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Kraftmeßdose mit flachem, elastischem Meßglied Die Erfindung betrifft
eine Kraftmeßdose mit flachem, elastischem Meßglied.
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Man hat bereits flache Kraftmeßdosen mit trichterförmigem Lastmeßglied
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 Überlastungsschutz
dienen. Kraftmeßdosen mit einem Überlastungsschutz 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.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die neue Kraftmeßdose aus von einem
flachen, elastischen Meßglied mit 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.
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Bevorzugt ist das Meßglied der Kraftmeßdose in aus anderem Zusammenhang
bekanntgewordener Ausbildung ringförmig.
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Eine weitere Eigenart der neuen Kraftmeßdose besteht darin, daß die
Füße radial mit dem zentrisch angebrachten Lasttragglied durch eine Spinne verbunden
sind. Diese Hauptfüße stützen sich vorteilhaft dauernd auf der Unterlage ab. In
Weiterentwicklung sieht die Erfindung vor, außerdem Nebenfüße anzuordnen, welche
kürzer ausgebildet sind als die Hauptfüße derart, daß sich die Nebenfüße erst bei
einer bestimmten Überlast auf die Unterlage abstützen.
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Durch die Erfindung gelingt es, eine Kraftmeßdose zu schaffen, die
modellähnlich in vielen Größen herstellbar ist. Sie läßt sich billig bauen, widersteht
unerwünschten Drehmomenten und gleicht exzentrische Lastwirkungen aus.
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Die neue Meßdose läßt sich aus einem einzigen Metallstück herstellen.
Sie besitzt daher eine geringe mechanische Hysterese.
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Die neue Meßdose begrenzt formschlüssig den Meßweg des Lastmeßgliedes
und des Lasttragegliedes. Sie enthält 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 an--zubringen und zu schalten.
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Außerdem enthält die neue Kraftmeßdose eine positive Überlastungssicherung
und eine Sicherung gegen Rückprall bei Stoßbelastung.
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Die ganze Ausbildung kann aus einem einzigen Metallstück herausgearbeitet
werden, wodurch die unerwünschten Hysteresenbeiwerte der Kraftmeßdose vermindert
werden.
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Umgekehrt wird die Verformbarkeit des Lastmeßgliedes auf einen Höchstwert
gebracht, dadurch, daß die Ansetzstellen der Füße mit Vertiefungen versehen werden,
so daß das Glied sich stärker und gleichmäßiger verformen kann.
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Eine Abrundung des Scheitels des Lastaufnahmegliedes gleicht die
exzentrische Lastaufnahme aus.
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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.
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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.
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Die Meßstreifen werden auf dem Oberring am besten 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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
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Fig. 1 ist ein Schaubild einer 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 mittleren Querschnitt; Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine
Meßdose nach der Erfindung, in ein Gehäuse eingebaut; Fig. 7 ist eine Seitenansicht,
teilweise geschnitten, einer dritten Ausführung einer Meßdose nach der Erfindung
für den Sonderfall der Spannungsbeanspruchung durch die Last.
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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 können an einem zweiten Ring 22 befestigt sein,
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 oder der sonstigen Unterlagen
anstößt, wenn große Seitenlasten auf das Glied 30 aufgesetzt werden, ehe die Meßdose
voll ausgelastet ist. Das Lasttrageglied 30 ist am Ring 20 befestigt mittels einer
Anzahl Radialfüßen 41. Diese Verbindungen verlaufen unterhalb des Ringes 20 im Abstand
zwischen den abwärts gerichteten Füßen 21.
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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 Oberflächenteile 60 zur Anbringung von Dehnungsstreifen 61
oberhalb der Anschlußstellen der Füße 21 und 41.
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Wie man am besten in den Fig. 3 und 4 erkennt, ist ein kleiner Zwischenraum
42 zwischen den Radialfüßen 41 und dem Grundring 22 vorgesehen. Ebenso ist ein kleiner
Spalt 33 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes 30 und einer Bodenplatte vorgesehen,
welche unterhalb des Grundringes 22 angeordnet werden kann. Diese Spalten sind vorgesehen,
um eine senkrechte Bewegung des Gliedes 30 möglich zu machen, wenn auf den Kopf
31 der Druck einer Last ausgeübt wird. Es kann wünschenswert sein, den Spalt 33
zwischen Lasttrageglied 30 und einer Grund-
platte 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 Überlastungskräfte
aufnimmt und dadurch eine Verformung des Federringes 20 verhindert, ehe die Radialfüße
41 sich auf dem Grundring 22 abgestützt haben.
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Wenn eine Last senkrecht auf den Lastkopf 31 aufgesetzt wird, so
leitet das Lasttrageglied 30 mittels der Spinne 40 diese axiale 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 und der unter Strom dann eine elektrische Größe abgibt, 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 selbstverständlich, 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.
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Die Verwendung von federndem Material für das Lastmeßglied 20 mit
seinen zusammenwirkenden senkrechten Füßen 21 und Radialfüßen 41 für die Spinne
40 und rnit 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.
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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 Last ein Drehmoment
ausüben sollte.
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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.
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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 gesamten 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.
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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 en+-spricht in diesem Fall der Oberfläche
60 in Fig. 1.
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Die Hälfte der auf diesen Radialfüßen 41 angebracht ten Meßstreifen
würde eine Druckkraft anzeigen, die andere Hälfte eine Zugkraft.
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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 Lasttageglied3û vorhanden sind, wenn die Meßdose nach
Fig. 5 überlastet ist. In allen anderen Beziehungen erfolgt Aufbau und Wirkungsweise
der Meßdose nach den Fig. 1 bis 4, insbesondere insoweit, als dieselben Arten von
Oberflächen für die Meßstreifen gebildet werden. 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.
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Wenn auch in der bisherigen Beschreibung zum Ausdruck gebracht worden
ist, daß die neue 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 bekannter Weise mit dem Ring
zu verbinden.
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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. i 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 dem aufgeweiteten Teil 105 befestigt sein, oder
der Boden 104 kann an der Anschlußfläche 106 zwischen Wand 103 und Boden 104 angeschweißt
oder angelötet sein.
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Der Boden 104 des Gehäuses kann in der Mitte eine Durchbrechung 107
haben. Ein Fortsatz 80 des Lasttragegliedes 30 kann durch die Öffnung 107 des Bodens
104 ragen und z. B. dadurch 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 Überlast des
Lasttragegliedes 30 auf den Boden 104 zu tun hat.
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Eine untere Abschlußmembran 102 und eine obere Abschlußmembran 101
können das Innere der eingekapselten Meßdose gegen die Außenluft abschließen.
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Diese Membranen bilden jedoch keinen Teil der Erfindung.
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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 tÇberlastsicherung des elastischen Gliedes
der Meßdose nicht sehr beeinflußt. Die Anzeige in der Rückprallrichtung kann jedoch
anwachsen und zu einer erheblichen Nullpunktverschiebnng 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 80 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.
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Die unter Drucklast wirkende 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. Zum Beispiel kann man Gewindeanschlüsse in dem Oberende des Lasttragegiiedes
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 der Meßdose wie beschrieben hervorruft.
Der Überlastungsschutz sowohl gegen direkte und Rückprallüberlastung ist gleichmäßig
wirksam, wenn die Meßdose für die Druck- oder für die Zugmessung benutzt wird.
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Fig. 7 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer dritten
Ausführungsform einer Kraftmeßdose, die hauptsächlich für die Zugmessung brauchbar
ist.
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Da die Ausbildung der Lagerung des federnden elastischen Lastmeßgliedes
mit der bisher erläuterten übereinstimmt, wird darauf nicht näher eingegangen.
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Die Meßdose nach Fig. 7 enthält einen Ring 120 mit zahlreichen daran
anschließenden Füßen 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.
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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.
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Das Lastttagegüed 130 ist an den Ring 120 mittels einer Mehrzahl
von Radialfüßen 141 angeschlossen.
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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. t41 angebracht sein, wie im Zusammenhang
mit Fig. 2 beschrieben.
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Ein Spalt 142 ist zwischen den Radialfüßen 141 und dem Grundring
122 vorgesehen. Ebenso ist ein Spalt 1.33 zwischen dem Unterende des Lasttragegliedes
130 und der Grundplatte bzw. dem Boden des Gehäuses vorgesehen, in welchen die Meßdose
eingebaut wird. Dieser Spalt dient besonders als Überlastungssicherung, vor allem
dann, wenn die Meßdose auf Druck beansprucht wird. Der Spalt 133 kann nach Wahl
schmaler sein als der Spalt142.
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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 Überiastung des Federringes 120 abgefangen,
ehe die Radialfüße dieses Ringes sich auf den Grundring 122 abstützen.
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Wenn eine Last axial zum Lasttrageglied 130 angreift, so wird diese
durch die Radialfüße 141 weitergeleitet, welche am Lasttrageglied 130 befestigt
sind.
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Dann wird die Last weiter auf den Ring 120 geleitet.
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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.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung aller beschriebenen Arten
der neuen Meßdose besteht darin, sie soweit wie möglich einstückig auszubilden,
andernfalls die Teile mittels Schweiß- oder Lötverbindungen aneinanderzuschließen
und eine rotationssymmetrische Ausführung aller Bauteile zu bevorzugen. Auf diese
Weise werden die neuen Meßdosen leicht einer Massenfertigung zugänglich. Alle Bauteile
lassen sich in erster Linie drehend bearbeiten.
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Dies gilt für die eigentliche Meßdose sowie für die Bestandteile des
sie umgebenden Gehäuses einschließlich dar Membranen. Die Membranen werden zweckmäßig
aus Metall gestanzt und die Rillen eingedrückt.