DE2026522A1

DE2026522A1 - Lastzelle

Info

Publication number: DE2026522A1
Application number: DE19702026522
Authority: DE
Inventors: Eric Belmont Mass Laimins (V St A ) M
Original assignee: BLH Electronics Inc
Current assignee: BLH Electronics Inc
Priority date: 1969-06-02
Filing date: 1970-05-30
Publication date: 1971-03-04
Also published as: GB1284953A; FR2049778A5; NL7007950A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kraft- oder Lastmeßgeräte von der Art, bei denen auf Last ansprechende, spannungsempfindliche Elemente verwendet werden, die mit elektrischen Spannungsmeßeinrichtungen verbunden sind. Gemäß' einem speziellen Aspekt bezieht sieh die Erfindung auf eine neuartige und vorteilhafte, auf Scherspannungen ansprechende, miniaturisierte Präzisionslastzelle von einem im wesentlichen monolithischen Aufbau, der billig herzustellen ist, wobei in dieser Zelle durch die blinden Enden bestimmter Bohrungen, die das Lastfühlelement in Scherabschnitte unterteilen, eine Abdichtung erzielt wird und zwar ohne Beeinträchtigung der Empfindlichkeit.

Bei Vorrichtungen dieser Art werden die mechanischen Spannungen, die in einem lastempfindlichen Bauteil durch eine aufgebrachte Last erzeugt werden, durch befestigte elektrische Spannungsmeßstreifen gemessen, wie beispielsweise durch elektrische Widerstandsdrähte, die an dem lastempfindlichen. Bauteil befestigt werden und die elektrisch zu einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung zusaminengeschaltet sind. Die Ausgangssignale dieser Briickenschaltung kennzeichnen die Last, wenn diese Ausgangssignale

als

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als Ablesewerte am zugeordneten elektrischen Gerät dargestellt werden, wie beispielsweise an Anzeigegeräten oder an Aufzeichnungsgeräten. Bei einigen Lastzellkonstruktionen erleidet der elastisch deformierbare Fühlabschnitt hauptsächlich ßiegedeformationen, während bei anderen Lastzellen, wie beispielsweise denen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, die aufgebrachte Last oder Kraft, die gemessen werden soll, auf einen starren Träger mittels Abschnitten übertragen wird—, die sich hauptsächlich durch eine elastische Scherung deformieren. Obwohl Scherabschnitte von Lastzellen auf verschiedene Art hergestellt werden können, besteht eine vorteilhafte Arbeitsweise, die die erforderlichen dünnen und deformierbaren Abschnitte in einem Lastaufnahmeglied erzeugt, darin, verschiedene, in dichtem Abstand voneinander angeordnete Bohrungen in diesem Element auszubilden, wie es beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 037 178 dargestellt und beschrieben ist. Diese Anordnung ist speziell dann vorteilhaft, wenn die elektrischen Spannungsmeßstreifen, die innerhalb ,der Bohrungen angeordnet sind, in einfacher V/eise durch Schutzmemforanen geschützt werden können. Derartige Membranen sind vorzugsweise dünn genug, um einen Nebenschluß der Last, die gemessen werden soll, auszuschalten. Diese Membranen sind im allgemeinen angeschweißt, um eine strukturelle Einheit sicherzustellen. Der Einbau der Membranen und insbesondere der Einbau von kleinen kappenartigen Membranen für jede der Bohrungen benötigt offensichtlich einen erheblichen Anteil der Produktionszeit und es ist sehr viel Erfahrung erforderlich und ferner ist es schwierig/ gleichförmige Schal1-verschweißungen zu erhalten. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen von bestimmten. Zellen sind die Stellen für bestimmte Verschüre ißungen unzugänglich unö öle Not»

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wendigkeit derartiger Verschweißungen führt zu einer großen Erschwerung bei der Auslegung.

Durch die Erfindung wird gemäß einem ihrer Aspekte eine kompakte Scherlastzelle geschaffen, die einen verhältnismäßig massigen Lastaufnahmeabsclmitt aufweist und die Zelle ist unterteilt in einen Bauteil, der radial sich erstreckende Schcrabschnitte aufweist und zwar durch eine ringförmige Anordnung von Bohrungen, die blind sind oder integral geschlossen und zwar an den Stellen, die gerade unter dem Lastaufnahmeabschnitt liegen, wobei die Bon- % rung en parallel zur Belastungsaeh.se angeordnet sind und es sind Bohrungen vorgesehen, die lediglich einen relativ dünnen Endverschluß belassen, Spannungsmeßeinrichtungen sind innerhalb dieser Bohrungen angeordnet und, sind teil-Aveise durch die geschlossenen Enden der Bohrungen abgedichtet und zum anderen Teil durch einen größeren Deckel, der alle die Bohrungen überspannt und zwar an einer Stelle, die im Abstand von den offenen Enden der Bohrungen liegt und dadurch wird die Notwendigkeit der Verwendung der üblichen Membranen ausgeschaltet.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Scherbe- a lastungszelle zu schaffen, die verhältnismäßig billig und wirtschaftlich im Aufbau ist, wobei die Kompaktheit und die strukturelle Einheit durch Blindbohrungen in neuartiger Weise verbessert werden, wobei diese Blindbohrungen das Lastübertragungselement in auf Scherbelastungen ansprechende Abschnitte unterteilt und wobei diese Blindbohrungen von selbst abgedichtet sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neue und in vorteilhafter "Weise abgedichtete Lastzelle für Scherbeanspruchungen zu schaffen, bei der Membranen und Ver-

schweißuuircii 10 9 810/14 06 . ~ ~ —

BAD ORtCHNAL

schweißungen dieser Membranen nicht erforderlich sind, wobei die Massigkeit beibehalten werden kann und zwar durch die Verwendung von Blindbohrungen bei der Herstellung von Scherabschnitten im deformierbaren Element.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

und
Fig, 2 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 2-2 der Fig. 1.

Es sei zuerst auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Lastzelle Io ist gemäß der Erfindung aufgebaut und weist einen im wesentlichen massiven Bauteil 12 aus einem entsprechenden, bei Auftreten von Spannungen elastisch deformierbaren Material, wie beispielsweise Stahl, auf. Der Hauptbauteilkörperabschnitt dieses Bauteils hat im wesentlichen eine zylindrische Form und ist derart bearbeitet, daß dieser einen axial sich erstreckenden, in der Mitte angeordneten Lastaufnahmeabschnitt 14 bildet. Ein konischer Umfangsflansch 16 ist um die obere Kante des Bauteilkörpers herum angeordnet. Der dargestellte starre Lastaufnahmeabschnitt 14 ist verhältnismäßig groß und weist einen halbkugclförmigen Hohlraum 18 auf, der mit Universalsitz eine nicht dargestellte Stahlkugel oder dergleichen aufnimmt, über die eine Last oder eine Kraft, die gemessen werden soll, in Uichtung des Pfeils P übertragen werden kann. Die nach abwärts gerichtete Schubrichtung dieser Kraft wird im allgemeinen entlang der senkrechten Mittelachse 15-15 konzentriert. Ein starrer konzentrischer äußerer Lastaufnahmeabschnitt 12 mit

einem

einem im allgemeinen ringförmigen Aufbau ist integral mit . dem Lastaufnahmeabschnitt 14 der Zelle verbunden und zwar durch eine Anzahl von sich im wesentlichen radial erstreckenden, auf Scherspannungen ansprechenden Abschnitten 20. Bei der Darstellung in Fig. 2 sind vier derartige Abschnitte gezeigt. Es sei jedoch bemerktj daß eine andere Anzahl bei anderen Zellen vorgesehen sein kann.

Die auf Scherbelastungen ansprechenden Abschnitte 20 werden vorzugsweise so hergestellt daß im Winkelabstand von- % einander angeordnete, axial sich erstreckende Blindbohrungen 22 im Bauteilkörper ausgebildet werden und zwar von dem unteren nach innen ausgesparten Ende 24 der Lastzelle. Die Bohrungen 22 werden vorzugsweise bis zu einer vorbestimmten Tiefe ausgebohrt, wodurch eine verhältnismäßig dünne, scheibenartige Membran 26 aus Stahl bestehen bleibt, die ganzteilig mit dem Bauteil 12 ausgebildet ist. Jeder Meinbranabschnitt 26 schließt das obere Ende der zugeordneten Bohrung 22 ab. Die verhältnismäßig schmalen Materialabschnitte, die zwischen den Bohrungen 22 verbleiben, bilden die auf Scherbelastungen ansprechenden Abschnitte 20. Die schmälsten,der Scherbelastung ausge- g

setzten Teile dieser Abschnitte liegen längs der Linien 20, die sich zwischen den Mitten der Bohrungen 22 erstrekken. Eine typische Zelle, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, kann einen Außendurehmesser von etwa 2 Zoll haben, Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 0,375 Zoll und eine Bohrungstiefe von etwa 1 Zoll und ferner eine Dicke von etwa 0,1 Zoll für die integralen Membranen 26. -

Dehnungsmesser oder Spannungsmesser 30, die in Fig. 1 als aufgeWefote,an sich bekannte elektrische Widerstandsdrähte dargestellt sind, sind in jeder der Bohrungen 22 angeordnet und sind mit den Seitenwandungen der Scherabschnitte

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verbunden und zwar etwa an den schmälsten Stellen. Die Delmungsdrähte verlaufen im allgemeinen lung« Achsen, die unter Winkeln von etwa 45 gegenüber der Ausdehnungsrichtung der Bohrungen liegen. Diese Dehnungsmeßstreifen sind in bekannter Weise derart ausgebildet, daß diese auf Scherspannungeu ansprechen und auf diese Weise die Belastungskräfte charakterisieren, die gemessen werden sollen. Vorzugsweise sind alle Dehnungsmeßstreifen 30 in etwa der gleichen Iiöhe in dem auf Spannungen ansprechenden Bauteil 12 angeordnet, d.h. diese Dehnungsmeßstreifen sind in Richtung der aufgebrachten Kraft oder Last um die gleiche Strecke von der Stelle 18 entfernt angeordnet, wo die Kraft aufgebracht ist., Ferner befinden sich alle Dehnungsmeßstreifen 30 etwa im gleichen radialen Abstand von der Achse 15-15 des Bauteilkörpers 12 entfernt und sind im gleichen Abstand um die vertikale Achse 15-15 herum angebracht. Eine Verbindung der Den- , nungsmeßstreifen in einer an sich bekannten Wheatstone¹ sehen Brücke erfolgt mittels nicht dargestellter Drähte, die sich durch die Bohrungen 22 nach unten erstrecken können und die durch den Raum unterhalb der Unterseite des llauptkörperbabschnitts hindurchgeführt sind und zwar zu einer Mittelbohrung 32, die axial im Lastaufnahmeabschnitt 14 angeordnet ist. Dann werden die Drähte durch eine radiale Bohrung 34 zu einem Anschlußstück hin geführt. Änderungen der elektrischen Widerstandswerte der Meßstreifen, die auf Spannungen ansprechen, die durch eine Last erzeugt werden, bewirken, daß die Last durch Ausgänge der elektrischen Anlage gekennzeichnet wird, wie beispielsweise mittels eines direkt ablesbaren Anzeigegeräte oder mittels eines Aufzeichnungsgeräts.

Der äußere zylindrische Körperabschnitt 12 der Zelle kann auf irgendeiner flachen Oberfläche sitzen, die eine Last

aufnehmen"

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aufnehmen kann. Es können dabei Itcakt ionskräf to auftreten, die durch die Pfeile P' gekennzeichnet sind. Wie Fig. 1 zeigt, ist der untere Abschnitt des Bauteilkörpers mit einem Gewinde versehen, damit die ^eIIe in einem Fuß befestigt werden kann, wie er beispielsweise an den Ecken einer Mehrfachzellenplattformwaage vorgesehen sein kann, -^ine Bohrung 36 mit einem Durchmesser, der größer ist als die Entfernung zwischen den äußeren radialen Kräften der diametral gegenüberliegenden Bohrungen 22, ist in der Basis 24 vorgesehen. Biese Bohrung bildet eine Schulter 38. Diese Bohrung dient dazu, ein elastisches Abstandhaiteelement 40 aus Silikongummi oder dergleichen aufzunehmen oder vp alternativ einen Platz freizulassen, durch den verhindert wird, daß der Lastaufnahmeabschnitt 14 und der Scherabschnitt 20 gegen einen unteren Trägeraufbau anliegen können. Ein Deckel 42 kann mittels einer Verschweißung oder auf andere Weise am äußeren zylindrischen Abschnitt 12 befestigt werden und dient dazu, um die Meßblindbohrungen 22 zu schützen. Vortoilhafterweise sollte dieser Deckel, anstatt dünn und membranartig gestaltet zu sein, relativ steif sein.

Der konische Umfangsflansch 16 kann in einem entsprechend geformten Bauteil sitzen, um entweder eine Hauptkörperhaltorung zu bilden oder um eine Universalverbindung mit einem derartigen Bauteil zu bilden, der normalerweise etwas im Abstand angeordnet ist, der sich jedoch anlegen •kann, wenn die Zelle frei von einer zugeordneten Plattform oder dergleichen herunterhängt. Andere Zellenaufbauten können gemäß der Erfindung vorgesehen sein, die Blindbohrungen aufweisen, wobei diese Blindbohrungen ausgebohrt sind oder in anderer V.^reise genau geformt sind, um integrale dünne Verschlüsse zu hinterlassen, die nicht in abträglicher V/eise die gewünschten Deformationen der

Meßelemente 10981Π/1Λ08

■.ν-■«■'■ BAD ORIGINAL

Meßeleraente nachteilig beeinflussen.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dali zahlreiche Abänderungen und Zusätze und Austauschmanipulationen vorgenommen werden können, die für den Fachmann selbstverständlich sind und die im Rahmen der Erfindung liegen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Lastzelle, gekennzeichnet durch im wesentlichen konzentrisch angeordnete, innere und äußere starre Abschnitte eines einzelnen integralen Bauteilkörpers aus einem Material, welches einen relativ hohen Elastizitätsmodul aufweist, wobei diese Abschnitte konzentrisch angeordnet sind und radial im Abstand voneinander um eine Achse herum angeordnet sind, die sich im allgemeinen in der Rich- j tung der aufgebrachten Last erstreckt, wobei diese Teile als Lastaufnahme- und Lasttragabschnitte der Zelle dienen und wobei der mittlere Abschnitt, des Baukörpers zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt und integral mit diesen, Abschnitten über eine Anzahl von radial sich erstreckenden, auf Scherbelastungen ansprechenden Abschnitte unterteilt ist und zwar durch eine Anzahl von Blindbohrungen, von denen sich jede in der Achsrichtung erstreckt, und zwar von einem offenen Ende an einem axialen Ende des Zwischenabschnitts bis zu einem gegenüberliegenden Ende, das kurz vor dem gegenüberliegenden axialen Ende dieses Zwischenabschnitts liegt, wobei dieses Ende vollkommen durch das besagte Material des Mittelabschnitts abgeschlossen ist, welches zwischen den gegenüberliegenden Bohrungsenden und dem anderen axialen Ende des Zwischenabschnitts verbleibt, wobei in diesen Abschnitten Scherspannungen bei der Aufbringung von Lasten erzeugt werden, die in Richtung der Achse aufgebracht werden und wobei elektrische Spannungsmesser innerhalb dieser Blindbohrungen angeordnet sind und mit den Oberflächen der besagten Abschnitte verbunden eind, um auf die Qberflächenscherspannungen anzusprechen« die durch die ^Latten oder Kräfte erzeugt werden, wobei das Material, welches zwischen dem anderen Ende der Behrun« und den anderen Ende dee Zwiechenktfrpere ver- ', bleitot, in axialer Hiehtuni relativ iur Dicke dieser

' ORIGINAL INSPECTED

Scherungsabsehnitte in dieser axialen Richtung dünn ist.
2. Lastzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbohrungen gebohrte Bohrungen sind, von denen jede ein im wesentlichen flaches Ende aufweist, welches sich im wesentlichen quer zur Achse der Bohrung erstreckt und im wesentlichen parallel zum gegenüberliegenden axialen Ende des Zwischenabschnitts.
3. Lastzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bohrungen am gleichen axialen Ende des Zwischenabschnitts verschlossen sind und daß ein im wesentlichen starrer Deckel vorgesehen ist, dessen Umfang am äußeren starren. Abschnitt angeordnet ist und vom inneren und Zwischenabschnitt im Abstand angeordnet ist und die offenen Enden aller Bohrungen abdeckt und verschließt.
4. Lastzelle, gekennzeichnet durch einen Bauteilkörper aus einem Material, welches einen verhältnismäßig hohen Elastizitätsmodul aufweist, wobei dieser Bauteilkörper im wesentlichen starre Abschnitte aufweist, die als Lastaufnahmeabschnitt und Lasttragabschnitt der Zelle dienen, wobei ein Zwischenabschnitt zwischen diesen Teilen vorgesehen ist, der integral mit den starren Abschnitten ausgebildet ist, wobei dieser Zwischenabschnitt integrale Unterabschnitte aufweist, deren Querschnitt vennindert ist und die deshalb leichter elastis.cn deformierbar sind als die starren Abschnitte unter einer Belastung, wobei dia benachbarten Unterabschnitte durch eine Blindbohrung voneinander getrennt sind, die sich von einem offenen Ends zu eine« gegenüberliegenden Ende' erstrecken,, welches 1?; kurzen Abstand vom Ende dee Zwisclienabsohnittss liegt, wo« bei die Bohrung durch 4ae Material d·* SwiochenabsoMitte verschlossen ist, welohee zwischen dea gegenüber!i<>g«mi«&

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Ende der Bohrung und dem Ende des Zwischenabschnitts verbleibt, wobei das Material, welches zwischen dem gegenüberliegenden Ende der Bohrung und dem Ende des Zwiechenabschnitts verbleibt, relativ zur Dicke der Abschnitte in der gleichen Richtung dünn ist und wobei elektrische Spannungsmesser mit den Oberflächen dieser Abschnitte verbunden ist, um auf Oberflächenspannungen anzusprechen, die durch die Belastungen erzeugt werden.
5. Lastzelle zur Messung einer Last, die längs einer gegebenen Achse aufgebracht wird, gekennzeichnet durch einen massiven Bauteil, der eine Anzahl von parallelen Blindbohrungen von im wesentlichen gleichem Durchmesser aufweist, wobei diese Bohrungen von einem Ende dieses Bauteils aus ausgebildet sind und wobei diese Bohrungen symmetrisch um die besagte Achse herum angeordnet sind und wobei diese Bohrungen im gleichen Abstand in Winkelrichtung um diese Achse und in einem wesentlichen gleichen radialen Abstand von dieser Achse angeordnet sind, wobei ein Lastaufnähmeelement vorgesehen ist, welches integral mit dem starren Bauteil ausgebildet ist und sich von einem Ende entlang der besagten Achse aus erstreckt und wobei elektrische Spannungsmesser in den Blindbohrungen angeordnet sind und direkt mit den Oberflächen des massiven Bauteils, die diese Bohrungen bilden, verbunden sind, so daß auf Oberflächenscherspannungen ansprechen, die durch Lasten erzeugt werden, die längs dieser Achse ange-

- legt werden.
6. Lastzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Spannungsmeßeinrichtungen elektrische Widerstandsmeßdrähte aufweisen, die sich im allgemeinen diagonal zu der Hichtung erstrecken, in der die Last aufgebracht ist und dadurch auf Scherspannungen im ^ siven Bauteil ansprechen.

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7» Lastzelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Dekkelplatte , die an einem Ende des massiven Bauteils angeordnet ist und alle Blindbohrungen abdeckt.
8. Lastzelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein elastisches Distanzelement, welches zwischen den Blindbohrungen und der Deckelplatte in dem einen Ende des massiven Bauteils angeordnet ist.
9. Lastzelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine axiale Bohrung im einen Ende des massiven Bauteils und eine radiale Bohrung im Lastaufnahmeelement, welche mit der axialen Bohrung in Verbindung steht und elektrische Anschlüsse für die elektrischen Spannungsmeßeinrichtungen in den Bohrungen aufnimmt.
10. Lastzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Blindbohrungen von dem einen Ende des Bauteils aus bis zu einer vorbestimmten Tiefe gebohrt ist, so daß am blinden Ende ein dünner und verhältnismäßig flexibler, scheibenartiger Abschnitt des Bauteils verbleibt, der von gleichförmiger Dicke ist und integral aus dem Material des Bauteils besteht, und wobei das Lastaufnahmeelement verhältnismäßig starr ist und wobei der Abschnitt des Baukörpers radial außerhalb der Bohrung in Richtung dieser Achse im wesentlichen starr ist.

li.L'astzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Teil des Lastaufnähmeelements sich radial über und dicht bis zu wenigstens einem Teil der blinden* Enden der Bohrungen erstreckt.

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