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Ringförmiger Federkörper zum Anbringen von Dehnungsmeßstreifen für
eine elektrische Kraftmeßdose Als Federkörper für Kraftmeßdosen sind Stahlzylinder
bekannt, die stirnseitig belastet werden.
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Dehnungsmeßstreifen sind auf ihrer Mantelfläche angebracht. Diese
bekannten Federkörper bedürfen einer bestimmten Mindestlänge, damit die Dehnungsmeßstreifen
in einer Zone möglichst störungsfreier Längsdehnung angebracht werden können. Dieser
Umstand führt zu verhältnismäßig großen Bauhöhen der Kraftmeßdosen, die ihre Anwendungsmöglichkeiten
begrenzen. Um die Messung fälschende Querkräfte vom Meßkörper abzuhalten, muß dieser
bei der bekannten Ausführungsform durch Membranen in einem massiven Kraftmeßdosengehäuse
abgestützt werden. Diese Bauweise ist aufwendig und kostspielig.
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Es sind auch Kraftmeßdosen bekannt, deren Meßkörper selbst eine Membran
darstellt. Die Durcpbiegung der Membran wird mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen in
elektrische Signale umgewandelt.
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Diese Art der Meßkörper ist an sich unempfindlich gegen Querkräfte
und hat auch eine geringe Bauhöhe. In die Verformung der Dehnungsmeßstreifen geht
jedoch nicht nur die radiale Längsdehnung der Membran ein. Das aus dem Dehnungsmeßstreifen
gewonnene elektrische Signal ist deshalb nicht streng proportional der Belastung.
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Es sind auch Meßkörper bekanntgeworden, die nach dem Prinzip des
Biegebalkens arbeiten. Durch die Art und Weise der Einspannung und der Lasteinleitung
wird bei diesen Biegebalken erreicht, daß sich der Lasteinleitungspunkt nur parallel
zur Lastangriffsfläche bewegen läßt. Die bisher bekanntgewordenen Bauformen von
Balkenmeßkörpern eigneten sich jedoch nicht für größere Lasten.
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Es ist auch ein Federkörper bekannt, der aus einem Nabenteil und
mit diesem durch Speichen verbundenen Kranzteilen besteht. Die Speichen sind bei
dieser bekannten Anordnung Träger der Dehnungsmeßstreifen. Abgesehen von Schwierigkeiten
bei der Herstellung, die ein derartiger Federkörper bietet, sind auch die mit Dehnungsmeßstreifen
ausgerüsteten Speichen nicht nur auf Biegung beansprucht. Es tritt vielmehr auch
eine Zugbeanspruchung der Speichen auf, weil im Belastungsfall die verformten Speichen
sich zu verkürzen suchen und sowohl der äußere Kranz als auch die Nabe des Rades
festgehalten werden. Es ist bei Federkörpern für Kraftmeßzwecke jedoch anzustreben,
eine Überlagerung und damit gegenseitige Beeinflussung von verschiedenen Spannungszuständen
zu vermeiden.
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Bei einem anderen radförmigen Federkörper, der bekanntgeworden ist,
wird die bei Belastung in tan-
gentialer Richtung erfolgende Biegung des Kranzes
als Meßeffekt ausgenutzt. Neben der reinen Biegebeanspruchung tritt dabei auf Grund
der Tangentialkräfte im Radkranz ebenfalls eine Zugbeanspruchung zusätzlich auf.
Auch bei diesem bekannten Federkörper ist also eine unerwünschte Überlagerung verschiedener
Beanspruchungsarten vorhanden.
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Weiter ist eine ringförmige Meßfeder bekannt.
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Durch in Umfangsrichtung abwechselnd auf der Ober- bzw. Unterseite
angreifenden Last bzw. Auflagerkräfte wird diese Meßfeder in tangentialer Richtung
auf Biegung beansprucht. Gleichzeitig treten aber auch hier Tangentialspannungen
auf, so daß an den Stellen, an denen Dehnungsmeßstreifen angebracht sind, keine
homogene Dehnungsverteilung vorliegt.
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Es ist auch ein Dehnungskörper bekanntgeworden, dessen Federelement
aus zwei sich in axialer Richtung ausdehnenden Dehnungsrändern besteht, die über
ihren Umfang mit einem Widerstandsdraht bewickelt sind. Einschnitte in diesen Rändern
in axialer Richtung verbessern dabei die Dehnungsfähigkeit.
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Das bei dieser Einrichtung angewendete Meßprinzip stimmt jedoch nicht
mit dem bei Dehnungsmeßstreifen angewendeten überein.
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Weiter ist eine Kraftmeßdose bekannt, deren Meßkörper aus einer Scheibe
besteht, die ein in radialer Richtung nach einer bestimmten Funktion verlaufendes
Profil aufweist. Dabei ist die Kreisplatte bei Belastung Tangential- und Radialspannungen
unterworfen. Neben der Biegebeanspruchung ist eine reine Zugbeanspruchung in radialer
Richtung zu erwarten, weil sich der Radius der Platte bei ihrer Durchbiegung zu
verkürzen sucht, wobei der äußere Rand der Platte festgehalten wird. Auch dieser
Meßkörper ist
demnach einer unerwünschten Überlagerung verschiedener
Spannungszustände unterworfen.
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Ein ringförmiger Federkörper zum Anbringen von Dehnungsmeßstreifen
für eine elektrische Kraftmeßdose vorzugsweise zum Messen großer Kräfte, ist gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ring, wie an sich bei einem kreispiattenförmigen
Federkörper bekannt, ein aus zwei durch einenbiegeelastsichen Steg miteinander verbundenen
biegesteifen Teilen bestehendes Profil aufweist und durch radiale Einschnitte in
eine Vielzahl Dehnungsmeßstreifen tragende und unter Belastung eine S-förmige Biegelinie
annehmende Biegebalken aufgelöst ist.
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Durch die Anordnung der Radalschlitze ist der Federkörper nach der
Erfindung von jeglicher Beanspruchung durch Tangentialspannungen befreit Außerdem
sind die BeIastungs- und Auflagerpunkte auf gleichem Radius angeordnet. Die durch
die Schlitze entstandenen einzelnen Segmente des äußeren Randes können also im Belastungsfall
bei Verkürzung der einzelnen Biegebalken frei nach innen ausweichen. Auf die Biegebalken
wirken deshalb keine Zugspannungen ein. Der Federkörper nach der Erfindung ist auch
verhältnismäßig einfach herzustellen. Das Profil des Ringes kann beispielsweise
durch Drehen erzeugt werden. Die Schlitze können eingesägt oder gefräst sein.
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Der Ring kann vorzugsweise mit einem in axialer Richtung offenen
U-Profil versehen sein. Entlang dem Ringumfang können radiale Einschnitte derart
verteilt sein, daß auf einen den einen Schenkel und den Steg des U-Profils radial
durchschneidenden und bis an den anderen Schenkel des U-Profils heranreichenden
Einschnitt immer zwei den letztgenannten Schenkel und den Steg radial durchschneidende
und bis an den erstgenannten heranreichende Einschnitte folgen. Auf den zwischen
den zwei aufeinanderfolgenden Einschnitten sich erstreckenden Stegsegmenten sind
Dehnungsmeßstreifen angebracht.
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Mit Hilfe des Federkörpers nach der Erfindung können auch sehr große
Kräfte gemessen werden, weil die Meßkraft auf eine Vielzahl symmetrisch angeorodneter
Biegebalken verteilt wird. Dabei kommt der neue Federkörper mit einer äußerst niedrigen
Bauhöhe aus. Durch die Aufteilung des Federkörpers in viele einzelne Biegebalken
ist die Möglichkeit gegeben, auch viele Dehnungsmeßstreifen anzubringen. Damit erhöht
sich auch die Meßeffektleistung, die von einer einzelnen Kraftmeßdose aufgebracht
werden kann. Außerdem kann bei geeigneter Dimensionierung des Stegprofils z. B.
mit einer Meßspannung von größer als 2 mV/V gerechnet werden. Auf Grund seiner Bauweise
ist der neue Federkörper ideal symmetrisch. Damit ergibt sich eine große Unempfindlichkeit
gegen Querkräfte und unsymmetrische Lasteinleitung. Zur Aufnahme von Querkräften
sind keine besonderen Membranen mehr erforderlich. Die symmetrische Bauform beeinflußt
auch die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen in günstiger Weise.
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Es ist zweckmäßig, bei dem Federkörper nach der Erfindung die freien
Enden der die Dehnungsmeßstreifen aufnehmenden Stegsegmente dem Innern des Ringes
zuzukehren.
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Die zu messende Kraft kann mit Hilfe eines an einer Stirnseite gezahnten
Lasteinleitungsteiles auf die freien Enden aller Dehnungsmeßstreifen tragende Stegsegmente
verteilt werden. Entsprechend kön-
nen die zwischen den freien Eden der die Dehnungsmeßstreifen
tragenden Stegsegmente liegenden Schenkelsegmente des U-Profils sich auf ein an
einer Stirnseite gezahntes Lagerteil abstützen. Diese beiden Teile können, um eine
einwandfreie Verbindung mit dem Federkörper herzustellen, fugenlos, beispielsweise
durch Hartlötung, mit den Auflagestellen auf dem Federring verbunden sein. Eine
besondere, der Lasteinleitung dienende Kugelkalottenfläche ist so innerhalb des
Lasteinleitungsteiles angeordnet, daß die Lasteinleitung etwa in der Ebene der neutralen
Fasern der als Biegebalken wirkenden Stegsegmente möglich wird. Zwischen dem Lasteinleitungsteil
und dem Lagerteil kann auf einfache Weise eine Überlastsicherung angeordnet sein.
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Im einzelnen können die die Dehnungsmeßstreifen aufnehmenden Stegsegmente
ungefähr doppelt so breit sein wie der Abstand von den einem Stegsegment auf beiden
Seiten am nächsten liegenden radialen Einschnitten. Der Steg des Meßprofils kann
so ausgebildet sein, daß er von einer schwächsten Stelle in seiner Mitte ausgehend
nach den Schenkeln des Profils zu stetig stärker wird. Sowohl die Schenkel des U-Profils
als auch die Übergangsstelle des Meßprofilsteges in die Schenkel werden zweckmäßig
so verstärkt, daß sie praktisch biegesteif sind.
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Auf im Umfangs sinn einander folgenden Stegsegmenten können die Dehnungsmeßstreifen
abwechselnd so angebracht sein, daß sie in radialer Richtung einmal innen bzw. außen
bezüglich der schwächsten Stelle des Steges liegen und auf diese Weise bei Beanspruchung
dem Betrag nach etwa gIeich große, demVorzeichen nach aber verschiedene Dehnungen
erfahren.
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Die Erfindung wird an Hand von sieben Figuren, die ein Ausführungsbeispiel
darstellen, näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen ringförmigen Federkörper 1 in einer Draufsicht.
Das beim dargestellten AusführungsbeispieI U-förmige Profil ist in der Querschnittsdarstellung
nach F i g. 2 leicht zu erkennen. Nach je einem von außen bis an einen inneren Schenkel
2 des U-förmigen Profils heranreichenden Einschnitt 3 folgen zwei vom Ringinneren
bis an einen äußeren Schenkel 4 des U-förmigen Profils heranreichende radiale Einschnitte
5. Auf einem von den radialen Einschnitten 5 begrenzten Stegsegment 6 sind Dehnungsmeßstreifen
7 angeordnet Der Steg des U-förmigen Profils verläuft von einer schwächsten Stelle
8 stetig stärker werdend in Richtung der Schenkel 2 und 4. Die Übergangskurve kann
bei a und ß parabelähnlich gestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel wurde sie durch
Geradenstücke ersetzt. Dadurch liegen die Umkehrstellen der Drahtwicklung der Dehnungsmeßstreifen
auf Gebieten mit reduzierter Materialdehnung. Die Dehnungsmeßstreifen 7 sind auf
einander folgenden Stegsegmenten 5 so angeordnet, daß sie abwechselnd innen bzw.
außen von der schwächsten Stelle des Steges liegen. Die radialen Einschnitte 3 und
5 teilen den Ringkörper in viele Mehrfachbiegebalken auf, dadurch werden tangentiale
Materialspannungen, die einen unkontrollierbaren Einfluß auf die Dehnungsmeßstreifen
haben könnten, weitgehend abgebaut. Je größer die Zahl der Einschnitte ist, desto
weniger Einfluß wird von den restlichen Tangentialspannungen ausgehen.
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Mit Hilfe der durch die Biegebalkenaufteilung gesteigerten Anzahl
von Dehnungsmeßstreifen kann
beispielsweise bei gleicher Materialbeanspruchung
wie bei einer der bekannten Kraftmeßdosen mit zylindrischem Meßkörper eine um ungefähr
den Faktor 1,5 Streifenzahl der Segmentdose Streifenzahl der Zylinderdose größere
Spannung bzw. Meßleistung entnommen werden. Bei hochgenauen elektrischen Waagen
sind die Fehler möglichst klein zu halten. Die gesteigerte Meßleistung vergrößert
den Störabstand. Deshalb macht der neue Meßkörper den Bau von hochgenauen elektrischen
Waagen möglich. Auch an die Anwendung von Gleichspannungsmeßverfahren ist dabei
zu denken.
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In F i g. 3 ist eine Kraftmeßdose dargestellt, in der der Federkörper
nach der Erfindung verwendet ist Auf den Federkörper wirkt ein Lasteinleitungsteil
9 ein, das in den F i g. 4 und 5 in einer Draufsicht bzw. einem Querschnitt ausführlich
dargestellt ist. Der Federkörper 1 stützt sich auf ein Lagerteil 10 ab.
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Dieses Lagerteil ist in den Fig. 6 und 7 in einer Draufsicht bzw.
einer Schnittdarstellung gezeigt. An den Stellen 11 und 12 sind Lötverbindungen
zwischen dem Federkörper und dem Lasteinleitungsteil 9 bzw. dem Lagerteil 10 zu
erkennen. Die Verlötung kann als sogenannte Schutzgasverlötung vorgenommen werden.
Mit ihrer Hilfe ist der Federkörper mit dem Lasteinleitungsteil bzw. dem Lagerteil
fugenlos verbunden. Infolge der Schutzgaslötverbindung können größere Toleranzen
in der Bearbeitung der einzelnen Teile hingenommen werden. Mit 13 ist die strichpunktiert
dargestellte neutrale Federkörperebene bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß eine
im Lasteinleitungsteil 9 gelagerte Kugelkalottel4 mit ihrer Belastungsfläche ungefähr
in der neutralen Meßfederebene liegt. Auf der Kugelkalotte 14 liegt ein Lasteinleitungsdruckstück
15 auf. Ein Schutzgehäuse 17 das durch einen Schutzgehäusedeckel 18 abgedeckt ist,
schließt die Druckmeßdose nach außen hermetisch ab. Die Verbindung zwischen dem
Deckel 18 und dem Lasteinleitungsteil 9 ist durch eine Rollmembran 16 hergestellt.
Die zuletzt genannten Teile des Gehäuses haben keinerlei tragende oder Querkräfte
aufnehmende Funktion. Sie dienen lediglich dem hermetischen Abschluß der empfindlichen
Dehnungsmeßstreifen von der Außenatmosphäre. Ein Luftspalt 19 zwischen dem Lagerteil
10 und dem Lasteinleitungsteil 9 dient als Überlastsicherung.
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Wenn sich die einzelnen Stegsegmente des Ringteiles 1 so weit durchbiegen,
daß der Lasteinleitungsteil auf dem Lagerteil aufsitzt, wird der Federkörper nicht
mehr weiter belastet.
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Der Federkörper nach der Erfindung läßt sich außer in dem dargestellten
Beispiel gleichermaßen für Zugkraftmessungen, Druckkraftmessungen und Kraftabweichmessungen
einsetzen. Es sind dazu nur geringfügige Änderungen in den Lasteinleitungsteilen
vorzunehmen. Sollten überdies andere konstruktive Gesichtspunkte von Bedeutung sein,
kann das hier verwendete U-Profil selbstverständlich auch zweckentsprechend abgewandelt
sein.