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Kraftmeßdose Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose, vorzugsweise
rotationssymmetrischer Ausbildung, bei der die zu messende Kraft über ein Krafteinleitungsglied
unter Zwischenfügung eines elastischen Mediums eine Druckwirkung auf ein membranartiges
Verformungsglied hervorruft, dessen dadurch verursachte Verformung durch Meßelemente,
vorzugsweise an ihm angebrachte elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen, ermittelt
wird.
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Zweck derartiger bekannter Ausführungsformen ist es, eine Kraftmeßdose
zu schaffen, die auch bei hoher Belastbarkeit geringe Abmessungen besitzt und bei
der die schädlichen bzw. meßwertverfälschenden Auswirkungen exzentrischer Krafteinleitung
bzw. sonstiger Seitenkräfte vermieden werden. Bei den bekannten Kraftmeßdosen dieser
Gattung, bei der die miteinander korrespondierenden Flächen des Krafteinleitungsgliedes,
des elastischen Mediums und des Verformungsgliedes einander gleich sind, ist jedoch
der Kennlinienverlauf stark nichtlinear, was für Messungen mit großer Genauigkeit
und Empfindlichkeit, für welche derartige Kraftmeßdosen in der Regel benötigt werden,
äußerst unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß derartige Nichtlinearitäten
hauptsächlich bedingt sind durch große Unterschiede zwischen der lastabhängigen
Verformung in der mittleren Zone des Verformungsgliedes und der lastabhängigen Verformung
in dessen Randzone. Es ist daher Zweck der Erfindung, die hydrostatische Druckverteilung
derartiger Kraftmeßdosen durch geeignete Maßnahmen derart zu beeinflussen, daß die
Druckverteilung zwischen der mittleren Zone und der Randzone so gesteuert wird,
daß unter der Lastwirkung der Verformungsverlauf über die ganze Fläche des Verformungsgliedes
hinweg weitgehend linear wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die
Übergangszone zwischen Krafteinleitungsglied und elastischem Medium so beschaffen
ist, daß die Druckübertragung auf die die Meßelemente tragende Randzone des Verformungsgliedes
um so viel geringer ist als die auf die ebenfalls Meßelemente tragende Mittelzone
des Verformungsgliedes, daß in beiden Zonen etwa ein linearer Verformungsverlauf
auftritt. Durch die allseitig wirkende hydrostatische Druckverteilung bei den bekannten
Ausführungsformen treten nämlich in der Randzone Spannungskonzentrationen auf, die
in erster Linie für die Nichtlinearität verantwortlich sind.
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Besonders zweckmäßig ist es, die Übergangszone zwischen dem Krafteinleitungsglied
und dem elastischen Medium durch einen Flansch zu bilden, der mit seiner über das
Medium auf die die Meßelemente
tragende Randzone des Verformungsgliedes einwirkenden
Randzone größerer Elastizität eine entsprechend geringere Kraft auf das Medium zur
Wirkung bringt als in seiner Mittelzone. Die größere Elastizität der Randzone des
Flansches ist vorteilhaft durch geeignete Formgebung oder Materialwahl bewirkt.
Falls die Fläche des Mediums und des Verformungsgliedes größer als die wirksame
Fläche des Krafteinleitungsgliedes ist, ist der Flansch mit seiner Fläche zweckmäßigerweise
so bemessen, daß seine Flächengröße zwischen der des Verformungsgliedes und des
Mediums und der des Krafteinleitungsgliedes liegt. Falls die Fläche des Mediums
und des Verformungsgliedes jedoch gleich der Fläche des Krafteinleitungsgliedes
ist, wird der Flansch zweckmäßig durch eine entsprechend geformte Einschnürung im
Krafteinleitungsglied geschaffen.
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In vorteilhafter Weise ist der durch das Medium ausgefüllte Raum
zwischen dem Krafteinleitungsglied und dem Verformungsglied durch vorzugsweise gekehlte
seitliche Aussparungen im Kraftmeßdosengehäuse allseitig so über die wirksame Fläche
des Krafteinleitungsgliedes hinaus erweitert, daß von der Kraftwirkungsrichtung
abweichende Druckkomponenten im Medium nicht auf die die Meßelemente tragende Randzone
des Verformungsgliedes zur Wirkung kommen. Zweckmäßig sind hierbei die seitlichen
Aussparungen vom Kraftmeßdosengehäuse und dem in dieses mit entsprechender Kehlung
übergehenden Verformungsglied begrenzt. Auf diese Weise stützen sich die seitlichen
Druckkomponenten
im Medium auf der Kehlungsfläche ab und haben so
keine Auswirkungen auf die die Meßelemente tragende Randzone des Verformungsgliedes,
wodurch eine Spannungskonzentration in dieser Zone vermieden wird.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, das Krafteinleitungsglied zu Bewegungen
in Kraftwirkungsrichtung befähigt in einer Ausnehmung des Kraftmeßdosengehäuses,
die einseitig durch das Medium und das Verformungsglied abgeschlossen ist, durch
elastische Führungsmittel, vorzugsweise eine Membran, zu führen.
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In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung an Hand von in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert und einer bekannten
Ausführungsform gegenübergestellt. Von den Zeichnungen zeigt Fig. 1 in Schnittdarstellung
ein Ausführungsbeispiel mit Flansch, bei der das elastische Medium und das Verformungsglied
eine größere Fläche als das Krafteinleitungsglied besitzen, Fig. 2 eine Draufsicht
auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform, Fig.3 in vergrößerter Darstellung
einen Ausschnitt aus F i g. 1, F i g. 4 den Kennlinienverlauf der in F i g. 3 dargestellten
Ausführungsform, F i g. 5 in Schnittdarstellung eine bekannte Ausführungsform, F
i g. 6 den Kennlinienverlauf der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform, Fig.7
in Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Flansch,
jedoch gleich großen Flächen für das Krafteinleitungsglied, das elastische Medium
und das Verformungsglied, F i g. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
in Schnittdarstellung ohneFlanschmitunterschiedlichen Flächen des Krafteinleitungsgliedes
und des elastischen Mediums und des Verformungsgliedes.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist ein Gehäuse 1 vorgesehen, vorzugsweise mit kreisförmigem Grundriß, wie in F
i g. 2 gezeigt, das eine Vertiefung2 aufweist, die sich axial ausdehnt und einen
kreisförmigen Querschnitt besitzt, am oberen Ende offen und am unteren Ende durch
eine Membran 3 abgeschlossen ist, wobei die wirksame ebene Fläche der Membran 3
vorzugsweise durch die Bildung einer ringförmigen seitlichen Aussparung3' vergrößert
ist, die einen überhängenden Rand 4 stehenlåßt. Die Bezeichnungen »obere« und »untere«
sowie »nach obene und mach unten« werden nur in einem relativen Sinne gebraucht,
da die Kraftmeßdose in verschiedener räumlicher Lage eingesetzt werden kann. Ein
Krafteinleitungsglied 5 ragt in die Öffnung 2 vorzugsweise mit seitlichem Luftspalt
(Fig. 3). An seinem unteren Ende besitzt das Glied 5 einen Flansch6, der eng, aber
frei gleitend in der Bohrung 2 sitzt. Das Gehäuse 1 und das Rastglieds sind aus
einem geeigneten Material, beispielsweise Stahl, hergestellt.
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Im Raum zwischen dem Glied 5 und der Membran 3 ist ein Druckkissen
7 angeordnet, das aus Gummi oder gummiähnlichem Material besteht. Das Glied 5 ruht
auf diesem Kissen 7 und wird am besten, beispielsweise mit einem geeigneten Kitt,
auf diesem befestigt.
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Das Kissen 7 füllt den vom Glied 5 und den Flächen des Gehäuses umgebenen
Raum vollständig aus.
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Dadurch ist das Material des Kissens genau begrenzt und in der Lage,
eine besondere eigentümliche Druck-
verteilung auf die Membran 3 zu bewirken, wie
später noch näher erläutert wird. Ober- und Unterseite der Membran 3 gehen in das
Gehäuse 1 über, vorzugsweise über Auskehlungen mit Radien r, wie in F i g. 3 gezeigt
ist. Das Maß der Auskehlungen ist derart gewählt, daß die Flächen der Membran 3
sich eben (horizontal) bis zu einer Grenze ausdehnen, die vorzugsweise, aber nicht
zwingend, lotrecht unter der zylindrischen Wand der Öffnung 2 liegt. An der unteren
Membranfläche sind, wie bei 12 angedeutet, zur Lastmessung Dehnungsmeßstreifen aufgebracht.
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Vorzugsweise werden hierfür die bekannten gekitteten elektrischen
Widerstandsdehnungsmeßstreifen verwendet. Sie sind in der Mitte und am Umfang der
Membranfläche 3 angeordnet, so daß sie die Materialdehnung im Mittelteil und die
Materialstauchung am Umfang der Membran erfassen, und in an sich bekannter Weise
elektrisch zusammengeschaltet. Die Meßstreifen sind auf der Membran im wesentlichen
innerhalb einer Fläche, die zur Fläche des zylindrischen Teils der Öffnung 2 ausgerichtet
ist, befestigt. Die elektrischen Zuleitungen 13 für die einzelnen Dehnungsmeßstreifen
sind durch eine Öffnung 14 im Gehäuse geführt. Die Membran 3 ist frei auslenkbar,
da durch entsprechende Gestaltung, vorzugsweise durch eine Aussparung 10 am Unterteil
des Gehäuses, unterhalb der Membran ein freier Raum geschaffen ist. Dieser freie
Raum ist vorteilhaft gleichzeitig ausgenutzt, um die Meßstreifen durch einen geeigneten
Abschluß 15 geschützt unterzubringen. Dieser Abschluß 15 steht in geeigneter, an
sich bekannter Weise durch Lötverbindung oder Schweißverbindung mit dem Gehäuse
in Verbindung. Die Aussparung 10 ist derart bemessen, daß die Unterseite der Membran
vorzugsweise die gleiche Flächengröße bezüglich ihrer geraden ebenen Fläche besitzt
wie die Oberseite. Das Lastglied ist zentrisch durch eine ringförmige Membran 16
geführt, die zweckmäßig mit ihrer Innenkante am Glied 5 befestigt ist und mit ihrer
Außenkante mit dem Gehäuse 1 in Verbindung steht. Während schon die Membran 16 außermittig
aufgebrachten Lasten bis zu einem gewissen Grad entgegenwirkt, erlaubt das Kissen
7, das mit einer Art hydrostatischen Druck arbeitet, dem lastaufnehmenden und -übertragenden
GliedS, sich bei exzentrischer Belastung leicht zu neigen und trotzdem nur eine
im wesentlichen axial gerichtete Kraft auf die gesamte Membranfläche zu übertragen.
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Der durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kraftmeßdose erreichte
hohe Linearitätsgrad und die damit erzielte Verbesserung den bekannten Kraftmeßdosen
gegenüber werden besser verständlich durch einen Vergleich gemäß der Erfindung ausgebildeter
Kraftmeßdosen mit einer bekannten Ausführungsform an Hand der F i g. 3 und 5. Die
ringförmige Aussparung 3' in F i g. 3 läßt einen Auskehlungsradiusr zu, um eine
Konzentration der Beanspruchung der Membran 3 in der Nähe der an ihrem Umfang befindlichen
Meßstreifen 12 zu verhindern und zu veranlassen, daß nur der axiale Druck auf die
ebene Fläche der Membran aufgebracht wird.
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Der Radialdruck im Kissen 7 wird nur auf die Auskehlungsfiächen übertragen
und beeinträchtigt nicht die Lastverteilung auf dem flachen horizontalen Teil D2
(F i g. 3) der Membran. Die am Membranumfang angeordneten Dehnungsmeßstreifen unterliegen
daher nicht den Auswirkungen der Spannungskonzentration in der Auskehlung. Weiterhin
ist es möglich, die
Linearität durch die Stärke und die radialen
Abmessungen des Flansches 6 zu steuern, der eine entsprechende Flexibilität besitzt.
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Die nahe dem äußeren Umfang der Membran 3 zur Messung der Materialstauchung
zufolge der Last angeordneten Dehnungsmeßstreifen haben bei den bekannten Ausführungen
ein wesentlich größeres Verhältnis zwischen der Änderung ihres elektrischen Ausgangs
zu der sie verursachenden Laständerung als die in der Membranmitte zur Messung der
Materialdehnung angeordneten Meßstreifen. Dies ist die Hauptursache für die Nichtlinearität
bei der bekannten Kraftmeßdose. Nach den erfindungsgemäßen übers legungen wird die
Empfindlichkeit (elektrischer Ausgang) und die Linearität der Dehnungsmeßstreifen
bei der erfindungsgemäßen Ausführung sowohl vom Verhältnis T: t als auch vom Verhältnis
D2: Dl (F i g. 3) bestimmt. Auf die Flexibilität des Flansches 6 hat sowohl die
Stärke t als auch die sich aus D2-Dl ergebende Breite des Flansches Einfluß. Die
erforderliche Größe der Steuerung hinsichtlich verschiedener Membranstärken T wird
bestimmt vom Verhältnis T: t als auch D2: D1. Die gewünschte Belastbarkeit der Kraftmeßdose
und die Empfindlichkeit bestimmt T.
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Der Wert von t steuert dann die Ausgangslinearität bei einem spezifischen
Wert von D 2: D1. Das Verhältnis T: t ist vorzugsweise 1,35:1,65 und das Verhältnis
D2: Dl vorzugsweise 1,10:1,30. Wenn eine Membran 20 in der bekannten Weise gemäß
F i g. 5 mit ihren ebenen Flächen direkt im Gehäuse eingespannt ist, wie dort bei
22 gezeigt, dann steigen die Materialbeanspruchungen am Umfang der Membran 20 steil
an, wie bei 23 in F i g. 6 von der Achse 24 bis zu einem Punkt 25. Dies führt zu
einer maximalen Beanspruchung Sc, die am Radius R 1 beginnt, während das Zentrum
der Membran in dem durch den Kurventeil 26 dargestellten Maß mit einer maximalen
Beanspruchung St beansprucht wird. Demgegenüber verläuft die Beanspruchungskurve
bei der erfindungsgemäßen Ausbildung gemäß der Darstellung in F i g. 4. Die radiale
Abmessung des Flansches 6, die durch die Differenz zwischen D2 und D1 dargestellt
wird, verursacht, daß der Radius R2 gemäß F i g. 4 kleiner ist als der Radius1 gemäß
F i g. 6. Mit anderen Worten: Der Radius R2 drängt nach außen, wenn der Durchmesser
D1 sich dem Durchmesser D2 nähert und die Materialbeanspruchung veranlaßt, wie bei
23 in F i g. 6 dargestellt, eine schnellere Zuwachsrate anzunehmen. Dies beweist
die Richtigkeit der erfindungsgemäßen Überlegung, durch Anordnen und geeignete Ausbildung
und Bemessung eines Flansches eine gleichmäßige Beanspruchungsverteilung und damit
eine wesentliche Verringerung der Nichtlinearität zu erreichen. Dieser Effekt wird
ergänzt durch den weiteren Erfindungsgedanken, durch die seitliche Auskehlung 3'
eine vergrößerte ebene Fläche der Membran zu schaffen.
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Eine in Richtung des Pfeiles P in F i g. 1 auf das obere Ende des
Lastgliedes 5 wirkende Last verursacht eine Druckbeanspruchung im Kissen 7 in dessen
ganzem Volumen, wodurch die gesamte Oberfläche der Membran 3 einem Druck unterliegt.
Die Flexibilität des Flansches 6 oder der Membran 3, wie sie beeinflußt wird von
deren durch die Auskehlung bedingter Verlängerung, jedoch verursacht, daß der positive
Druck, der auf die Membran übertragen wird, im mittleren Teil stärker ist als in
der Randfläche, wodurch das Verhältnis der maximalen Beanspruchung
in der Membranmitte
zur maximalen Beanspruchung am Membranrand kleiner ist, als es der Fall wäre. wenn
die Oberfläche der Membran im Sinne der bekannten Ausführung einem gleichmäßigen
hydrostatischen Druck ausgesetzt wäre. Der Flansch 6 bzw. die durch die Auskehlung
bedingte Vergrößerung der Membran 3 stellen somit Mittel dar, die bewirken, daß
die gummiähnliche Wirkung des Kissens den positiven Druck in der vorgeschriebenen
Art überträgt.
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Das an Hand der F i g. 1 bis 4 erläuterte Ausführungsbeispiel der
Erfindung gibt das Erfindungsprinzip wieder. Es ist in weiterem Bereich an die jeweils
gestellten Genauigkeitsanforderungen anpaßbar. Abweichungen von den angegebenen
Verhältnissen, selbst in einem Ausmaß, daß D 2 und D1 im wesentlichen gleich sind,
wie im Fall des in F i g. 8 dargestellten Ausführungsbeispiels, ergeben immer noch
eine Kraftmeßdose, die bessere Eigenschaften besitzt, als die bekannte, in F i g.
5 dargestellte, da die Aussparung 3' die Linearität der Meßdose gegenüber der bekannten
Konstruktion gemäß Fig. 5 verbessert.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 zeigt, wie der flexible Flansch
30 (entsprechend Teil 6 in F i g. 1) durch eine Rille 31 im Lastglied 5 gebildet
wird ohne gleichzeitige Anwendung der Membranvergrößerung durch die Auskehlung.
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Mit den in den F i g. 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen werden
jedoch nicht so gute Ergebnisse erzielt wie bei der Ausführungsform gemäß F i g.
1, wo der flexible Flansch 6 wirksam zusammenarbeitet mit der vergrößerten Fläche
der Membran 3, die durch die Aussparung3' und die ausgekehlten Übergänge zum Gehäuse
1 gebildet wird, wodurch eine Beanspruchungskurve gewährleistet wird, die den Übergang
von Materialdehnung auf Materialstauchung nach innen zum Radius R2 (F i g. 4) hin
verschiebt.
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Dadurch werden die zuvor erwähnten Eigenschaften in optimaler Weise
erzielt.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist eine Kraftmeßdose geringer
räumlicher Abmessungen im Vergleich zu ihrer Belastbarkeit unter Gewährleistung
der erwähnten vorteilhaften Eigenschaften geschaffen.
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Beispielsweise wurde gemäß der Erfindung eine Kraftmeßdose mit einem
maximalen Durchmesser von 16mm und einer Höhe von 9,5 mm für eine normale Belastung
von 230kg und eine Grenzlast von 680 kg hergestellt, die sich durch minimale Hysterese
und hohen Grand an Linearität und Reproduzierbarkeit innerhalb eines halben Prozentes
sowie durch hohe Wirtschaftlichkeit in Herstellung und Wartung auszeichnet.
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Die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele können selbstverständlich
von einem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann im Rahmen des Erfindungsgedankens variiert
werden.