DE2827061C3 - Kraftmeßdose - Google Patents
KraftmeßdoseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose zur Erzeugung eines einer angreifenden Kraft entsprechenden elektrischen Signals mit einem plattenförmigen, im
wesentlichen rechteckigen Verformungsteil mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen, in dem eine
durchgehende, geschlossene, im wesentlichen Z-förmige
öffnung mit zwei im Abstafid zueinander angeordneten
Querbalken und einem diese verbindenden, das Verformungsteil weitgehend in zwei Hälften unterteilenden
Diagonalabschnitt ausgespart ist, und mit einem am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmesser
innerhalb des Dosengehäuses; wobei eine Verformungsteil-Hälfte
fest am Dosengehäuse angebracht ist und an der anderen Verformungsteil-Hälfte die Kraft
parallel zur Verformungsteil-Längsmittellinie angreift
Eine Kraftmeßdose dieser Art kann im wesentlichen der deutschen Offenlegungsschrift 2124 977 e..tnommen
werden. Das Verformungsteil der bekannten Meßdose weist innerhalb des Verformungsteils Zwi
schenabschnitte mit Materialschwächungen auf, an denen die Beanspruchungsmeßeinrichtungen wie Dehnungsmeßstreifen
anliegen. Ein solcher Zwischenabschnitt ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er als
Scherquerschnitt wirkt so daß seine Materialschwächung eine Membran bildet welche die Beanspruchungsmeßeinrichtung
trägt Eine solche Membran befindet sich notwendigerweise innerhalb des Umrisses des Verformungsteils, so daß bei der bekannten
Kraftmeßdose die am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmeßeinrichtungen sich notwendigerweise
innerhalb des Verformungsteil-Umrisses befinden. Die Anbringung und der Anschluß von Beanspruchungsmeßeinrichtungen,
beispielsweise von Dünnschichtwiderständen, innerhalb des Verformungsteils ist aufwendig.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, für eine Kraftmeßdose der genannten
Art eine zweckmäßigere Anordnung der Beanspruchungsmeßeinrichtungen vorzusehen und bei einfacher
Bauart und geringem Aufwand hohe Empfindlichkeit der Kraftmeßdose zu gewährleisten.
Ausgehend von der angegebenen Kraftmeßdose besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin, daß der Beanspruchungsmesser auf einem ebenen, quer zur Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufenden Abschnitt einer Stirnfläche, also nahe benachbart zu einem Z-Querbalken, angeordnet ist.
Ausgehend von der angegebenen Kraftmeßdose besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin, daß der Beanspruchungsmesser auf einem ebenen, quer zur Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufenden Abschnitt einer Stirnfläche, also nahe benachbart zu einem Z-Querbalken, angeordnet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose ergeben sich aus
den Unteransprüchen. So kann der Diagonalabschnitt der Z-förmigen öffnung im Verformungsteil eine
mittige Erweiterung aufweisen, in welche ein gegenüber dem Dosengehäusr und gegenüber dem Verformungsteil
frei beweglicher Stift hineinragt Der Stift verhindert sowohl eine Abbiegung des Verformungsteils über den genauesten Meßbereich hinaus wie eine
Beschädigung des Vefformungsteils bei der Einwirkung
so einer zu großen Kraft.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Beanspruchungsmeßeinrichtung an dem bestimmt ausgebildeten
und im Kraftmeßdosengehäuse gelagerten Verformungsteil gewährleistet, daß die einwirkenden Kräfte
einheitliche wiederholbare Biegemomente an derjenigen Fläche erzeugen, an welcher der Beanspruchungsmesser befestigt ist. ohne daß in nennenswertem
Umfang Drehmomente oder Abbiegungen außerhalb der bevorzugten Ebene bei einer Verschiebung des
Verformungsteils auftreten.
Die zu messenden Kräfte werden im Wesentlichen lediglich in solchen Ebenen übertragen, Welche parallel
zu den Hauptflächen des Verforrnungsteils verlaufen.
Die Anordnung des Beanspruchungsmessers an einer ebenen Ufnfangsfläche des Verforrnungsteils erleichtert
dessert Anbringung ganz erheblich, etwa im Falle Von aufzudampfenden Dünnschichtwiderständen.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Beanspru-
Die erfindungsgemäße Anordnung des Beanspru-
chungsmessers quer zur angreifenden Kraft an einer Stirnfläche bzw. einer Umfangsfläche des Verformungsteils, nahe benachbart zu einem Z-Querbalken ist durch
den Stand der Technik nicht nahegelegt. Füi die bekannte Kraftmeßdose ist hierzu in der genannten
Offenlegungsschrift ausgeführt, daß bei einer Anordnung der Dehnungsmeßstreifen an den Seitenflächen
des Verformungsteils mit geringen Scherbeanspruchungen und damit im Ergebnis mit einer geringeren
Empfindlichkeit zu rechnen ist. Bei einer weiteren, aus ι ο
der deutschen Auslegeschrift 12 58 141 bekannten Kraftmeßdose sind die Dehnungsmeßstreifen nicht an
einer Stirnfläche bzw. Umfangsfläche angebracht, sondern in jedem Fall auf ainer Hauptfläche des flachen,
zylindrischen Druckkörpers, der eine Z-förmige Aussparung im Sinne der Erfindung nicht aufweist.
Schließlich sind bei der aus der US-Patentschrift 39 69 935 bekannten Kraftmeßdose die Beanspruchungsmeßeinrichtungen
rund um den Abbiegungsbereich innerhalb einer Bohrung vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugmhme auf
die F i g. 1 bis 5 erläutert; es zeigt
F i g. 1 in einer Seitenansicht eine Kraftmeßdose,
F i g. 2 die Darstellung eines Schnittes längs der Linie 2-2 aus Fig. 1,
F i g. 3 die Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie 3-3 aus F i g. 2,
F i g. 4 die Darstellung eines Schnittes längs der Linie 4-4 aus F i g. 2 und jo
F i g. 5 eine weitere Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie 5-5 aus F i g. 4.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert.
Wie mit Fig. 1 dargestellt, gehört zu der Kraftmeßdose
10 ein Glied 11, mittels welchem die zu messende Kraft auf den Kraftwandler 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 Fertigungseinrichtung
zugeführt werden. Für Wandler dieser Art ist es üblich, daß der Kraftwandler 10 hermetisch verschlossen
ist und die Krafteinleitungsstelle sowie die elektrischen Anschlüsse ebenfalls selbstabdichtend sind,
um dieTeiirdes Kraftwandlers vor sihädlichen äußeren
Einwirkungen zu schützen.
Wie mit F i g. 2 und F i g. 4 dargestellt, gehört zu den wesentlichen Teilen der Kraftmeßdose ein Verformungsteil
13 mit einem Beanspruchungsmesser bzw. einer Einrichtung 14 zur Messung mechanischer
Spannungen, welche auf einer Stirnfläche des Verformungsteils 13 mit der Maßgabe angebracht ist, daß bei
einer Krafteinwirkung auf das Verformungsteil 13 in der Einrichtung 14 entsprechende Beanspruchungen wie
Spannungen oder Drehungen erzeugt werden, welche wiederum in bekannter Weise in elektrische 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 züsammengeschaltet sind,
so daß die im Verrofmungsteii 13 hervorgerufenen Beanspruchungen Ändervagen des Brückenwiderstandes
erzeugen, was wiederum eine entsprechende Änderung eines elektrischen Ausgangssignals gegenüber
einem konstanten elektrischen Eingangssignal bewirkt; hierbei können Spannung oder Stromstärke
des Eingangssignals verändert werden. Das Verformungsteil selbst muß aus einem Material bestehen, das
gute Federeigenschaften aufweist und mit dem Material des Dünnschichtwiderstandes verträglich ist; ein geeignetes
Material ist rostfreier Stahl, beispielsweise Stahl der US-Sortenbezeichnung 17-4.
Das Verformungsteil bzw. der Biegestab 13 besteht in einem Stück aus einem plattenähnlichen 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 zweizählige
Symmetrie relativ zur vertikalen Mittellinie des Körpers gewährleistet ist, wie das mit Fig.4 dargestellt ist. An
einem Ende weist das Verformungsteil eine ebene Stirnfläche auf, so daß der Beanspruchungsmesser 14
anliegen kann, wie das am besten der Fig.4 zu entnehmen ist. Quer zu den beiden vertikalen
Hauptflächen des Verformungsteils 13 ist eine durchgehende, geschlossene, im wesentlichen gewöhnlich
Z-förmige öffnung 15 ausgespart mit zwei im Aistand zueinander angeordneten Querbalken. Der Diagonalabschnitt
uer Z-förmigen öffnung unterteilt das Verformungsteil
weitgehend in zwei Hälften. Wenigstens einer der beiden Z-Querbalken ist unmittelbar benachbart zu
dem gegenüberliegenden Ende des Verformungsteils 13 angeordnet und verläuft vorzugsweise parallel zur
Stirnfläche dieses Endes; diese parallele Anordnung ist jedoch nicht zwingend. Zu der Z-förmigen öffnung
gehören auch erweiterte Aussparungen 16 an den Enden der Querbalken, um die erforderliche Biegsamkeit
und Spannungskonzuitration zu gewährleisten; weiterhin ist in der Mitte des Diagonalabschnittes der
Z-förmigen Öffnung eine mittige Erweiterung 16 ausgespart welche zur Unterbindung einer zu starken
Schwingung bzw. Auslenkung vorgesehen ist. Die an die Erweiterung 16 anschließenden Teile 17 des Diagonalabfhnittes
der Z-förmigen öffnung verlaufen eine Strecke lang in Richtung der Verformungsteil-Längsmittellinie
des Biegestabes. Diese Ausrichtung der Teile 17 gewährleistet, daß die eine Verformung!» :eil- Hälfte
sich mehr oder weniger gleichmäßig nach oben und unten verschieben kann, ohne an der anderen
Verformungsteil-Hälfte anzustoßen. Bei einer diagonalen Ausrichtung der Teile 17 würde sich der
Diagonalschnitt der Z-förmigen Öffnung bei einer Öffnung bei einer Druckbeanspruchung schneller
schließen.
Die Z-förmige Öffnung 15 und die damit i.i Verbindung stehenden Erweiterungen/Aussparungen
10 unterteilen das Verformungsteil wirksam in zwei Verformungsteil-Hälften, nämlich in einen ersten,
feststehenden, am Kraftmeßdosengehäuse fest eingespannten
Abschnitt 18, dem gegenüber ein zweiter, beweglicher Abschnitt 19 abgebogen und verschoben
werden kann. Dt Beanspruchungsmesser 14 liegt folglich an der Stirnfläche des verformbaren Abschnittes
19 an. Die unterhalb des Beanspruchungsmessers 14 gelegenen Aussparungen 16 haben solch'ä Abmessungen,
daß ein angestrebtes Ausmaß an Biegsamkeit und Spannungskonzentration für die Beanspruchungsmesser
gewährleistet ist; üblicherweise haben diese Aussparungen 16 bei alletl Ausführungsformen die
gleichen Abmessungen. Die Aussparungen 16 am gegenüberliegenden Ende des Verformungsteils 13
können unterschiedliche Abmessungen haben, um damit die Gesamtfederkraft des Verformungsteils einzustellen,
was erforderlich sein kann, um die Brauchbarkeit der Kraftmeßdose an verschiedene Kräftbereiche
anzupassen. Die zur Unterkante benachbarten Aussparungen 16 können näher an dieser Unterkante als an der
Seitenkante angeordnet sein, so daß eine deutlich sich verjüngende, einseitig eingespannte Halterung für den
beweglichen Abschnitt 19 erhalten wird, welche bei oiner Abbiegung recht einheitliche Spannungen in
Längsrichtung erzeugt. Da die beiden Abschnitte 18 und 19 jeweils einen Teil der am Verformungsteil auftretenden
Verformung aufnehmen, 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 Befestigungslöcher 20 und 21 ausgespart. Ein weiteres
Befestigungsloch 22 ist in dem beweglichen Abschnitt 19 ausgespart; die beiden Löcher 21 und 22 liegen auf der
Längsmittellinie des Verformungsteils, wie das aus Fig.4 ersichtlich ist. Das Befestigungsloch 20 ist mit
einem Innengewinde versehen und kann, ohne zwingend festgelegt zu sein, an einer geeigneten Stelle im
feststehenden Abschnitt 18 ausgespart sein. Zur Befestigung des beweglichen Abschnittes 18 am
Meßdosengehäuse 23 greift in das Befestigungsloch 21 der Glattstift 43 ein und in das Befestigungsloch 20 die
Maschinenschraube 17 ein (die letztere ist in Fig.2 nicht dargestellt, da sie nicht vom Schnitt längs der Linie
2-2 von Fig. 1 erfaßt ist). Zur Verbindung des beweglichen Abschnittes 19 mit dem Kraftübertragungsglied
31 greift der Stift 39 in das Befestigungsloch
22 ein.
Wie insbesondere aus F i g. 2 ersichtlich, besteht das Gehäuse 23 der Kraftmeßdose hauptsächlich aus einem
Hohlzylinder mit einer durchgehenden zylindrischen Bohrung 24. Das untere Ende ist mittels einer
Abdeckplatte 25 verschlossen, die mittels Schrauben 26 am Gehäuse 23 befestigt ist Zwischen der Abdeckplatte
23 uiiu uciii Gcltäusc 23 ibt der AuGciitanü cmci
kreisförmigen Blattfeder 27 der mit F i g. 3 dargestellten Art eingespannt, so daß das Federzentrum Schwingbewegungen
durchführen kann. Im Federzentrum ist eine öffnung 28 ausgespart, durch welche ein Einsatz 30 und
innerhalb dieses Einsatzes eine Zylinderschraube 29 hindurchragen. Der Einsatz 30 liegt am Fußende eines
Kraftübertragungsgliedes 31 an und ist über die Zylinderschraube 29 mit diesem verbunden. Das
Kraftübertragungsgfied 31 erstreckt sich in vertikaler Richtung über die volle Länge der Bohrung 24 und ist
somit von der Feder 27 flexibel gehalten, so daß bei einer Längsverschiebung des Kraftübertragungsgliedes
31 die Federkraft der Feder 27 überwunden werden muß, während seitliche Verschiebungen des Kraftübertragungsgliedes
31 weitgehend unterbunden sind.
Das obere Ende des Kraftübertragungsgliedes 31 ist als Gewindering 32 ausgebildet Eine kreisförmige
Blattfeder 33 ruht auf der Oberseite des Gewinderinges
32 und liegt mit ihrem Außenrand an der Oberseite des zylindrischen Gehäuses 23 an. Auf der Feder 33 liegt
eine ringförmige Beilagscheibe 34 auf, die ihrerseits von einer ringförmigen Kappe 33 abgedeckt ist Ein mit
Gewinde versehenes Verbindungsstück 36 ist in den Gewindering 32 des Kraftübertragungsgliedes 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 Abstandhalter 37 und der Gehäusewand. An dem Kraftübertragungsglied 31 ist
ein Stift 39 in solcher Lage befestigt, daß der Stift 39 in das Befestigungsloch 22 in dem beweglichen Abschnitt
19 hineinragt.
Die Längsachsen der Zylinderschraube 29 und des Gewinderinges 32 sind übereinstimmend mit der
Längsmittellinie des Verformungsteils ausgerichtet Da diese Längsmittellinien fluchten, verlaufen die über das
Verbindungsstück 36 übertragenen Kräfte lediglich in Längsrichtung, ohne daß es zu einer nennenswerten
Verdrehung oder Pendelbewegung des Kraftübertragungsgliedes 31 kommt. Die Blattfedern 27 und 33
lassen in beide Richtungen der Längsmittellinie eine Verschiebung des Kraftübertragungsgliedes 31 zu, so
daß entweder nach unten oder nach oben gerichtete Kräfte gemessen werden können.
Innerhalb der Bohrung 24 ist eine zumeist halbzylindrische
Befestigungsplatte 40 angebracht Der feststehende Abschnitt 19 des Verformungsteils 13 ist an der
flachen Seite der Platte 40 mittels einer Maschinenschraube 41 befestigt, welche in das mit Gewinde
versehene Befestigungsloch 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 des
Befestigungsloches 21 in dem feststehenden Abschnitt 19 wie in der passenden Bohrung 44 in der Halteplatte
40, um das Verformungsteil 13 an der Platte 40 zu halten und eine Verformungsteildrehung um die Schraube 41
herum zu verhindern. Weiterhin befindet sich frei beweglich der zylindrische Stift 47 innerhalb der
mittigen Erweiterung 16 zwischen den Teilen des Diagonalabschnittes der Z-förmigen Öffnung 15; hierbei
ist der Durchmesser des Stiftes 47 kleiner als der Durchmesser der Erweiterung 16. Benachbart zur einen
Stirnfläche des Stiftes 47 befindet sich das Kraftübertragungsglied 31 und benachbart zur anderen Stirnfläche
das Ende der in die Halteplatte 40 eingeschraubten
... te c.„;
bewegliche Stift 47 wirksam vor einem Herausrutschen aus dieser Erweiterung 16 geschützt ist Um zu
gewährleisten, daß auf den Stift 47 hauptsächlich Axialkräfte einwirken, sollen die Teile 17 so eng sein wie
das die Praxis zuläßt
Die Halteplatte 40 mit dem vorher daran befestigten Verformungsteil 13 wird mittels der Schraube 45 am
so Gehäuse 23 befestigt; zusätzlich ist zur Abdichtung die
Beilagscheibe 46 vorgesehen. In üblicher Weise erfolgen die elektrischen Verbindungen von den Widerstandsschichten
des Beanspruchungsmessers 14 zu dem Anschluß 12 über die Leitungen 48 (vgL F i g. 5).
Wie aus der gemeinsamen Betrachtung der Fig.2
und 4 ersichtlich ist, bewirkt die Einwirkung einer nach unten gerichteten Kraft auf das Verbindungsstück 36
eine Verschiebung des Kraftübertragungsgliedes 31 nach unten; weiterhin wird durch die mechanische
Verbindung über den Stift 39 der bewegliche Abschnitt 19 des Verformungsteils 13 nach unten abgebogen. Da
der feststehende Abschnitt 18 über die Maschinenschraube 41 und den Glattstift 43 an der Halteplatte 40
und damit am Meßdosengehäuse festgelegt und damit gegen eine Verschiebung in dieser Richtung gesichert
ist, tritt in dem Verformungstefl 13 eine Verformung auf.
Diese Verformung verursacht eine entsprechende Beanspruchung in dem Bear.spruchungsmesser 14, was
zu einem Ausgahgssignal am Anschluß 12 führt, das
wiederum ein 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 Verformungsteils
13.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- Patentansprüche:!.Kraftmeßdosezur Erzeugung eines einer angreifenden Kraft entsprechenden elektrischen Signals,
mit einem plattenförmigen, im wesentlichen rechtekkigen Verformungsteil mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen, in dem eine durchgehende, geschlossene, im wesentlichen Z-förmige öffnung mit zwei im Abstand zueinander angeordneten Querbalken und einem diese verbindenden, das Verformungsteil weitgehend in zwei Hälften unterteilenden Diagonalabschnitt ausgespart ist, und
mit einem am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmesser innerhalb des Dosengehäuses,
wobei eine Verformungsteil-Hälfte fest am Dosengehäuse angebracht ist undan der anderen Verformungsteil-Hälfte die Kraft parallel zur Verformungsteil-Längsmittellinie angreift,dadurch gekennzeichnet, daß der Beanspruchungsmesser (14) auf einem ebenen, quer zur Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufenden Abschnitt einer Stirnfläche, also nahe benachbart zu einem Z-Querbalken angeordnet ist - 2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diagonalabschnitt eine mittige Erweiterung (16) aufweist, in weiche ein gegenüber dem Dosengehäuse (23) und gegenüber dem Verformungsteil (13) frei beweglicher Stift (47) hineinragt.
- 3. Kraftmeßdose n&jh An pruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Erweiterung (16) anschließenden Teile (17) des Z-D igonalabschnittes eine Strecke lang in Richtung der Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufen.
- 4. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verformungsteil-Hälfte (18, 19) senkrecht zur Hauptfläche durchgehende Löcher (20, 21,22) ausgespart sind, in welche die Mittel zur Befestigung bzw. Kraftübertragung eingreifen.
- 5. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 2 bis4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (39) zur Kraftübertragung an der Verformungsteil-Hälfte (19) an einem Punkt auf der Verformungsteil-Längsmittellinie unterhalb der Erweiterung (16) angreift.
- 6. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (31, 39) zur Kraftübertragung innerhalb des Dosengehäuses (23) federnd gelagei t ist.
- 7. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beanspruchungsmesser (14) aus einer Anzahl Dünnschichtwirlerstände besteht.
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