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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kräften unter
Verwendung eines ersten einseitig eingespannten Biegestabes mit einem elektrischen
Wegaufnehmer zur Messung seiner Durchbiegung und eines zweiten dazu parallelen,
ebenfalls einseitig eingespannten Biegestabes, wobei beide Biegestäbe über ihre
freien Enden mechanisch miteinander verbunden sind.
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Es sind bereits Vorrichtungen zum Messen von Kräften unter Verwendung
eines einseitig eingespannten Biegestabes bekannt, wobei die am freien Ende des
Stabes wirkende Kraft zu einer Durchbiegung des Stabes führt, dessen Durchbiegung
über Dehnungsmeßstreifen abgenommen wird. Das Maß der Durchbiegung entspricht der
auf den Stab wirkenden Kraft.
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Mit einer solchen Vorrichtung kann nur ein Meßbereich erfaßt werden,
der bestimmt ist durch die Abmessung des Stabes und die maximal zulässige Durchbiegung
bzw. Ausschlag. Um mehrere Meßbereiche erfassen zu können, wurde bei einem Meßwertgeber
dieser Art bereits venvirklicht, daß am freien Ende des Stabes einander gegenüberliegende
Wendelfedern angeordnet sind, durch die es möglich wird, mit dem gleichen Biegestab
höhere Kräfte zu messen. Der jeweilige Meßbereich ist dann bestimmt durch die Stärke
dieser Zusatzfedern.
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Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß für jeden Meßbereich die
Zusatzfedern ausgetauscht werden müssen. Außerdem können die Meßbereiche nicht stufenlos
eingestellt werden. Es treten Meßfehler auf, wenn die beiden Zusatzfedern nicht
genau die gleichen Kennwerte aufweisen.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art trägt ein erster
der Feinmessung dienender Biegestab einen Dehnmeßstreifen zur Messung seiner Durchbiegung.
Der zweite Biegestab, an dem die zu messende Kraft angreift, muß bis zu einer vorgegebenen
Kraft belastet werden, bis er mit dem ersten Biegestab in Kontakt tritt und eine
Messung vorgenommen werden kann. Es ist also ein erster Lastbereich, in dem nur
der zweite Biegestab zur Wirkung kommt, und ein sich daran anschließender zweiter
Lastbereich vorhanden, bei dem eine Kraftmessung erfolgt. Eine stufenlose Einstellung
des Meßbereichs ist nicht möglich, d. h., es können nur Kräfte von einer bestimmten
Mindestkraft bis zu einer Maximalkraft erfaßt werden.
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Bei einer anderen Vorrichtung zur Ermittlung des Spannungsdehnungszusammenhangs
bei einem Faden ist der Faden zwischen zwei einseitig eingespannten Biegestäben
gespannt, von denen einer durch ein Gewicht belastet wird. Der eine Biegestab dient
hierbei der Messung der am Faden angreifenden Kraft und der andere, an welchem das
Gewicht angreift, der Messung der durch die Kraft bewirkten Längung des Fadens.
Auch hier ist eine stufenlose Einstellung des Kraftmeßbereiches nicht möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese vorgenannten Nachteile
zu beseitigen. Insbesondere sollen die Meßbereiche stufenlos eingestellt werden
können, wobei weiterhin die Forderung besteht, daß in allen Meßbereichen bei der
jeweiligen Maximalkraft die Krümmung des den Wegaufnehmer tragenden Biegestabs stets
die gleiche ist.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einspannstelle des zweiten Biegestabes in
an sich bekannter Weise stufenlos in Längsrichtung des
Stabes veränderbar ist und
die beiden freien Enden der Stäbe mit einem sie verbindenden Querstab verbunden
sind.
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Bei einem einseitig eingespannten Biegestab ist es an sich bekannt,
zum Zwecke der Veränderung des Meßbereichs die Einspannstelle stufenlos zu verändern.
Hierbei läßt sich jedoch nicht verwirklichen, daß in allen Meßbereichen bei der
jeweiligen Maximalkraft die Krümmung des Stabes stets die gleiche ist, so daß bei
einer Abnahme mittels Dehnmeßstreifen für jeden Meßbereich eine andere Kennlinie
gültig wäre.
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Die variable Einspannstelle bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
des zweiten Biegestabes wird vorzugsweise durch längsverschiebbare Klemmbacken gebildet.
Der zweite Biegestab besteht hierbei vorzugsweise aus einem Federblatt, dessen Breite
über seine Länge veränderlich ist. Auf diese Weise ist es möglich, der Meßbereichsskala
die gewünschte Einteilung zu geben. So kann beispielsweise die Meßbereichsskala
im Bereich kleiner Kräfte stark gedehnt werden. Es ist jedoch auch möglich, der
Skala durch entsprechende Formgebung des Federblattes einen linearen Verlauf zu
geben. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, dem Federblatt die Form eines Rhombus
zu geben. Damit die Bereichswerte im Bereich hoher Kräfte nicht zu nahe beieinanderliegen,
ist es möglich, die das freie Ende des rhombischen Federblattes bildenden Seiten
konkav zu krümmen, vorzugsweise nach einer Parabelfunktion.
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Die freien Enden der Biegestäbe sind über einen Querstab miteinander
verbunden. Hierbei ist zu beachten, daß die Verbindungsstellen spielfreie Gelenke
darstellen. Bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen kann der erste Biegestab einen
den Biegebereich darstellenden geschwächten Querschnitt aufweisen, an dem die Dehnungsmeßstreifen
angeordnet sind, während der übrige Teil des Stabes gegen Biegung starr ausgebildet
ist.
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
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F i g. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht den Aufbau der Meßvorrichtung;
F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele des zweiten Biegestabes und der Meßbereichseinteilung.
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In F i g. 1 ist Teil 1 der erste Biegestab, der bei 3 einseitig eingespannt
ist. An seinem freien Ende trägt er eine Einhängevorrichtung 5. Parallel zu diesem
ersten Biegestab ist ein zweiter Biegestab 2 angeordnet, dessen Einspannstelle durch
die Klemmbacken 8 gebildet wird. Die freien Enden der beiden Biegestäbe sind über
einen Querstab 7 miteinander verbunden.
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Die Gelenke 9 dieser Verbindungsstellen müssen spielfrei ausgeführt
sein. Die Angriffsrichtung der zu messenden Kräfte ist durch die Pfeile 6 dargestellt.
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Die Klemmbacken 8 sind in Längsrichtung des Biegestabes 2 verstellbar.
Entsprechend der geklemmten Stellung ist die zu messende Maximalkraft bestimmt.
Der Aufbau sollte so ausgeführt sein, daß die Durchbiegung des Gebildes 1, 2 in
erster Linie bestimmt ist durch den Biegestab 2. Der Anteil des Biegestabes 1 am
Gesamtbiegeträgheitsmoment ist also auch bei der Messung kleiner Kräfte geringer
als der Anteil des Biegestabes 2. Der Biegestab 1 weist einen geschwächten Querschnitt
10 auf, welcher den Biegebereich darstellt, und an dem die Dehnungsmeßstreifen 4
aufgeklebt sind. Der übrige Teil des Biegestabes 1 ist durch Sickenl2 oder durch
Umbiegen
seiner Ränder 11 versteift und so gegen Biegung starr ausgebildet.
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Durch geeignete Wahl des Biege-Trägheitsmomentes des Biegestabes
2 kann die Einteilung der Meßbereiche entsprechend gewählt werden. Durch eine Einstellmarke
an den Klemmbacken kann der eingestellte Meßbereich an einer Skala 9 abgelesen werden.
Bei der Verwendung eines Federblattes als Biegestab kann das Federblatt die Form
eines Rhombus aufweisen, wodurch sich etwa eine Skaleneinteilung ergibt, wie sie
in F i g. 1 dargestellt ist. Eine Spreizung der Skala im Bereich der hohen Meßwerte
läßt sich erreichen, wenn die das freie Ende des rhombischen Federblattes bildenden
Seiten konkav gekrümmt sind, wie dies die Form III in F i g. 3 zeigt.
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Die Meßwertsbereiche im Bereich hoher Meßwerte liegen um so enger
beieinander, je mehr sich das freie Ende einer Rechtecksform annähert. In jedem
Fall sollte das Federblatt 2 sich in Richtung auf die Einspannstelle im Gehäuse
zu verjüngen, damit die Skala im Bereich kleiner Meßwerte nicht zu stark gedehnt
wird.
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Zur Festlegung der Skala bedient man sich der Durchbiegeformel für
den einseitig eingespannten Träger. Diese lautet fma. r = PmaX I. 3/3 EJ.
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Falls der Träger Rechtecksform aufweist, verläuft die Skala nach
der Formel PP = const.
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Die Form dieses Trägers ist in Fig.3 mit I bezeichnet und der Skalenverlauf
inF i g. 2 ebenfalls mit I.
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Falls ein dreiecksförmiger Träger verwendet wird, folgt die Skala
der Formel pl2 = const.
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In F i g. 2 und 3 ist dies mit II bezeichnet.
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Für die Skala gilt allgemein Pl3/J= const., wobei bei veränderlichem
Querschnitt J=J(b)=J(i) ist.
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Für die Arbeitsweise erweist es sich als vorteilhaft, wenn das die
Meßvorrichtung aufnehmende Gehäuse gleichzeitig die Abgleichelemente für den elektrischen
Nullpunkt des Meßwertgebers enthält. rBei einer praktisch ausgeführten Vorrichtung
der vorgenannten Art kann ohne weiteres ein kontinuierlicher Verstellbereich von
etwa 1 : 100 erfaßt werden. Die zu messenden Kräfte werden wegarm
erfaßt, d. h.,
die Durchbiegung beträgt bei jedem Meßbereich etwa + 2 mm bei jeweils maximaler
Belastung in diesem Bereich.