mit der Maßgabe angebracht ist, daß bei der Einwirkung einer Kraft auf den Biegestab 13 in der Einrichtung 14 entsprechende Beanspruchungen wie Spannungen oder Dehnungen erzeugt werden, welche wiederum in bekannter Weise in elektrieche Signale umgewandelt werden, welche das Ausmaß der Beanspruchung anzeigen. und damit auch den Betrag der Kraft, welche die Beanspruchungen hervorgerufen haben. Obwohl für die Einrichtung 14 verschiedene Beanspruchungsmesser verwendet werden können, besteht die bevorzugte Einrichtung aus einer Anzahl von aufgebrachten Dünnschichtwiderständen, die elektrisch in Form einer Brücke zusammengeschaltet sind, so daß die im Biegestab 13 induzierten Beanspruchungen Änderungen des Brückenwiderstandes hervorrufen, was wiederum eine entsprechende Änderung eines elektrischen Ausgangssignals gegenüber einem konstanten elektri-

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sehen. Eingangssignal hervorruft; hierbei können die Spannung oder die Stromstärke des Eingangssignals verändert werden. Der Biegestab selbst muß aus einem Material bestehen, das gute Pedereigenschaften aufweist und mit der Dünnschichtabscheidung des Beanspruchungsmessers verträglich ist; ein geeignetes Material Ist beispielsweise rostfreier Stahl 17-4.

Der Biegestab 13 besteht in einem Stück aus einem plattenähnllchett Körper mit vorzugsweise einheitlicher Dicke d und rechteckiger· Gestalt. Andererseits kann auch eine Platte verwendet werden, deren Dicke und Breite sich von einem Ende zum anderen Ende verjüngt, solange eine zweiachsige Symmetrie relativ zur vertikalen Kittellinie des Körpers gewährleistet ist, wie das mit ELg. 4 dargestellt ist. An einem Ende Ist die Stirnfläche einge-ebnet, so daß der Beanspruchungsmesser 14 anliegen kann, wie das am besten der Fig. 4 zu entnehmen ist. Durch die beiden vertikalen Hauptflächen des Biegestabes 13 hindurch ist ein fortlaufender, gewöhnlich Z-förmiger, schlitzförmiger Durchlaß 15 ausgebildet, und verläuft vollständig durch den Körper des Biegestabes hindurch. Die beiden Querbalken des "Z" sind unmittelbar benachbart zu den gegenüberliegenden Enden des Biegestabes angeordnet und verlaufen vorzugsweise parallel zu den Stirnflächen dieser Enden; diese parallele Anordnung ist jedoch nicht von besonderer Bedeutung. Zu dem Z-förmigen Durchlaß gehören auch erweiterte Aussparungen an den Enden der Querbalken, um die erforderliche Biegsamkeit und Spannungskonzentration zu gewährleisten; weiterhin ist in der Mitte des diagonal verlaufen-

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den Abschnittes des Durchlasses eine weitere Aussparung ausgebildet, welche zur Unterbindung einer zu starken Schwingung bzw. Auslenkung vorgesehen ist; beide Sorten Aussparungen sind mit 16 bezeichnet. Zwei Iste 17 des Z-förmigen Durchlasses öffnen sich zu der mittigen Öffnung 16 und verlaufen in Längsrichtung im wesentlichen in einer Ausrichtung mit der Längsachse des Biegestabes. Die Längsausrichtung der Äste 17 gewährleistet, daß die auf einer Seite des Biegestabes gelegenen Bereiche sich mehr oder weniger gleichmäßig nach oben und unten bewegen können. Bei einer Ausrichtung der Äste 17 in diagonaler Richtung, würde der Biegestab im wesentlichen einseitig gerichtet sein, da sich der schlitzähnliche Durchlaß bei einer Druckbeanspruchung schneller schließen würde. Der schlitzförmige Durchlaß und die damit in Verbindung stehenden erweiterten Öffnungen unterteilen den Biegestab wirksam in einen ersten, feststehenden Abschnitt 18, der abgebogen werden kann, um diesen Abschnitt in einseitig- eingespannter Weise gegenüber einem zweiten, beweglichen Abschnitt 19 zu verschieben; die beiden Abschnitte 18 und 19 des Biegestabes liegen hauptsächlich auf den gegenüberliegenden Seiten des diagonal verlaufenden Schlitzes. Die unterhalb des Beanspruchungsmessers 14 gelegenen Öffnungen 16 haben solche Abmessungen, daß ein angestrebtes Ausmaß an Biegsamkeit und Spannungskonzentration für. den Beanspruchungsmesser gewährleistet ist; üblicherweise haben diese Öffnungen bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftwandlers die gleichen Abmessungen. Die Öffnungen 16 am gegenüberliegenden Ende des Biegestabes können unterschiedliche Abmessungen haben, um damit die

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Gesamtfederkraft der Einrichtung zu regeln, was erforderlich sein kann, um die Brauchbarkeit der Torrichtung an verschiedene Kraftbereiche anzupassen. Wie das mit Pig. 4 dargestellt ist, sind die Öffnungen 16 am gegenüberliegenden Ende des Biegestabes näher an der Unterkante als an der Seitenkante angeordnet, so daß im wesentlichen eine verjüngte, einseitig eingespannte Halterung für den beweglichen Abschnitt 19 erhalten wird, welche bei einer Abbiegung einheitlichere Spannungen in Längsrichtung gewährleistet. Da die beiden Abschnitte 18 und 19 jeweils einen Teil der auf den Kraftwandler einwirkenden Abbiegung absorbieren, können größere Beanspruchungen gemessen werden, als dies mit bekannten Kraftwandlern möglich ist, ohne daß die Beanspruchungsgrenzen der Meßeinrichtung 14- überschritten werden.

In dem feststehenden Abschnitt 18 sind zwei der Befestigung dienende Öffnungen 20 und 21 ausgespart. Eine weitere Öffnung 22 ist in dem beweglichen Abschnitt 19 ausgespart; die beiden Öffnungen 21 und 22 liegen auf der Längsachse des Biegestabes, wie das aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Öffnung 20 ist mit einem Innengewinde versehen und kann nach Belieben im feststehenden Abschnitt 18 angeordnet sein.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, besteht das Gehäuse 23 für den Kraftwandler hauptsächlich aus einem Hohlzylinder mit einer durchgehenden zylindrischen Bohrung 24. Wie dargestellt, ist das untere Ende des Kraftwandlers mittels einer Abdeckplatte 25 verschlossen, die mittels Schrauben 26 am Gehäuse 23 befestigt ist. Zwischen der Abdeckplatte 25 und dem Gehäuse 23 ist der äus-

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sere umlaufende Rand einer kreisförmigen Blattfeder 27 (von der mit Pig. 3 dargestellten Art) eingespannt, so daß eine geeignete Anordnung und Befestigung der Feder 27 gewährleistet ist. Im Mittelabschnitt der Feder 27 ist eine Öffnung 28 ausgespart, durch welche ein Gewindestück 29 und ein Einsatz 30 hindurchragen, welche an einem geführten Glied 31 anliegen, das seinerseits in vertikaler Richtung die volle Länge der zylindrischen Bohrung 24 einnimmt. Das geführte Glied 31 ist somit von der Feder 27 flexibel gehalten, so daß bei einer Längsverschiebung des geführten Gliedes 31 die Federkraft der Feder 27 überwunden werden muß,- während seitliche Verschiebungen des geführten Gliedes 31 weitgehend unterbunden sind.

Das obere Ende des geführten Gliedes 31 ist als Gewindering 32 ausgebildet. Eine kreisförmige Blattfeder 33 ruht auf der Oberseite des Gewinderinges 32 und liegt mit ihrem äußeren umlaufenden Rand an der Oberkante des zylindrischen Gehäuses 23 an. Auf der Feder 33 liegt eine ringförmige Beilagscheibe 34 auf, die ihrerseits von einer ringförmigen Kappe 35 abgedeckt ist. Ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 36 ist in den Gewindering 32 des geführten Gliedes 31 eingeschraubt, wobei um den Schaft des Verbindungsstückes 36 herum eine Buchse oder ein Abstandhalter 37 angeordnet ist. Eine"Ringdichtung 38 aus Gummi oder Kunststoff verhindert das Eindringen von Verunreinigungen zwischen dem Abstandshalter und der Gehäusewand. An dem Glied 31 ist ein Stift 39 in solcher Stellung befestigt, daß der Stift 39 in. die Öffnung 22 in dem beweglichen Abschnitt 19

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des Biegestabes 13 hineinragt.

Die Längsachsen der Schraube 29 und des Gewinderinges 32 sind kolinear miteinander und mit der Längsachse des Biegestabes ausgerichtet. Da. diese Längsachsen fluchten, verlaufen die über das Verbindungsstück 36 übertragenen Kräfte lediglich in Längsrichtung, ohne daß es zu einer nennenswerten Verdrehung oder Pendelbewegung des geführten Gliedes 31 kommt. Die Blattfedern 27 und 33 gewährleisten eine zweiseitige Federung des geführten Gliedes 31 in Längsrichtung, so daß entweder nach unten oder nach oben gerichtete Kräfte gemessen werden können,wie das aus Fig. 2 ersichtlich ist.

In der Bohrung 24 ist eine gewöhnlich halbsylindrische Befestigungsplatte 40 angebracht. Der Biegestab 13 ist an der flachen Seite der Platte 40 mittels einer Maschinenschraube 41 befestigt, welche in die mit Gewinde versehene Öffnung 20 hineinragt; eine Beilagscheibe 42 gewährleistet einen geringen Abstand zwischen diesen Teilen (vgl. Fig. 5). Ein Glattstift 43 (vgl. Fig. 2) befindet sich sowohl innerhalb der Öffnung 21 wie in der passenden Öffnung 44 in der Halteplatte 4O₇Um den Biegestab 13 an der Platte 40 zu halten und dessen Drehung um die Schraube 41 zu verhindern. Weiterhin befindet sich frei beweglich der zylindrische Stift 47 innerhalb der mittigen Öffnung 16 zwischen den Ästen 17 des Durchlasses; hierbei sind die Abmessungen des Stiftes 47 kleiner als der Umfang der Öffnung 16. TJm zu gewährleisten, daß auf den Stift 47 hauptsächlich Axialkräfte einwirken, sollen die

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Äste 17 so eng sein wie das die Praxis zuläßt.

Die Halteplatte 40 mit dem vorher daran "befestigten Biegestab 13 wird mittels der Schraube 45 am Gehäuse 23 befestigt; zusätzlich ist zur Abdichtung die Beilagscheibe 46 vorgesehen. In üblicher Weise erfolgen die elektrischen Verbindungen von den Widerstandsschichtendes Beanspruchungsmessers 14 zu dem Anschluß 12 über die Leitungen 48 (vgl. Pig. 5).

Wie aus der gemeinsamen Betrachtung der Pig. 2 und 4 ersichtlich ist, bewirkt die Einwirkung einer nach unten gerichteten Kraft auf das Verbindungsstück 36 eine Verschiebung des geführten Gliedes 31 nach unten; weiterhin wird durch die mechanische Verbindung über den Stift 39 der bewegliche Abschnitt 19 nach unten abgebogen. I)a der feststehende Abschnitt 18 gegen eine Verschiebung in dieser Richtung gesichert ist, wird in dem Biegestab 13 eine Abbiegung oder eine Verbiegung erzeugt. Die Abbiegung des Biegestabes '13 verursacht eine entsprechende Beanspruchung in dem Beanspruchungsmesser 14, was zu einem Ausgangssignal am Anschluß 12 führt, das ein fraktionelles Äquivalent zu der gemessenen Kraft darstellt. Sofern auf den Kraftwandler eine zu große Belastung einwirkt, verhindert der Stift 47 eine übermäßige Abbiegung oder Verbiegung des Biegestabes 13.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patenlconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/8836 04 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsuit Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult GOULD INC., 13. Juni 1978 Gould Center, GD-01 Rolling Meadows, Illinois 60008, U. S. A. Biegestab und diesen enthaltende Kraftmeßdose Patentansprüche:

1. Biegestab,
gekennzeichnet durch

einen elastischen Körper mit zwei Hauptflächen und einer relativ schmalen Kante zwischen diesen Hauptflächen; mit zwei länglichen schlitzähnlichen Öffnungen innerhalb dieser Hauptflächen, von denen wenigstens eine schlitzähnliche Öffnung nahe benachbart zu der schmalen Kante angeordnet ist, so daß sich ein länglicher Metallstab zwischen dieser einen schlitzähnlichen

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipi.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-lng. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: Ρ.Θ. Blumbach Dipl.-lng. · P. Bergen Dipl.-lng. Dr. jur.. G. Zwirner Dipl.-lng. Dipl.-W.-Ing.

l.-lng. · P. Bergen Dipl.-lng. Dr. jur.. e

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ORIGINAL INSPECTED

öffnung und dieser Kante befindet; und mit einer diagonal verlaufenden schlitzähnlichen Öffnung, welche die gegenüberliegenden Enden der beiden schlitzähnlichen Öffnungen verbindet, so daß insgesamt eine durchgehende, Z-förmige Öffnung gebildet ist; wobei

eine relative Verschiebung der, an jeder Seite der diagonal verlaufenden Öffnung angeordneten Teile dieses Körpers eine Abbiegung dieses Stabes hervorruft.

2. Biegestab nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

innerhalb der diagonal verlaufenden Öffnung ein erweiterter Abschnitt ausgespart ist, in dem sich ein geringere Abmessungen aufweisender Stift frei beweglich befindet.

3. Biegestab nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

zu der diagonal verlaufenden Öffnung ein Abschnitt gehört, der im wesentlichen unter einem Winkel von 90° zu den beiden schlitzähnlichen Öffnungen verläuft; und

in diesem Abschnitt eine Aussparung ausgebildet ist, innerhalb der sich ein geringere Abmessungen aufweisender Stift frei beweglich befindet.

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4. Kraftmeßdose mit einem Biegestab nach den Ansprüchen 1 bis 3 sowie mit einem Beanspruchungsmesser als Kraftwandler, gekennzeichnet durch

einen plattenähnlichen Körper mit zwei Hauptflächen und einer umlaufenden Stirnfläche, welche einen ebenen Bereich aufweist, an dem sich der Beanspruchungsmesser befindet; mit einer ersten, länglichen,schlitzförmigen, durch beide Hauptflächen hindurchführenden Öffnung, die nahe benachbart zum ebenen Bereich der Stirnfläche angeordnet ist, so daß zwischen dieser Öffnung und der Stirnfläche ein Stab gebildet ist; einer zweiten länglichen Öffnung im Abstand zu jener ersten länglichen Öffnung;

einer diagonal verlaufenden Öffnung, welche die gegenüberliegenden Enden der ersten und zweiten Öffnungen miteinander verbindet; einer Halterung für diesen Körper, die am Körper lediglich auf einer Seite der diagonalen Öffnung angreift; und mit einem Mittel zur Übertragung der zu messenden Kraft auf den Körper, welches am Körper auf der anderen Seite der diagonalen Öffnung angreift und die Kraft in einer Richtung quer zur Ausrichtung des ebenen Bereiches und des Beanspruchungsmessers überträgt.

5» Kraftmeßdose nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

innerhalb der diagonal verlaufenden schlitzähnlichen Öffnung ein zentral angeordneter, erweiterter Bereich ausgespart ist; und das Mittel zur Kraftübertragung am Körper an einem Punkt angreift,

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der auf einer Linie liegt, welche durch den erweiterten, zentral angeordneten Bereich geht und den ebenen Bereich unter einem Winkel von angenähert 90° schneidet.

6. Kraftmeßdose nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Mittel zur Kraftübertragung ein im Abstand zu einer Hauptfläche des biegsamen Körpers verlaufendes Glied und ein Stift gehören, der an diesem Glied befestigt ist und in eine angepaßte Öffnung des biegsamen Körpers hineinreicht.

7. Kraftmeßdose nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied elastisch gehalten ist, so daß das Glied in eine neutrale Stellung zurückkehrt, nachdem die Einwirkung der zu messenden Kraft beendet ist.

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