DE2200211C3

DE2200211C3 - Kraftmeßdose

Info

Publication number: DE2200211C3
Application number: DE2200211A
Authority: DE
Inventors: Eric Belmont Mass. Laimins
Original assignee: BLH ELECTRONICS Inc WALTHAM MASS US
Current assignee: BLH ELECTRONICS Inc WALTHAM MASS US
Priority date: 1971-01-07
Filing date: 1972-01-04
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2200211B2; US3712123A; DE2200211A1; CA942967A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine Kraftmeßdose dieser Art ist in der DE-AS 11 29 317 beschrieben. Bei dieser bekannten Kraftmeßdose nimmt die Wandstärke der Platte des Lastaufnahmegliedes in radialer Richtung, ausgehend von der zentralen Nabe zunächst stetig ab und dann unter Durchlaufen eines Minimums bis z;-ii äußeren Felgenkranz stetig wieder zu, und es ergeben sich so auf der Innenseite der Platte gegeneinander geneigte .Schrägflächen, auf die als Meßelcmente dienende Dehnungsmeßstreifen aufgebracht werden können. Bei Belastung der Nabe des Lastaufnahmegliedes mit einer zu messenden Krafs und fester Abstützung des Felgenkranzes kommt es an den gegeneinander geneigten Schrägflächen der Platte zu entgegengesetzten Längenänderungen, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden und ein sehr empfindliches Maß für die zu messende Kraft liefern. Ungeachtet der Unterschiede in der Wandstärke der Platte in radialer Richtung muß die Platte jedoch zur Vermeidung eines unerwünschten Einflusses von seitlichen Spannungen und Torsionsbclastungen insgesamt relativ dickwandig gehalten werden. Damit ist aber eine für die Messungen ausreichende Verformung der Platte nur durch relativ große Meßkräfte möglich, und der Einsatzbereich der bekannten Kraftmeßdose erfährt so eine Einschränkung auf die Messung von Kräften oberhalb einer relativ hoch liegenden I Intergrcnze.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßdose der eingangs erwähni'.-n An vi auszubilden, daß si'.· bei kleinen Ci<_'.,iiiv.,itiriessiingen und robustem Aufba.i die Messung aiii h kleiner Kräfte 'ihn die Gefahr einer Verfälsch'..'ng Ί· r MeHe'ijeb'M'-se tliiri n sliircnde NeliCiivinfluss'.· ^" eitlnh·· Kraft'- oder

Aüig.:

be ist im Patentanspruch I gekennzeichnet, und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Rahmen der Erfindung wird von dem beispielsweise aus der US-PS 33 65 689 bekannten Prinzip einer Empfindlichkeitserhöhung von Kraftmeßdosen durch Materialschwächung Gebrauch gemacht, doch stellt die erfindungsgemäße Lösung eine auf die speziellen Probleme bei einer Kraftmeßdose der eingangs erwähnten Art abgestimmte Anwendung dieses Prinzips mit entsprechenden konstruktiven Besonderheiten dar, die in gegenseitigem Zusammenwirken einerseits einer optimalen Erfassung der zu messenden Kräfte auch von geringer Größe dienen und andererseits eine Beeinflussung der Meßergebnisse durch Nebeneffektc ausschließen. Insbesondere wird die vorteilhafte Anbringungsmöglichkeit der Meßelemente auf entgegengesetzt geneigten Schrägflächen der Platte des Lastaufnahmegliedes durch die erfindungsgcmäße Anordnung von Ausnehmungen in dieser Platte nicht beeinträchtigt.

Insgesamt gesehen führt die Erlindung zu einer einfach und kostengünstig herstellbaren Kraf·. neßdusc, die bei baulich kleinen Abmessungen eine fehlerfreie Erfassung sowohl großer als auch kleiner Meßkräfte gestattet. Dabei erweist sich die erfindungsgemäß ausgebildete Kraftmeßdose auch als äußerst robust und zuverlässig im Betrieb.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht; es zeigt

Fig. 1 eine für Druckkraftmessungen bestimmte Kraftmeßdose in einem Diametralschnitt,

F i g. 2 die Kraftmeßdose von F i g. 1 in einer Ansicht senkrecht zu der in F i g. 1 gezeigten Sichtebene 2-2,

F i g. 3 die Zusammenschaltung der in F i g. 2 gezeigten Dehnungsmeßstreifen zu einer Brückenschaltung,

Fig.4 eine für Zug- und Druckkraftmessungen bestimmte Kraftmeßdose in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht und

F i g. 5 einen Teilschnitt durch die Kraftmeßdose von F i g. 4 entlang der Schnittlinie 4-4 in F i g. 4.

Die in F i g. I und 2 gezeigte Kraftmeßdose besitzt als Hauptbestandteil ein Lastaufnahmeglicd 6, das aus einem steifen äußeren Felgenkranz 7. einer steifen zentralen Nabe 8 mit einem ein Außengewinde aufweisenden Anschlußstück 9 und einer die Nabe 8 und den Felgenkranz 7 miteinander verbindenden Platte 16. die das eigentlich lastempfindliche Bauelement darstellt. Wie die Darstellung in Fig. 1 erkennen läßt, sind die Nabe 8, die Platte 16 und der Felgenkranz 7 aus einem Stück gearbeitet, und d?s Lastaufnahmeglied 6 stellt damit einen zusammenhängenden Körper dar. In ihrer Wandstärke verjüngt sich die Platte 16 in radialer Richtung sowohl ausgehend vom Felgenkranz 7 als auch ausgehend von der Nabe 8, und es erpeben sich auf ihrer Innenseite entgegengesetzt zueinander geneigte Schrägflächen 10 und 11. auf die in aus F i g. 1 ersichtlicher Weise alternierend vier Dehnungsmeßstreifen 19, 20, 21 und 22 als Meßelemcntc aufgebracht sind.

Insgesamt ist das Lastaufnahmeglied 6. das im (Querschnitt die Form eines Kreise, aufweist, so

bemessen, daß es auch rroi.Sc Mel.ikrafte nehmen

kann. Um nun aber untv ik-ibehdltung :1er Gesamtsiabililat die Messung auch von kleineren Kräften /n ornmfiln hen, ist din Platte 16 senkrecht /u Ίίπ.τ l-'bene nut bei dem dargestellten Beispiel insgcx.im: vier S.κ kl'ichern 12, 11, \4 ¹JmI (5 verseh.T: Ά-'lciie die !'Hut· \h /wmchcn den IX'hniinsis"¹.·.·!!·.· ιί'·μ 14 In 22 jeweils so weit durchseizen, daß an den entsprechenden Stellen der Platte 16 an deren Außenseite nur mehr dünne, membranartige Materialbrücken 27, 28, 29 unu 30 verbleiben. Die Sacklöcher 12 bis 15 weisen bei dem dargestellten Beispiel jedes die Form eines Kreises auf, und die Mittelpunkte aller vier Kreise liegen auf einem die geringste Wandstärke der Platte 16 außerhalb der Ausnehmungen darin bildenden Sacklöcher 12 bis 15 definierenden Kreis 31. Die Sacklöcher 12 bis 15 sind in der Platte 16 symmetrisch in Bezug auf deren Mitte angeordnet, und es verbleiben zwischen ihnen vier Stege 23_T 24, 25 und 26, auf denen die Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 Aufnahme finden. Die Durchmesser der Sacklöcher 12 bis 15 sind so groß gewählt, daß die entsprechenden Radien größer ausfallen als die in F i g. 2 durch einen Doppelpfeil 32 angedeutete Erstreckung der Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 in der Radialrichtung der Platte 16. Auf diese Weise überdecken die Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 auf jeden FaIi den Bereich maximaler Verformung an den Stegen 23 bis 26 zwischen den Sacklcn-hern 12 bis 15.

Der Felgenkranz 7 weist an seinem Umfang eine öffnung auf, durch die eine elektrische Zuleitung 17 mit endseitigen Anschlüssen 18 für die einzelnen Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 hindurchgeht.

Die ,.α messende Kraft wirkt in Fig. I in Richtung eines Pfeiles L auf die zentrale Nabe 8, während der Felgenkranz 7 unter fester Abstützung die entsprechenden Gegenkräfte aufnimmt. Die von außen einwirKenden Kräfte werden in der Platte 16 nahezu vollständig von den Stegen 23 bis 26 aufgenommen, die dabei eine entsprechende elastische Verformung erfahren. Diese Verformung fällt dabei umso größer aus, je größer die Radien der Sacklöcher 12 bis 15 sind. Durch entsprechende Bemessung der Durchmesser der Sacklöcher 12 bis 15 lassen sich die Winkelbreite der Seege 23 bis 26 und über diese die Empfindlichkeit der Kraftmeßdose einstellen. Die dünnen Materialbrücken 27 bis 30 am Grunde der Sacklöcher 12 bis 15 verleihen der Platte 16 als dem lastempfindlichen Element eine Membran-Charakteristik, die einen hohen Widerstand gegen Torsions- und andere außermittige Belastungen gewährleistet. Gleichzeitig ergeben diese Materialbrükken 27 bis 30 eine Abdichtung für das Meßdos-;ninnere.

Die Anzahl der Sacklöcher 12 bis 15 lonn je n^ch den konstruktiven Erfordernissen variiert werden, und weiter können die Sacklöcher statt der dargestellten Kreisform im Querschnitt auch rechteckig ausgebildet oder durch zwei oder mehr einander überschneidende Kreise begrenzt sein, deren Mittelpunkte in der Radialrichtung der Platte 16 hinter- oder nebeneinander liegen können.

Bei einer Belasiung oer Nabe 8 über das Anschlußs:ück 9 in Richtung des Pfeiles L entstehen in den .Schrägflächen 10 und 11 an den Stegen 23 bis 26 Zug- und Druckspannungseffekte, die mit den aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 erfaßt werden können. Die Dehnungsmeßstreifen 19 bis 22 sind elektrisch zu einer Brückenscn^ltung vereinigt, für die ein typisches Beispiel in F i g. J dargestellt ist. Die mit Druckkraft belasteten Dehnungsmeßstreifen 19 und 21 einerseits und die mit Zugkraft heiasteten Dehniuii.'stviebstreifen 20 und 22 andererseits liegen in K ι g. ! in einander diagonal gcgenüberhcgi nilon Brückenzweigen. Auf diese Weise ergibt γ··:Ιί beim Aufbringen einer Last ew maximale Verstimmung der (!rücke.

Die in I i g I und 2 dargestellte Kraftmeßdose eigne' sich für die Messung von ' >ru..l·; kr,If ten. Si«· /eich net <v.b

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durch kleine Gesamtabmessungen aus. und sie kann in allen ihren Teilen ohne Schwierigkeiten auf einer Drehbank hergestellt werden. Dabei lädt sie sich auch für die Erfassung kleiner MeBkriifte auslegen und durch passende Wdhl von Λη/.ahl und form der Sacklöchcr 12 iiis 15 den jeweiligen Erfordernissen optimal anpassen

In I i g. 4 und 5 ist ein weiteres Aiisfülirungsbeispicl η form einer Kraftmeßdose dargestellt, die zum Messen sowohl von Druckkräften als auch von Zugkräften verwendet werden kann. Diese Kraftmeßdose ist im Vergleich zu dem Aiisfühningsheispiel nach Cig. I und 2 zusätzlich mit einem /.iiganschluBstück JJ und einem entsprechenden Verbindungsstück J4 ausgestattet, die mittels Schrauben J5 mit einem Celgenkranz T eines Oberteils verbunden sind, das in seinem '\ulbau weitgehend dem der Kraftmeßdose in Ii g. I und 2 einspricht. Cur die Hezeichnung der einander entspre chenden liauteile sind in I ι g. 4 und 5 die gleichen !K'/^l.!^tTS/;ihl·-'.} "-!C !Γ¹ ! ' ^tf ' und 1 u>u.i'lls linier /ιιί.ιΙ/ eines Indexslrichcs verweiidel.

Anders ,ils in (·' ι g. I und 2 sind bei dem Ausfiihriings heispiel von I ι g. 4 und "> insgesamt acht Dehnungsineß streifen J8 Ins 45 als MeBelemenle vorgesehen, die einander paarweise gegenüberliegend innerhalb und auBerhalh eines die geringste Wandstaike des wieder um plattenförmig ausgebildeten lastempbndhchen I.Ie ment¹- bezeichneten Kreises Jl angeordnet sind ΛιιΙ diese Weise können sowohl /ng- als auch Druckkräfte gemessen w erden.

Die bei den Atisfuhrungsbeispiel nach Cig. 4 und "> im l.tstemphndlichen Clement vorgesehenen Ausnehmungen 'intef-cheiden sn.h sowohl m ihrer Aiisbililiing ,iK ,im !· in ihrer Lage relativ /u dem die geringste W andsi.irke des l.isu niplmdlicheii Clements markierenden Krei¹- W von den entspi echendeti Aiisnelimungeii hv J'i" -\ti^' ihningsbcispiei nai.ii I igt und 2. indem die Ausnehmungen in C i g. 4 und 5 die l'orm durchgehender Hohrungen 12' bis 14' mit aul einem weiter außen als der Kreis Jl' geringster WandMä'ke liegenden Kreis Jl" angeordneten Mittelachsen aufweisen.

Die membranarligen Materialbrückcn 27 , 28' und 29' in Cig. 4 η ml ~> /wischen den Stegen 24, 25' und 2h werden durch eine aufgesetzte dünne Platte 36 gebildet, tlie mit ilen Stegen 24' bis 2fi' entlang einer Nahtlinie J7 " durch Hartlöten oder in sonstiger Weise verbunden ist und eine zentrale Öffnung für den Durchgang des ■\nschlulKliicks9¹ enthält.

Der Kreis II' geringster Wandstärke des lastemp bildlichen Clements liegi nicht in der dem Kreis Jl entsprechenden Mitte /wischen dem äuBeieii leimen kranz 7 und der zentralen Nabe 8' des l.astaufnahmc gliedes b von I ι g. 4 und ¹V sondern weiter innen. Diese Anordnung stellt insofern ein Optimum dar. als damn die innerhalb und außerhalb des Kreises Jl' geringster ■ Wandstärke liegenden feile der Stege 24 bis 2h annähernd die gleiche Hielte erhallen.

Die Dehnungsmeßstreifen J8 bis 45 sind in Cig.") etwas großer dargestellt, als sie wirklich sind. Tatsächlich sollen die Dehnungsmeßstreifen J8 bis 45 so bemessen sein, daß sie innerhalb eines gedachten Ringes liegen, der the Hohrungen 12' bis 14' an ihrer inneren und irrer äußeren Kante berührt. Damit liegen die Dehnuni'smeßsireifen 38 bis 45 im Bereich maximaler Verformung der Siege 24 bis 26'.

Die in tier Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele können in folgender Weise abgewandeh werden: Hei einem I insatz zum Messen von I lüssigkeilsdnicken kann auf die Anschlußstucke 9 oder 9' verzichtet und der zu messende flüssigkeitsdruck zu unmittelbarer Einwirkung auf die Außenseite der ['latte 16 oder der Platte 36 gebracht werden

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmeßdose mit einem kreissymmetrischen Lastaufnahmeglied, das in Verbindung mit einer zentralen Nabe und einem äußeren Felgenkranz eine Platte aufweist, die im Anschluß an die Nabe einerseits und an den Felgenkranz andererseits mit größerer Wandstärke ausgeführt ist als in ihrem radial dazwischen liegenden Bereich, wo sie auf unterschiedlich gegen ihre Ebene geneigten inneren Schrägflächen mit einer Mehrzahl von Meßelementen besetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastaufnahmeglied (6; 6') in den Bereichen zwischen dem Felgenkranz (7; T) und der Nabe (8; 8') einerseits und zwischen den Meßelementen (19 bis 22; 38 bis 45) andererseits durch senkrecht zur Plattenebene verlaufende Ausnehmungen (12 bis 15; 12' bis 14') derart in seiner Wandstärke geschwächt ist, daß zwischen die Meßelemente tragenden Stegen (25 Dis 26; 24' bis 26') diese miteinander verbindende Materialbrücken (27 bis 30; 27' bis 29') von nur membranartiger Dicke verbleiben.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen im Lastaufnahmeglied (6) als senkrecht zur Ebene von dessen Platte (16) zwischen der Nabe (8) und dem Felgenkranz (7) gerichtete, die Platte (16) von ihrer der Last (L) abgewandten Seite her bis auf dünne membranartige Materialbrücken (27 bis 30) durchsetzende Sacklocher(12 bis 15) ausgebildet sind.

3. Kraftn^ßdose nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen im Lastaufnahmeglied (6') als dessen Plane senkrecht zu deren Ebene voll durchquerende Löcher (12' bis 14') ausgebildet sind, die auf der i-astseite mit einer dünnen Platte (36) abgedeckt sind.

4. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche I bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (12 bis 15; 12' bis 14') im Lastaufnahmeglied (6; 6') symmetrisch in Bezug auf dessen Zentrum angeordnet sind.

5. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen im Lastaufnahmeglied (6; 6') als Bohrungen (12 bis 15; 12' bis 14') ausgebildet sind, deren Achsen durch einen Kreis (31; 31") hindurchgehen, dessen Radius die Mitte zwischen der zentralen Nabe (8; 8') einerseits und dem äußeren Felgenkranz (7; T) andererseits markiert, und deren Durchmesser größer ist als die Ausdehnung der Meßelemente (19 bis 22; 38 bis 45) in der Radialrichtung des Lastaufnahmegliedes.

6. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen im Lastaufnahmeglied (6) Bohrungen (12 bis 15) mit auf einem die geringste Wandstärke der Platte (16) markierenden Kreis(31) liegenden Achsen sind.

7. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bh 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen im Lastaufnahmeglied (6') Bohrungen (12' bis 14') sind, deren Achsen außerhalb eines Kreises (3ΙΊ liegen der die geringste Wandstärke markiert und auf d -ι Stegen (24', 2"< , '.lh') gegeneinander geneigt.■ Schrägflächen von ,innähernd gleicher Breite von einami.'r trerui!, aiii denen '"■ Mcßelemen!i.· (18 bi 45) angeordnet sind

8. Kuf-'v· j.,iii,-,r : ,1 h · ,-;;:■· de; Anspp.chi- 1 fn-

4. \!;i,m 'rh ■ ·!.:■■·; /·■·. r_:··.·. j,'·. ,:,.. Λ 11 Ml'* hllniP:'·" im Lastaufnahmeglied (6; 6') im Querschnitt rechteckig ausgebildet sind.

9. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen

■ im Lastaufnahmeglied (6; 6') im Querschnitt durch zwei oder mehr einander überschneidende Kreise begrenzt sind.

10. Kraftmeßdose nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte üer die

in Ausnehmungen begrenzenden Kreise in bezogen auf das Lastaufnahmeglied (6; 6') radialer Richtung hintereinander liegen.

1!. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis !0, dadurch gekennzeichnet, daß die MeEelemente

r. (19 bis 22) abwechselnd innerhalb und außerhalb eines die geringste Wandstärke der Platte (16) des Lastaufnahmegliedes (6) markierenden Kreises (31) angeordnet und elektrisch zu einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind.

j» 12. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeleniente (38 bis 45) paarweise zu beiden Seiten eines die geringste Wandstärke der Platte des Lastaufnahmegliedes (6') markierenden Kreises (3Γ) angeordnet

2'. und elektrisch zu zwei Brückenschaltungen miteinander verbunden sind.