Kraftmessdose mit flachem, elastischem Messglied
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose mit flachem, elastischem Messglied.
Man hat bereits flache Kraftmessdosen mit trichterförmigem Lastmess glied und darauf angebrachten Dehnungsmessstreifen vorgeschlagen. Bei diesen Messdosen wird die Last auf das Messglied von oben her mittels Kugeln eingeleitet. Die Erfindung betrachtet dies als einen Nachteil. Sie löst die Aufgabe, die Kraft nur von unten über hierzu ausgebildete Glieder einzuführen, die gleichzeitig dem Überlastungs- schutz dienen. Kraftmessdosen mit einem Überla- stungsschutz auszurüsten, ist vielfach bekannt. Jedoch geht die Erfindung den neuen Weg, eine flache Kraftmessdose mit flächenhaftem Messglied mechanisch gegen Überlastung sowie gegen Zurückprallen bei Stossbelastung zu sichern.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Kraftmessdose erfindungsgemäss aus einem flachen, elastischen Messglied und darauf angebrachten Dehnungsstreifen, wobei das Messglied in Umfangsrichtung abwechselnd auf der Unterlage abgestützt ist und von der zu messenden Kraft beaufschlagt wird. Die Erfindung besteht darin, dass das Messglied mehrere nur nach einer Seite weisende und mit ihm ein Stück bildende Füsse aufweist.
Bevorzugt ist das Messglied der Kraftmessdose in aus anderem Zusammenhang bekanntgewordener Ausbildung ringförmig. Es sind dann vorzugsweise die Füsse radial mit dem zentrisch angebrachten Lasttragglied durch eine Spinne verbunden. Diese Hauptfüsse stützen sich vorteilhaft dauernd auf der Unterlage ab. Es ist ausserdem zweckmässig, Nebenfüsse anzuordnen, welche kürzer ausgebildet sind als die Hauptfüsse, derart, dass sich die Nebenfüsse erst bei einer bestimmten Uberlast auf die Unterlage abstützen.
Diese Kraftmessdose kann modellähnlich in vielen Grössen hergestellt werden. Sie lässt sich billig bauen, widersteht unerwünschten Drehmomenten und gleicht exzentrische Lastwirkungen aus.
Die erfindungsgemässe Kraftmessdose lässt sich aus einem einzigen Metallstück herstellen. Sie besitzt daher eine geringe mechanische Hysterese.
Die Kraftmessdose ist vorteilhaft so ausgebaut, dass sie formschlüssig den Messweg des Lastmessgliedes und des Lasttragegliedes begrenzt. Sie enthält zweckmässig grosse glatte Flächen zur Anbringung der Messstreifen für sowohl Zug- als auch Druckkräfte.
Alle diese Messstreifen können auf einer einzigen Oberfläche angebracht werden. Wenn dieses geschieht, so erlaubt die Raumerfüllung der neuen Kraftmessdose, alle Messstreifen leicht gemeinsam anzubringen und zu schalten.
Ausserdem kann bei der Kraftmessdose eine positive Überlastungssicherung und eine Sicherung gegen Rückprall bei Stossbelastung erreicht werden.
Das ganze Messglied kann aus einem einzigen Metallstück herausgearbeitet werden, wodurch die unerwünschten Hysteresenbeiwerte der Kraftmessdose vermindert werden.
Umgekehrt kann die Verformbarkeit des Lastmessgliedes dadurch auf einen Höchstwert gebracht werden, dass die Ansetzstellen der Füsse mit Vertiefungen versehen werden, so dass das Glied sich stärker und gleichmässiger verformen kann.
Zweckmässig gleicht eine Abrundung des Scheitels des Lastaufnahmegliedes die exzentrische Lastauf nahme auls. Wird das elastische Lastmessglied bis an die Grenze seiner elastischen Verformung verbogen, so setzen sich die Füsse auf den Boden der Dose auf und verhindern eine weitere Verformung des Gliedes.
Die Messstreifen oder andere Lastmessglieder werden bevorzugt auf der oberen Oberfläche des flachen, elastischen Ringes angebracht. Jedoch ist es auch möglich, sie auf den oberen und/oder unteren Oberflächen der radialen Füsse anschliessend an die Spinne anzubringen.
Die Messstreifen sind auf dem Oberring am zweckmässigsten unmittelbar oberhalb jedes der abwärts und der radial gerichteten Füsse angebracht und ebenso auf der Unterseite. Auf diese Weise werden Druck- und Zugkräfte in benachbartem Abstand der Ringoberfläche gemessen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden folgend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaubild eines ersten Ausführungsbeispieles der Messdose nach der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Messdose nach Fig. 1.
Fig. 3 ist im linken Teil eine Seitenansicht nach Fig. 2 und im rechten Teil ein Schnitt, entsprechend dem Pfeil 3 rechts in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Vorderansicht nach Fig. 2, entsprechend dem Pfeil 4 links in Fig. 2; der rechte Teil von Fig. 4 ist ein Schnitt nach dem Pfeil 4 rechts in Fig. 2.
Fig. 5 ist die Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung teilweise im Mittenschnitt.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine in ein Gehäuse eingebaute Messdose.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, eines dritten Ausführungsbeispieles einer Messdose nach der Erfindung für den Sonderfall der Spannungsbeanspruchung durch die Last.
Im allgemeinen ist aus den Fig. 1 bis 4 eine Messdose zu erkennen, deren ringförmiges Lastmessglied 20 eine Anzahl Füsse 21 hat, die, abwärts gerichtet, den Ring 20 abstützen. Die Füsse 21 sind an einem zweiten Ring 22 befestigt, der als Grundplatte der Messdose dient. Ein Zylinder 30 wird als Lasttrageglied verwendet. Das Oberende 31 des Zylinders 30 ist abgerundet, um Lasten auszugleichen, die aussermittig auf das Lasttrageglied 30 aufgesetzt werden. Wie am besten aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist das Unterende des Lasttragegliedes 30 bei 32 konisch verjüngt, um zu verhindern, dass es an einen Teil der Grundplatte anstösst, wenn grosse Seitenlasten auf das Glied 30 aufgesetzt werden, ehe die Messdose voll ausgelastet ist. Das Lasttrageglied 30 ist am Ring 20 befestigt oder an ihn angekuppelt mittels einer Anzahl Radialfüssen 41.
Diese Verbindungen verlaufen unterhalb des Ringes 20 im Abstand zwischen den abwärts gerichteten Füssen 21.
Diese Füsse 21 und die Radialfüsse 41 haben Rillen oder sonstige Ausnehmungen 50 von kleinem Halbmesser dort, wo sie unterhalb des Ringes 20 an diesen anschliessen. Der Ring 20 hat glatte Oberflächenkeile 60 zur Anbringung von Zugmessstreifen oberhalb der Anschlussstellen der Füsse 21 und 41.
Wie man am besten in den Fig. 3 und 4 erkennt, ist ein kleiner Zwischenraum 42 zwischen den Radialfüssen 41 und dem Grundlrinfg 22 vorgesehen. Ebenso ist ein kleiner Spalt 33 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes 30 und einer Bodenplatte vorgesehen, welche unterhalb des Grundringes 22 angeordnet ist. Diese Spalten sind vorgesehen, um eine senkrechte Bewegung des Gliedes 30 möglich zu machen, wenn auf den Kopf 31 ein Druck ausgeübt wird. Es kann wünschenswert sein, den Spalt 33 zwischen Lasttrageglied 30 und der Grundplatte unter dem Grundring 22 kleiner zu machen, als den Spalt 42 zwischen den Radialfüssen 41 und dem Grundring 22.
Der Vorteil dieser Massnahme wäre, dass das Lasttrageglied 30 sich etwas früher abstützt als die Radialfüsse 41, und dass daher das Glied 30 hauptsächlich die Uberlastungskräfte aufnimmt und dadurch eine Verformung des Federringes 20 verhindert, ehe die Radialfüsse 41 sich auf dem Grundring 22 abgestützt haben.
Wenn eine Last senkrecht auf den Lastkopf 31 aufgesetzt wird, so leitet das Lasttrageglied 30 mittels der Spinne 40 diese axial wirkende Last durch die Radialfüsse 41 auf den Lastmessring 20. Eine Last, die auf den Kopf 31 drückt, beansprucht unter Vermittlung der Radialfüsse 41 die benachbarten Oberflächen 60 auf Druck, die benachbarten Abschnitte 60 auf der entgegengesetzten oberen Oberfläche des Ringes 20 oberhalb der abwärts gerichteten Füsse 21 werden entsprechend auf Zug beansprucht. Die Messstreifen 61 (Fig. 2) können dann an einen gemeinsamen Messkreis angeschlossen werden, der nicht dargestellt ist, der unter Strom dann eine elektrische Grösse auswirft, welche verhältnisgleich der Last ist, die auf den Kopf 31 wirkt.
Zwar beziehen sich die beiden in der Beschreibung erläuterten Beispiele auf die Messung von Drucklast, jedoch ist verständlich, dass bei Zugbeanspruchung des Gliedes 30 das elastische Messglied 22 in derselben Weise anspricht, wofür dann am einfachsten Lastmessring 20 und Grundring 22 gegeneinander ausgetauscht werden.
Die Verwendung von federndem Material für das Lastmessglied 20 mit seinen zusammenwirkenden senkrechten Füssen 21 und Radialfüssen 41 für die Spinne 40 und mit den Ausnehmungen 50 auf der Unterfläche des Oberringes 20 liefert Anbringungsstellen höchster Verformungsbeanspruchung für die Messstreifen. Wenn ausserdem die Last senkrecht angreift, so wird die Verformung über jedem Fuss gleichförmig sein, und die Messstreifen, die gleichmässig oberhalb der Füsse 21 und 41 zentriert sind, werden alle denselben Verformungswert anzeigen.
Die aneinander anschliessenden Teile des Oberringes 20 liefern positive und negative Verformungswerte abhängig von einer Last, die auf das Tragglied 30 wirkt. Das Zusammenwirken des abgerundeten Lastkopfes 31 und der Kupplungswirkung der Spinne 40 vermindert unerwünschte Nebenkräfte, wenn die Auflast einen Drehmoment ausüben sollte.
Wie besonders deutlich in der Draufsicht der Fig. 2 und den Querschnitten der Fig. 3 - und 4 zu erkennen ist, kann die Messdose aus einem einzigen Stück geformt oder bearbeitet sein, wodurch unerwünschte mechanische Hysteresewirkungen vermieden werden. Wenn gewünscht, können alle Messstreifen 61 auf dieselbe Oberfläche aufgebracht oder darauf geätzt werden. Alle Messstreifen 61 können also gleichzeitig auf die Oberfläche 60 aufgebracht werden.
Wenn bei einer solchen gemeinsamen Aufbringung die Messstreifen 61 nicht genau zentrisch oberhalb jedes Radialfusses 41 oder senkrechten Fusses 21 angebracht sind, so wird dadurch die Messanzeige der Verformung bei einer Brückenschaltung nicht nennenswert beeinflusst, weil die Versetzung gegenüber der Mitte bei jedem Messstreifen 61 dieselbe sein wird und sich die einzelnen Fehler in der Brückenschaltung ausgleichen. Wenn die Messstreifen so angebracht werden, wie dies Fig. 2 zeigt, ist es einfacher, alle Streifen auf einmal anzubringen. Die Abmessung der Messdose hat nur einen geringen Einfluss auf die lineare federnde Verformung des elastischen Ringes 20 und auf die lineare Anzeige des Messweges, den die Schaltung der Messstreifen 61 anzeigt.
Wenn dies erwünscht sein sollte, kann man auch auf der Spinne 40 und den anschliessenden oberen und unteren Oberflächen der Radialfüsse 41 Messstreifen anbringen. Die Gesamtgrösse der Oberfläche entspricht in diesem Fall der Oberfläche 60 in Fig. 1.
Die Hälfte der auf diesen Radialfüssen 41 angebrachten Messstreifen würde eine Druckkraft anzeigen, die andere Hälfte eine Zugkraft.
In Fig. 5 ist eine Messdose einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im ganzen ähnelt diese Messdose der Ausbildungsform, die in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist mit dem Unterschied, dass der Bodenring 22 keine formfeste Verbindung mit den abwärts gerichteten Füssen 21 aufweist und das Lasttrageglied 30 kürzer ist, so dass die abwärts gerichteten Füsse 21 sich auf jede Art Grundplatte 70 abstützen können, welche kreisförmig, quadratisch oder von jeder anderen gewünschten Gestalt sein kann. Die einzige Anforderung an die Grundplatte 70 ist, dass sie eine ebene Abstützung für jedes abwärts gerichtete Bein 21 bildet, und dass dazwischen Auflagen für die Radialfüsse 41 und das Lasttrageglied 30 vorhanden sind, wenn die Messdose nach Fig. 5 überlastet ist.
Die Messdose nach Fig. 5 ist nicht ein selbständiges einstückiges Gerät wie Fig. 1; jedoch lässt sich die Bauart nach Fig. 5 leichter als einheitlicher Gusskörper herstellen, wenn dies gewünscht wird. Wenn auch in der bisherigen Beschreibung zum Ausdruck gebracht worden ist, dass die Messdose einstückig gegossen oder bearbeitet werden kann, so ist es natürlich auch möglich, an das Lastmessglied 20 die abwärts gerichteten Füsse 21 und die Radialfüsse 41 anzuschweissen oder in anderer Weise mit dem Ring zu verbinden.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Druckmessdose 100 in einem Gehäuse. Das Lasttrageglied 30 und der übrige federnde Teil der Messdose, ausgebildet nach den Fig. 1 bis 4, ist in dem Gehäuse gestrichelt angedeutet. Die Wände 103 des Gehäuses können z. B. ein zylindrisches nahtloses Stahlrohr sein mit einem erweiterten lichten Querschnitt 105 zur Aufnahme des Gehäusebodens 104. Dieser Boden 104 kann an der Wand 103 durch Verschraubung in den aufgeweiteten Teil 105 befestigt sein, oder der Boden 104 kann an der Anschlussfläche 106 zwischen Wand 103 und Boden 104 angeschweisst oder gelötet sein.
Der Boden 104 des Gehäuses hat in der Mitte eine Durchbrechung 107. Ein Fortsatz 80 des Lasttragegliedes 30 kann durch die Öffnung 107 des Bodens 104 ragen und z. B. durch Verschraubung mit dem Lasttrageglied 30 verbunden sein. Ausdrücklich sei betont, dass die Verbindung des Verlängerungsgliedes 80 mit dem Lasttrageglied 30 nichts mit der positiven Anschlagsicherung gegen Üb erl ast des Lasttragegliedes 30 auf den Boden 104 zu tun hat. Eine untere Abschlussmembran 102 und eine obere Abschlussmembran 101 können das Innere der eingekapselten Messdose gegen die Aussenluft abschliessen.
Diese Membranen bilden jedoch keinen Teil der Erfindung.
Es wurde gefunden, dass schlagartig aufgesetzte Lasten den Nullpunkt des elastischen Gliedes in der Richtung der Lastauflage verschieben. Wenn die Messdose einen Überlastungsschutz in Gestalt eines mechanischen Anschlags hat, wie dies bezüglich der Fig. 1 bis 5 beschrieben worden ist, so kann der Rückstoss von diesem mechanischen Anschlag eine Verschiebung des Nullpunktes in der entgegengesetzten Richtung hervorrufen. Wenn die Stosswerte zunehmen, so wird die lastseitige Anzeige der Messstreifen über eine Brückenschaltung mit Rücksicht auf die Überlastsicherung des elastischen Gliedes der Messdose nicht sehr beeinflusst. Die Anzeige in der Rückprallrichtung kann jedoch anwachsen und zu einer erheblichen Nullpunktverschiebung in der umgekehrten Richtung führen, wenn bezüglich dieses Fehlers keine Abhilfe geschaffen wird.
Fig. 6 lässt erkennen, wie diese Rückprallsicherung ausgebildet ist. Das Lasttrageglied 30 trägt auf seiner Verlängerung 8( > einen Flansch 81, dessen Oberfläche 83 an die Gegenfläche des Bodens 104 des Gehäuses nach Fig. 6 anschlägt und dadurch eine mechanische Sicherung gegen Rückprall und die damit zusammenhängende Verformung des Lastmessgliedes bietet, wodurch wiederum die Nullpunktverschiebung unterbunden wird. Das Verlängerungsglied 80 und daher auch der Flansch 81 und die Anschlagfläche 83 sind verstellbar (verschraubbar) gegenüber dem Lasttrageglied 30.
Die zur Messung von Drücken bestimmte Messdose nach Fig. 6 kann in eine Universalmessdose umgewandelt werden, die sowohl Druck- als auch Zugkräfte misst. Hierzu brauchen nur die Löcher in das Lasttrageglied 30 und in die Oberfläche 82 des Fortsatzes 80 eingearbeitet zu werden. Z. B. kann man Gewindeanschlüsse in dem Oberende des Last tragegliedes 30 anbringen, um die Messdose zu befestigen; und ein Lastankupplungsglied kann mittels eines Schraubanschlusses bei 82 in den Fortsatz 80 des Lasttragegliedes 30 eingesetzt werden, so dass eine Lastspannung eine Verformung und Anzeige der Messdose wie beschrieben hervorruft. Der Überlastungsschutz sowohl gegen direkte und Rückprall überlastung ist gleichmässig wirksam, wenn die Messdose für die Druck- oder für die Zugmessung benutzt wird.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer dritten Ausführungsform einer Kraftmessdose, die hauptsächlich für die Spannungsmessung brauchbar ist. Da die Ausbildung der Lagerung des federnden elastischen Lastmessgliedes mit der bisher erläuterten übereinstimmt, wird darauf nicht näher eingegangen. Die Messdose nach Fig. 7 enthält einen Ring 120 mit zahkeichen daran anschliessenden Fü ssen 121, die den Ring 120 abstützen. Die Füsse 121 können an einem zweiten Ring 122 befestigt sein, der als Grundplatte für die Messdose dient und als Mittel, um das federnde elastische Glied der Dose in einem Gehäuse zu befestigen, wenn dies gewünscht wird.
Eine hohlzylindrische Mittelsäule 130 dient zur Lastaufnahme. Das Oberende dieses Gliedes 130 enthält die Aufbohrung 131 zur Aufnahme einer Sicherungsmutter. Das Unterende des zylindrischen Lasttragegliedes 130 weist die Verjüngung 132 auf, um zu verhindern, dass das Glied 130 unter Last irgendwo anschlägt; besonders dann, wenn grosse Seitenlasten auf das Glied aufgebracht werden, ehe der Messweg der Messdose ausgenutzt ist. Das Unterende des hohlzylindrischen Lasttragegliedes 130 enthält ferner eine untere Bohrung zur Aufnahme eines im folgenden näher beschriebenen Spannungsansatzes.
Das Lasttrageglied 130 ist an den Ring 120 mittels einer Vielzahl von Radialfüssen 141 angeschlossen. Diese sind in gleichen Abständen unterhalb des Ringes 120 zwischen den senkrechten Füssen 121 angebracht. Die senkrechten Füsse 121 und die Radialfüsse 141 haben Ausnehmungen 150 von kleinem Radius in der Nähe ihrer Ansatzstellen unter der Oberfläche des Ringes 120. Auf der Oberfläche des Ringes 120 sind Flächen für die Anbringung von zahlreichen Messstreifen angebracht, ebenso können solche an den Radialfüssen und an den senkrechten Füssen 121 bzw. 141 angebracht sein, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.
Ein Spalt 142 ist zwischen den Radialfüssen 141 und dem Grundring 122 vorgesehen. Ebenso ist ein Spalt 133 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes 130 und der Grundplatte bzw. dem Boden des Gehäuses vorgesehen, in welchen die Messdose eingebaut wird. Diese Spalte dient besonders als Überlastungssicherung, vor allem dann, wenn die Messdose auf Spannung bzw. Dehnung beansprucht wird. Der Spalt 133 kann nach Wahl schmaler sein als die Spalte 142. Werden diese verschiedenen Abmessungen gewählt, so wird erreicht, dass das Lastaufnahmeglied 130 sich etwas eher aufsetzt als die Radialfüsse 141. Auf diese Weise wird die nachteilige Wirkung einer Überlastung des Federringes 120 abgefangen, ehe die Radialfüsse 141 dieses Ringes sich auf den Grundring 122 abstützen.
Wenn eine Last axial zum Lasttrageglied 130 angreift, so wird diese durch die Radialfüsse 141 weitergeleitet, welche am Lasttrageglied 130 befestigt sind. Dann wird die Last weiter auf den Ring 120 geleitet. Eine Belastung des Lasttragegliedes 130 wird sich auf die Radialfüsse 141 als Druck auswirken.
Diese Kraft wird dann als Zugbeanspruchung auf das federnde Lastmessglied weitergeleitet.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Messdose besteht darin, sie soweit wie möglich einstückig auszubilden, andernfalls die Teile mittels Schweissoder Lötverbindungen aneinanderzuschliessen und eine rotationssymmetrische Ausführung aller Bauteile zu bevorzugen. Auf diese Weise wird die beschriebene Messdose leicht einer Massenfertigung zugänglich. Alle Bauteile lassen sich drehend bearbeiten.
Dies gilt für die eigentliche Messdose sowie für die Bestandteile des sie umgebenden Gehäuses einschliesslich der Membranen. Die Membranen werden zweckmässig aus Metall gestanzt und die Rillen eingedrückt.