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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kraftmeßzellen
mit Dehnungsstreifen zur Gewichts- und Kraftmessung und betrifft
insbesondere eine verbesserte Ausführung einer Scherstab-Kraftmeßzelle und
ein neues Verfahren zum Herstellen derartiger Kraftmeßzellen.
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Eine Scherstab-Kraftmeßzelle weist
einen rechteckigen Stab aus einer metallischen Legierung einer Kraftmeßzellenqualität auf, dessen
eines Ende auf einer Basis in der Art eines Auslegers unterstützt ist,
und dessen freies Ende zum Tragen einer vertikalen Last dient. Zwischen
dem unterstützten
Ende und dem belasteten Ende sind gegenüber liegende, laterale Sacklöcher angeordnet,
die einen I-Profilabschnitt mit einem schmalen vertikalen Steg bilden, der
mit der longitudinalen Achse des freitragenden Stabs ausgerichtet
ist. Dehnungsmeßstreifen
zum Messen der Hauptspannung aufgrund der Scherkraft sind auf beiden
Seiten des Stegs angeordnet und sind in einer Brückenschaltung miteinander verbunden,
um die auf die Kraftmeßzelle
ausgeübte
vertikale Last zu messen.
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Bekannte Ausführungsformen von Scherstab-Kraftmeßzellen
können
eine hohe Genauigkeit mit einer niedrigen Sensitivität gegenüber nicht
mittigen Lasten, Drehmomenten und horizontalen Kräften, die
das Gebiet der Lastbeaufschlagung beeinflussen, bieten, so daß sie in
Hochleistungsanwendungen weit verbreitet sind. Die Bearbeitung von
bekannten Kraftmeßzellen
bedingt eine Vielzahl von Bearbeitungseinrichtungen, so daß die Bearbeitungskosten
einen großen
Anteil der Kosten derartiger Kraftmeßzellen ausmachen.
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Der Erfindung liegt daher im wesentlichen die
Aufgabe zugrunde, eine hochgenaue Scherstab-Kraftmeßzelle zu
schaffen, die kostengünstiger herzustellen
ist als die bekannten Scherstab-Kraftmeßzellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine kostengünstige
Scherstab-Kraftmeßzelle
zu schaffen, die einen nahezu gleichförmigen Hauptbelastungsverlauf
aufgrund der Scherkraft dort aufweisen, wo die Dehnungsmeßstreifen
befestigt sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Verfahren zum Bearbeiten von Scherstab-Kraftmeßzellen
zu schaffen, das nicht mehrere Bearbeitungseinrichtungen erfordert.
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Diese Aufgaben werden mit einer Scherstab-Kraftmeßzelle erfüllt, in
der beide Seiten des scherkrafterkennenden Steges von einem seitenschneidenden
Werkzeug mit vertikaler Achse, das eine im wesentlichen zylindrische
Schneidoberfläche aufweist,
ausgeschnitten werden, wobei die Dicke des Steges allmählich entlang
der Achse des Stabs zunimmt.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargestellt
und werden sich zum Teil aus der Beschreibung ergeben, oder können durch
die Anwendung der Erfindung erzielt werden. Die Aufgaben und Vorteile
der Erfindungen können
durch die instrumentalen Mittel und Kombinationen realisiert und
erzielt werden, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, die einen
Teil der Beschreibung bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung
und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zum Erklären der
Prinzipien der Erfindung.
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1 ist
eine Draufsicht der bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle.
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2 ist
eine Seitenansicht der in 1 dargestellten
bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle.
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3 ist
eine Draufsicht einer Scherstab-Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung.
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4 ist
eine Seitenansicht der in 3 dargestellten
Scherstab-Kraftmeßzelle.
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5 ist
eine Draufsicht eines Bearbeitungseinrichtens für eine Scherstab-Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung.
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DETALLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung erschließt sich
am einfachsten durch einen Vergleich mit einer typischen bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle,
die in den 1 und 2 dargestellt ist. Die bekannte
Kraftmeßzelle 10 ist
aus einem länglichen
rechteckigen Stab 11 eines Metalls mit Kraftmeßzellenqualität hergestellt,
wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder eine Edelstahlverbindung.
Der Stab 11 weist vertikale Löcher 12 für Bolzen
(nicht dargestellt) zum Befestigen der Kraftmeßzelle 10 an einer
Basis 30 mit Gewindelöchern 32 sowie
ein zentriertes Loch 13 zur Aufnahme einer vertikalen Last
auf. Ferner weist er einen I-Profilabschnitt mit einem dünnen flachen
Steg 16 auf, der zentriert zwischen den Seiten des Stabs 11 angeordnet
und durch symmetrisch gegenüberliegende
laterale Sacklöcher 15', 15" ausgebildet
ist . Dehnungsmeßstreifen 40', 40" zum Messen
der Scherkraft sind auf beiden Seiten des Steges 16 befestigt.
Ein Loch 19 durch den Steg 16 schafft einen Durchgang
für Drähte (nicht
dargestellt) zwischen den zwei Dehnungsmeßstreifen 40', 40", und ein Loch 17 für ein Kabel (nicht
dargestellt) von beiden Dehnungsmeßstreifen 40' ,40" führt von
einem Ende des Stabs 11 durch eine Seitenwand in ein Sackloch 15'.
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Der Steg 16 muß auf beiden
Seiten flache und parallele Oberflächen aufweisen und muß senkrecht
zu dem Boden der Kraftmeßzelle 10 ausgerichtet
sein. Dies bedingt, daß beide
Seiten eines Rohlings für
den Stab 11 unter einem rechten Winkel zur Bodenfläche stehen
müssen,
so daß ein
erstes Bearbeitungseinrichten zum Bearbeiten der Seiten des Rohlings
benötigt
wird, um die Seiten des Rohlings parallel zueinander und rechtwinklig
zu der Bodenoberfläche
anzuordnen, bevor das Bohren von Löchern begonnen werden kann.
Vier weitere Einrichtvorgänge
werden dann zum Fräsen
der Löcher
in den Stab 11 benötigt:
ein erstes Einrichten zum Schneiden der vertikalen Löcher 12, 13,
ein zweites Einrichten zum Schneiden eines Sackloches 15' auf einer Seite
des Rohlings, ein drittes Einrichten zum Schneiden des zweiten Sackloches 15" auf der anderen
Seite des Rohlings und ein kleines Loch 19 durch den Steg 16,
und ein viertes Einrichten zum Schneiden der Kabelöffnung 17 von
einem Ende des Rohlings aus. Das Bearbeiten eines Stabs 11 für eine bekannte
Scherstab-Kraftmeßzelle 10 benötigt daher insgesamt
fünf Bearbeitungseinrichtungen.
Die Leistungswerte der bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle 20 wird üblicherweise
nur durch die Veränderung
der Dicke des Stegs 16 bewirkt, während die Größe des Rohlings
und die Durchmesser der lateralen Sacklöcher 15', 15" für einen Bereich von Kraftmeßzellenwerten
konstant gehalten werden.
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Eine Scherstab-Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung
ist in den 3 und 4 dargestellt. Die Kraftmeßzelle 20 ist
aus einem Stab 21 aus einer Metallegierung in Kraftmeßzellenqualität gefertigt,
aufweisend vertikale Befestigungslöcher 22 und eine vertikale
Lastöffnung 23,
wie dies in der bekannten Kraftmeßzelle 10 der Fall
ist. In einer Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
wird der Steg 26 jedoch durch breite laterale Taschen 25', 25" mit oberen
und unteren Flanschen 24', 24" anstelle der
Sacklöcher 15', 15" gebildet. Der
zentrale Teil 26' des
Steg 26 ist flach, allerdings nimmt die Dicke des Stegs 26 allmählich mit
dem Abstand von dem flachen zentralen Bereich 26' zu. Dehnungsmeßstreifen 40', 40", die die Hauptdeformation
aufgrund der Scherkraft messen, sind an jeder Seite des flachen
zentralen Teils 26' des
Stegs 26 angeordnet. Ein vertikaler Schlitz oder vertikales
Loch 29 ist durch den oberen Flansch 24' in einem dicken
Bereich des Stegs 26 eingelassen, um eine Öffnung 29' für eine Verdrahtung
(nicht dargestellt) zwischen den beiden Dehnungsmeßstreifen 40' und 40" zu schaffen.
Das Loch 29 ist vorzugsweise nahe der Lastöffnung 23 angeordnet,
wo das Biegemoment in dem Stab 21 klein ist. Ein Kanal 27 für ein Kabel
(nicht dargestellt) von den beiden Dehnungsmeßstreifen 40', 40" ist entlang
einer Seite in den Stab 21 eingelassen, und eine kleine
vertikale Öffnung 28 ist
für einen
Kabelhalter (nicht dargestellt) vorgesehen, um das Kabel in dem
Kanal 27 vor dem Herauslösen zu bewahren.
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Die Schnitte für die Taschen 25', 25" und den Kabelkanal 27 können durch
Seitenschneidewerkzeuge in einer Fräsbank mit vertikaler Spindel
hergestellt werden, ohne daß die
Einrichtung eines Rohlings 21' für den Stab 21 vor
oder nach dem Schneiden der vertikalen Öffnungen 22, 23, 28 und 29 verändert wird,
und ein Rohling 21',
der von einem rechteckigen Stab auf Länge geschnitten ist, kann ohne
irgendeine Vorbearbeitung seiner Oberflächen zum Fräsen eingerichtet werden. Für die gesamte
Bearbeitung eines Stabes 21 für eine Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
wird daher nur eine einzige Einrichtung benötigt. Das Bearbeiten eines
Stabes 21 für
eine Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
ist daher wesentlich kostengünstiger
als das Bearbeiten eines Stabes 11 für eine bekannte Kraftmeßzelle 10.
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In jeder Scherstab-Kraftmeßzelle 10 oder 20 ist
die vertikale Scherkraft die gleiche in allen Querschnitten des
Stabes 11 oder 21 zwischen der Kante 31 des
Trägers 30 und
der Lastöffnung 13 oder 23,
so daß die
Schubspannung sich in inverser Weise mit dem Querschnitt entlang
des Stabes 11 oder 21 verändert. In einer Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
nimmt der Querschnitt allmählich
von der linken Kante der Ausschnitte 25', 25" ab, da die Dicke des Stegs 26 sich
von der vollen Breite des Stabes 21 auf ein Minimum am
zentralen Bereich 26' des
Stabes 26 verringert und dann allmählich wieder in Richtung der
Lastöffnung 23 zunimmt.
Die Schubspannung baut sich daher allmählich auf, bis sie nahe den
Dehnungsmeßstreifen 40', 40" gleichförmig wird.
Dies hat insoweit den Vorteil, als die sich allmählich aufbauende Hauptverformung
aufgrund der Scherkraft nahe den Dehnungsmeßstreifen 40', 40" weniger empfindlich
gegenüber
der Lastplazierung ist und die Ergebnisse der nicht zentrierten
Lastempfindlichkeit verbessert. Die Dehnungsmeßstreifen 40', 40" werden daher
in einem Bereich positioniert, in dem die Hauptverformung aufgrund
der Scherkraft recht gleichförmig
ist und der weniger empfindlich auf eine Lastanwendung hinweist.
In der bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle 10 ist die
Verteilung der Hauptverformung aufgrund der Scherkraft weniger vorteilhaft,
da die Scherspannung sich abrupt an den rechten und linken Enden
der Sacklöcher 15', 15" nahe den Dehnungsmeßstreifen 40', 40" verändert, und
die Verformung daher dort, wo die Dehnungsmeßstreifen 40', 40" angeordnet
sind, von dem Punkt der Lastapplikation abhängiger ist. Eine Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
ist daher inhärent
genauer als eine bekannte Scherstab-Kraftmeßzelle 10.
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Ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Bearbeiten
der Stegtaschen 25', 25" in einem Rohling 21' für eine Scherstange 21ist
in 5 dargestellt, die
eine vereinfachte Draufsicht auf eine Einrichtung einer Fräsmaschine
ist. Ein Rohling 21 ist auf einem Fräsbanktisch 50 in einer
vertikalen Spindelfräsbank befestigt.
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Ein Seitenschneidewerkzeug 55,
der auch als ein Woodruff-Schneider oder ein Schlüsselschneidewerkzeug
bezeichnet wird, mit im wesentlichen vertikalen Schneidkanten, die
eine zylindrische Oberfläche
definieren, ist in einer vertikalen Spindel 52 angeordnet. 5 zeigt das Schneidewerkzeug 55 in
einer Position, in der es das Schneiden der linken Seite einer Tasche 25' beendet hat.
Das Schneidewerkzeug 55 wird als nächstes nach rechts, parallel
zu der Achse des Rohlings 21',
bewegt werden, wie dies durch den Pfeil dargestellt ist, um einen
flachen zentralen Teil der Tasche 25' zu schneiden, während es
sich in Richtung der rechten Seite der Tasche 25' bewegt. Nach
dem Fertigstellen wird die Tasche 25' eine Spiegelung der gegenüberliegenden Tasche 25" sein, die in 5 als Referenz dargestellt ist.
Die zweite Tasche 25" ist
in der gleichen Weise wie oben beschrieben hergestellt, allerdings
befindet sich das Schneidewerkzeug 55 auf der anderen Seite des
Rohlings 21'.
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Als nächstes wird ein schmaleres
Seitenschneidewerkzeug verwendet, um einen Schlitz 27 an
der linken Seite des Rohlings 21' zu schneiden. Schließlich werden
vertikale Öffnungen 22, 23, 28 und 29 von
oberhalb des Rohlings geschnitten werden, bevor die bearbeitete
Stange 21 von dem Fräsbanktisch
entfernt wird. Alle benötigten
Bearbeitungsschritte wurden daher durchgeführt, ohne daß der Rohling 21' zwischen verschiedenen
Bearbeitungseinrichtungen bewegt wurde.
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Der Fachmann weiß, daß es vorteilhaft sein kann,
Seitenschneidewerkzeuge mit kleinen Durchmessern an ihren oberen
und unteren Schneidekanten zu verwenden, um die Taschen 25', 25" zu schneiden.
Dies verhindert scharfe Ecken zwischen dem Steg 26 und
den oberen und unteren Flanschen 24', 24" und verringert daher das Risiko
von Ermüdungsbrüchen. Die
Erfindung ist unempfindlich gegenüber kleinen Übergangsradien
zwischen dem Steg 26 und den Flanschen 24', 24".
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Es ist einfach die Höhe eines
Steges 26 zu verändern,
der mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Taschen 25', 25" mit unterschiedlichen
Höhen können mit
Seitenschneidewerkzeugen geschnitten werden, die an die Höhe der Taschen 25', 25" angepaßt sind,
oder ein Schneidekopf 55 mit einer geringen Höhe kann
mehrere Durchgänge
bei verschiedenen vertikalen Positionen des Werkzeuges 55 durchführen, wie
dies zum Schneiden der verschiedenen Höhen der Taschen 25', 25" benötigt wird.
Es ist daher vorteilhaft, die Lastwerte der Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
zu verändern,
indem die Höhe
des Stabes 21 und die Höhe
des Stegs 26 verändert
wird, während die
Länge und
Breite des Stabes 29 konstant gehalten werden. In der Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
werden die Dicken der Flansche 24', 24" und der Querschnitt des Stegzentrums 26 so ausgewählt, daß sie den
benötigten
Verformungspegel erreichen.
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Eine typische bekannte Scherstab-Kraftmeßzelle 10 mit
der Nennleistung 500 kg (1100 Pound) ist im Maßstab 1:1 in den 1 und 2 dargestellt, und eine Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
für den
gleichen Lastbereich (500 kg) ist maßstabsgetreu in den 3 und 4 dargestellt. Die Scherstab-Kraftmeßzelle 20 mit
500 kg gemäß der Erfindung
benötigt
deutlich weniger hochqualitatives Kraftmeßzellenmaterial als die bekannte
Kraftmeßzelle
mit 500 kg. Nur wenn der Lastbereich für eine Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
auf 2000 kg (4400 Pound) erhöht
wird, benötigt sie
eine Höhe
wie in der 2. Die verwendete
Menge hochqualitativen Materials nimmt daher mit der Nennleistung
einer Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
zu, im Gegensatz zu den bekannten Kraftmeßzellen 10, wo die
verbrauchte Materialmenge die gleiche ist für einen großen Bereich von Kraftmeßzellennennleistungen,
wodurch mehr Material bei den geringen Nennleistungen mit entsprechend
höheren Kosten
verwendet wird.
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Wenn Rohlinge 21' verwendet werden,
die aus einem Rohblock auf Länge
geschnitten werden, ohne daß irgendeine
Bearbeitung des Stabes 21 vor dem Fräsen durchgeführt wird,
ist es nicht möglich, die
Breite des Stabes 21 innerhalb enger Toleranzen zu halten.
Die Taschen 25', 25" werden von
gegenüberliegenden
Seiten des Rohlings 21 aus geschnitten, so daß sich eine
zentrale Position für
den Steg 26 leicht ergibt, aber die Dicke des zentralen
Teils des Stegs 26 kann entsprechend der Dicke des Rohlings 21' variieren.
Dies kann Veränderungen
hinsichtlich der Empfindlichkeit von einer Kraftmeßzelle 20 zu
einer anderen innerhalb der gleichen Charge wirken. Grobe Änderungen
in der Breite können
mit geringen Kosten durch Fräsen
des zentralen Teils von beiden Seiten der Rohlinge 21' korrigiert
werden, während
diese in der vertikalen Spindelfräsbank eingerichtet sind. Kleine Änderungen
in der Sensitivität sind
normal, selbst wenn Kraftmeßzellen
von vorbearbeiteten Rohlingen hergestellt werden, aber derartige
Sensitivitätsvariationen
werden während
der Fertigungsprüfung
jeder einzelnen Kraftmeßzelle
in einer Kalibrierungspresse detektiert, und die Sensitivität wird immer
standardisiert, üblicherweise
durch Widerstandsbelasten der Meßstreifen 40', 40", wie dies bekannt
ist. In einer Fertigungslinie können
mehrere Scherstabrohlinge 21' auf
einem gemeinsamen Fräsbanktisch
gleichzeitig eingerichtet werden und alle Bearbeitung mit einem
Schneidewerkzeug kann an allen Rohlingen nacheinander durchgeführt werden,
bevor das Schneidewerkzeug ausgewechselt wird. Es ist sogar möglich, Rohlinge
verschiedener Größe in einer
Einrichtung zu verwenden, indem mehrfache Durchgängen mit dem Taschenschneidewerkzeug
durchgeführt
werden, wie oben beschrieben ist. Derartige vielfache Rohlingseinrichtungen
ist möglich,
da die Seitenschneide-Fräswerkzeuge
auf einer vertikalen Spindel zwischen einzelnen Rohlingen sich bewegen
können,
ohne daß ein
Raum benötigt
wird, der größer ist
als der Durchmesser des größten Seitenschneidewerkzeugs.
Solch ein Mehrfachschneidevorgang reduziert weiter die Kosten der Scherstab-Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung.
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Die vertikale Lastöffnung 23 entspricht
exakt der Lastöffnung 13 der
bekannten Kraftmeßzelle
und ist Gegenstand der gleichen Überlegungen.
Es wird üblicherweise
bevorzugt, daß die
Lastoberfläche nahe
des vertikalen Zentrums des Stabes 23 angeordnet ist, wie
dies im US-Patent 3,960,228 offenbart ist. Das kann mit einer abgestuften Öffnung durch Einsetzen
eines gehärteten
Stopfens mit einer flachen Oberfläche in die abgestufte Öffnung 23 bewirkt werden,
wie dies in den 3 und 4 dargestellt ist und in
dem Gebiet üblich
ist. Verschiedene Arten der Lastöffnung 23 können ebenfalls
in der Erfindung verwendet werden.
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In der obigen Beschreibung ist angenommen worden,
daß der
Steg 26 mit einem flachen Zentralbereich ausgebildet ist,
wo die Dehnungsmeßstreifen befestigt
werden sollen. Es ist jedoch zulässig,
die Dehnungsmeßstreifen
auf eine zylindrische Oberfläche
anstelle einer flachen Oberfläche
zu befestigen, insbesondere falls die Dehnungsmeßstreifen eine kleine Größe haben.
Flache Bereiche des Zentrums des Stegs 26 werden daher
nicht notwendigerweise für
die vorliegende Erfindung benötigt.
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Die breiten Taschen 25', 25", die den Steg formen,
schaffen einen einfachen Zugang zum genauen Positionieren und Befestigen
der Dehnungsmeßstreifen,
und machen es ferner einfach, die Dehnungsmeßstreifen gegenüber Feuchtigkeit
mit verschiedenen Lagen eines Isoliermaterials zu isolieren und
so lange Leckwege zu schaffen.
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Es wird als bekannt vorausgesetzt,
daß die Endschneidewerkzeuge,
wie sie zum Schneiden der Taschen 15', 15" in den bekannten Scherstab-Kraftmeßzelle verwendet
werden, einen kleinen Radius an den Enden ihrer Schneidekanten aufweisen,
so daß ein
glatter Übergang
zwischen einem Steg 16 und den Wänden der Sacklöcher 15', 15" bewirkt wird.
Dies ist notwendig, um scharfe Kanten zu vermeiden, die Ermüdungsrisse
in Kraftmeßzellen
bewirken können,
wie dies auf diesem Gebiet bekannt ist. Derartige spannungsglättende Übergänge mit kleinen
Radien sollen nicht mit dem allmählichen
Verdicken des Stegs 26 in einer Scherstab-Kraftmeßzelle 20 gemäß der Erfindung
verwechselt werden.
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Eine Scherstab-Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung
hat die gewünschte
Eigenschaft, daß sie preiswerter
und zu gleicher Zeit genauer als eine bekannte Kraftmeßzelle ist,
so daß dies
ein wichtiger Schritt nach vorne in der Technologie der Kraftmeßzelle ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Herstellungskosten einer Scherstab-Kraftmeßzelle können durch
das Schneiden von Taschen für
den zentralen Steg mit einem Seitenschneidewerkzeug, beispielsweise
einem Woodruff-Schneider oder einem Schlüsselschneidewerkzeug, in einer
vertikalen Spindelfräsmaschine
sehr reduziert werden, so daß die
gesamte Bearbeitung mit einer einzigen Einrichtung ausgeführt werden kann.
Die Dicke eines Stegs, der von den Seitenschneidewerkzeugen gebildet
wird, wird langsam und allmählich
mit dem Abstand von dem Zentrum des Steges zunehmen, was bedeutet,
daß es
keine abrupten Scherspannungsänderungen
nahe den Dehnungsmeßstreifen
gibt. Die offenbarte Scherstab-Kraftmeßzelle ist daher nicht nur
weniger aufwendig herzustellen, sondern ist ebenfalls inhärent genauer
als bekannte Scherstab-Kraftmeßzellen.