DE1129317B

DE1129317B - Kraftmessdose

Info

Publication number: DE1129317B
Application number: DESCH28607A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Christof Rohrbach; Dipl-Ing Goetz Andreae
Original assignee: Carl Schenck Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1960-10-14
Filing date: 1960-10-14
Publication date: 1962-05-10
Also published as: GB922982A; CH399007A

Description

Kraftmeßdose Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose, bestehend aus einer kreissymmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Plattenrand.
Zur Messung einer Kraft nutzt man allgemein die Tatsache aus, daß ein Meßglied mit bekannten mechanischen Eigenschaften unter der Wirkung einer Kraft eine entsprechende Verformung erleidet. Bei bekannten Kraftmeßdosen wird diese Verformung durch Messung des Verformungsweges oder der durch sie entstandenen Dehnung bzw. Stauchung ermittelt.
Bei den wegen vieler Vorteile häufig vorgezogenen elektrischen Kraftmeßdosen werden induktive, kapazitive, ohmsche oder dergleichen Weg- oder Dehnungsmeßelemente verwendet.
Bei wegmessenden Kraftmeßdosen ist es bereits bekannt, die Kraft auf eine an ihrem Rand starr abgestützte, elastische Platte einwirken zu lassen und sodann die Auslenkung zufolge der Kraft zu messen.
Bei bekannten, auf der Basis einer Dehnungsmessung wirkenden Kraftmeßdosen wird ein zylinderförmiges Meßglied, auf dem in axialer Richtung und senkrecht dazu Dehnungsmeßelemente ange bracht sind, der Kraft unterworfen oder ein ringförmiges Meßglied, das an seinem Umfang diametral angeordnete Dehnungsmeßelemente trägt, senkrecht zur Verbindungslinie der Dehnungsmeßelemente der Kraft unterworfen.
Während den wegmessenden Kraftmeßdosen Grenzen durch die erreichbare Genauigkeit der Wegmessung gezogen sind, ist es bei den bekannten dehnungsmessenden Kraftmeßdosen als nachteilig zu bezeichnen, da sie eine relativ große Bauhöhe besitzen und einer besonders sorgfältigen Bearbeitung und Justage bedürfen. Bei Kraftmeßdosen mit zylinderförmigen Meßgliedern tritt zufolge der in axialer Richtung wirkenden Kraft in Achsrichtung eine negative Dehnung vom Betrag - und quer dazu eine positive Dehnung von etwa + 0,3 e auf. Sieht man vier Dehnungsmeßelemente vor, z. B. vier Dehnungsmeßstreifen in einer Wheatstoneschen Brücke, zwei in Achsrichtung und zwei quer dazu, so ergibt sich eine Gesamtverstimmung entsprechend 2,6 e. Bei Kraftmeßdosen mit ringförmigem Meßglied unterliegen die Meßelemente sowohl Biege- als auch Zug-bzw. Druckbeanspruchungen. Bei zwei auf der Außenseite und zwei auf der Innenseite des Ringes angeordneten Meßelementen erfahren die auf der Außenseite angeordneten bei Messung einer Zugkraft als Folge der Biegung eine negative Dehnung und die auf der Innenseite angeordneten eine positive Dehnung. Wegen der Ringform des Meßgliedes ändert sich die Dehnung längs der Meßelemente. Den Biegedehnungen überlagert sich bei allen vier Meßelementen eine reine Zugdehnung in der Größenordnung von 5 bis 20 0/o der Biegedehnung. Bei vier Meßelementen ist daher die Gesamtdehnung erfahrungsgemäß etwa 3 bis 3,5 e.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bezüglich ihrer Herstellung und Handhabung einfache Kraftmeßdose geringer Bauhöhe mit guten Meßeigenschaften zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Dicke der Platte als Funktion des Plattenradius derart bemessen ist, daß die radiale Dehnung über die radiale Erstreckung der Platte im Betrag annähernd konstant ist, jedoch an einer Stelle bestimmten radialen Abstandes vom Plattenmittelpunkt einen Richtungswechsel aufweist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung an Hand zweckmäßiger Ausführungsformen.
Es zeigt in schematischer Darstellung Abb. 1 einen Querschnitt durch eine der Druckkraftmessung dienende, mit Dehnungsmeßelementen versehene Meßdose, Abb. 2 ein Schaubild für den Dehnungsverlauf über der radialen Erstreckung der Kraftmeßdose nach Abb. 1, Abb. 3 und 4 austauschbare Einzelteile der Kraftmeßdose für verschiedene Meßzwecke, Abb. 5 eine Variation der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose mit einem wegmessenden Element.
Die Kraftmeßdose nach Abb. 1 besitzt eine kreissymmetrische Plattel, die am Rand in ein starres ringförmiges Teil 2 übergeht. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Platte 1 so verhält, als wenn sie eingespannt wäre. In ihrem Zentrum besitzt die Platte 1 einen Zapfen 3, über den die zu messende Kraft P eingeleitet wird. Der durch die Platte 1 und den Ring 2 umschlossene Raum 4 wird durch einen Deckel 5 abgeschlossen. Die Befestigungsschrauben 6 des Deckels 5 sind ballig ausgebildet und so angeordnet, daß sie gleichzeitig der Abstützung der Kraftmeßdose auf ein Widerlager dienen. Hierzu sind drei gegeneinander um 1200 versetzte Befestigungsschrauben 6 vorgesehen.
Die Platte 1 ist in verschiedenen radialen Abständen vom Mittelpunkt von unterschiedlicher Dicke.
Die Bemessung ist hierbei so vorgenommen, daß - wie Kurvea in Abb. 2 für eine Plattenhälfte zeigt - die Dehnung in Abhängigkeit vom Plattenradius einen rechteckförmigen Verlauf besitzt. Vom Zapfen 3 in radialer Richtung gesehen, tritt zunächst bei der in Abb. 1 eingezeichneten KraftrichtungP an der Plattenunterseite eine positive Dehnung konstanten Betrages auf, die bei einer Stelle geringster Plattendicke bei einem bestimmten Radius sprungartig in eine negative Dehnung vom gleichen Betrag übergeht. Der Dehnungsverlauf bei einer Platte konstanter Dicke ist zum Vergleich durch die Kurve b dargestellt.
Im Gegensatz zu einer Platte konstanter Dicke, wie sie bisher bei einigen wegmessenden Kraftmeßdosen verwendet wird, sind bei der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose Flächen konstanter Dehnung von einer zur Anbringung von Meßelementen genügenden Größe vorhanden. In Abb. 1 sind diese Meßelemente mit 7, 8, 9 und 10 bezeichnet. Sie erfahren unter der Kraft P über ihre ganze Meßlänge eine dem Betrag nach gleich große Dehnung e, die für die Elemente 7 und 10 negativ und für die Elemente 8 und 9 positiv ist. Bei an sich bekannter Zusammenschaltung der Meßelemente zu einer Wheatstone schen Meßbrücke ist damit die Verstimmung der Brücke zufolge der Kraft P für eine vorgegebene größte Dehnung e zwischen Ring 2 und Zapfen 3 die maximal mögliche, nämlich entsprechend 4 e. Damit besitzt die erfindungsgemäße Kraftmeßdose maximale Empfindlichkeit.
Der Abschluß des Raumes 4 mittels des Deckels 5 dient zum Schutz der Meßelemente. Bei Luftdruckschwankungen entsteht leicht zwischen dem Raum 4 und der Umgebung eine Druckdifferenz, die - ebenso wie die Kraft P - eine Dehnung der Platte 1 hervorruft und hierdurch eine entsprechende Kraft vortäuscht. Um dies zu vermeiden, befindet sich im Deckel 5 eine Membran 11, die vom eigentlichen Innenraum 4 einen Raum 12 abtrennt, der über eine Öffnung 13 mit der Umgebung in Verbindung steht.
Bei Druckdifferenzen zwischen den Räumen 4 und 12 wölbt sich die Membran 11 entsprechend und bewirkt so einen Druckausgleich. An Stelle einer Membran können andere zu diesem Zweck geeignete Mittel, beispielsweise ein Faltenbalg, verwendet werden.
Falls ein derartiger Druckausgleich für bestimmte Meßzwecke nicht erforderlich ist, kann ein einfacher Deckel vorgesehen sein, wie er in Abb. 3 dargestellt und mit 5 a bezeichnet ist. Zusätzlich kann dieser oder ein andersartig gestalteter Deckel mit einem Anschlag zur Begrenzung der Auslenkung der Platte 1 versehen sein. Beim Deckel 5 a ist ein derartiger Anschlag 5b vorgesehen.
Um mit der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose auch Zugkräfte messen zu können, sind entsprechende Krafteinleitungselemente vorzusehen. In Abb. 4 ist eine Variation des Deckels 5 für diesen Zweck dargestellt. Dieser Deckel 5 c besitzt einen Zapfen 5d zur Einleitung der Zugkraft. Bei Verwendung dieses Deckels bei der Kraftmeßdose nach Abb. 1 wirkt die dort eingezeichnete Kraft P selbstverständlich in umgekehrter Richtung.
Im Bedarfsfall ist es weiterhin auch möglich, die erfindungsgemäße Kraftmeßdose mit wegmessenden Elementen zu bestücken. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Abb. 5 dargestellt. Hier ist, bei sonst gleicher Ausbildung der Dosen, am Deckel 5 ein auf induktiver Basis arbeitendes Element 14, das mit einem Fühler 15 die Auslenkung der Platte 1 abtastet, angebracht. Eine analoge Verwendung wegmessender Elemente anderen Arbeitsprinzips ist selbstverständlich möglich.
Der Einfluß exzentrischer Krafteinleitungen auf das Meßergebnis ist bei der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose sehr gering, da wegen der radialen Symmetrie eine gegebenenfalls größere Dehnung eines der Meßelemente durch eine entsprechende kleinere Dehnung des zugehörigen, symmetrisch zum Zapfen 3 liegenden anderen Meßelementes ausgeglichen wird.
Der Einfluß einer Querkraft Q, die eventuell am Zapfen 1 senkrecht zur Achse angreift, ist ebenfalls gering, da sie wegen der geringen Höhe des Zapfens 3 entsprechend einem kleinen Hebelarm im wesentlichen nur eine wegen des großen Plattenquerschnittes geringe Beanspruchung der Plattenebene hervorruft, während eine gleich große Kraft P in Achsrichtung eine sehr viel größere Biegebeanspruchung bewirkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Kraftmeßdose, bestehend aus einer kreissymmetrischen Platte mit zentraler Krafteinleitung und starrer Abstützung am Plattenrand, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte (1) als Funktion des Plattenradius derart bemessen ist, daß die radiale Dehnung über die radiale Erstreckung der Platte im Betrag annähernd konstant ist, jedoch an einer Stelle bestimmten radialen Abstandes vom Plattenmittelpunkt einen Richtungswechsel aufweist.
2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenrand selbst als starres Bauteil (2) ausgebildet ist.
3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) in den Zonen konstanter Dehnung mit an sich bekannten Dehnungsmeßelementen (7 bis 10) versehen ist, die in an sich bekannter Weise zu einer Meßschaltung vereinigt sind.
4. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Wirkung der zu messenden Kraft P erfolgenden Auslenkungen der Platte (1) - vorzugsweise ihres Zentrums - mittels an sich bekannter Wegmesser (14) ermittelt werden.
5. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Platte (1) und den starren Rand (2) umschlossene Raum (4) durch einen Deckel (5) abgeschlossen ist.
6. Kraftmeßdose nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (5 a) einen Anschlag (5b) zur Begrenzung der durch die Kraft P bewirkten Auslenkung der Platte (1) besitzt.
7. Kraftmeßdose nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (5) einen mit der Umgebung der Kraftmeßdose über eine Öffnung (13) in Verbindung stehenden Raum (12) besitzt, der gegen den Innenraum (4) durch eine Membran (11) abgeschlossen ist
8. Kraftmeßdose nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (5 c) einen Zapfen (5d) zur Einleitung einer Zugkraft besitzt.
9. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die - vorzugsweise mit balligen Köpfen versehenen und gegeneinander um 120° versetzt angeordneten -Befestigungsschrauben (6) des Deckels (5) gleichzeitig zur Abstützung der Kraftmeßdose auf ein Widerlager dienen.