DE2333363A1

DE2333363A1 - Anordnung zur vermeidung der auswirkungen des kriechens

Info

Publication number: DE2333363A1
Application number: DE19732333363
Authority: DE
Inventors: Gottfried Birkholtz
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1973-06-30
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1975-03-06
Also published as: FR2235362B1; GB1462252A; SE385330B; NL7401053A; SE7403366L; FR2235362A1

Description

Carl Sehende Maschinenfabrik GmbH 3.137

2 8. Juni 1973

"Anordnung zur Vermeidung der Auswirkungen des Kriechens"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vermeidung der Auswirkungen des Kriechens von mit Dehnungsmeßeinrichtungen ausgestatteten elastischen Bauteilen, insbesondere Meßfedern in Kraftmeßdosen.

Als Kriechen wird die zu einer zusätzlichen Verformung eines Körpers nach Einwirkung einer Kraft führende elastische Nachwirkung bezeichnet. Das Kriechen ist reversibel und von der Temperatur, der Größe der einwirkenden Kraft und der Zeit abhängig, in der die Kraft wirkt. Das Kriechen wirkt sich z. B. bei Kraftmeßdosen so aus, daß sich die Anzeige der Kraftmeßdose trotz Konstanthalten der Kraft im Laufe der Zeit verändert; dies führt zu einem Fehler der Kraftmeßdosenanzeige.

Es ü eine Anordnung der eingangs genannten Art bekannt (DT-OS 2 o45 855)} Kiit der es möglich ist, die Auswirkungen des Kriechens eines elastischen Bauteils weitgehend zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist zwischen dem elastischen Bauteil und einer Unterlage für die Dehnungsmeßeinrichtung ein Zwischenglied angeordnet, dessen Kriechen wesentlich stärker ausgeprägt ist als das des elastischen Bauteils und der Unterlage. Damit wird erreicht, daß bei konstanter Kraft die Längenänderung der Dehnungsmeßeinrichtung unabhängig von der Zeit lonstant bleibt beziehungsweise nur von der Kraft abhängig ist. Bei geeigneter Auswahl des Werkstoffes kann auch eine Kompensation hinsichtlich des Kriech-Temperatur-Verhaltens erzielt werden.

Diese schon bei der Herstellung des mit einer Dehnungsneßeinrichtung versehenen elastischen Bauteils, beispielsweise einer

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Kraftmeßdose mit Dehnungsmeßstreifen, durchzuführende Kompensation ist jedoch in. manchen Anwendungsfällen noch nicht genau genug. Je kleiner eine Meßfeder ist und infolgedessen eine geringe Masse besitzt, um so mehr beeiflussen die Eigenschaften der Kunststoffe, Kleber und anderer Werkstoffe, die für die Dehnmeßelemente und ihre Aufbringung verwendet werden, das Kriechverhalten der Ileßfeder. Dies führt dazu, daß eine derartige Kriechkompensation nur innerhalb einer verhältnismäßig großen Toleranzbreite möglich ist. Dieses Problem tritt insbesondere bei der Herstellung von Kraftmeßdosen hoher Präzision auf, die kein bzw. nUr ein minimales Kriechverhalten zeigen sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Kriechverhalten auch nach der Herstälung und dem Zusammenbau der Anordnung noch nachträglich und gezielt beeinflußt v/erden kannj insbesondere soll das Kriechverhalten von Kraftmeßdosen, das durch eine Prüfung der fertig zusammengebauten Kraftmeßdose ermittelt werden kann, mit hoher Genauigkeit beeinflußbar sein, um eine vollständige Kompensation des Kriechens auch dann zu ermöglichen, wenn die Kraftmeßdosen mit einem in einem v/eiteren Bereich streuenden Kriechverhalten hergestellt wurden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausgehend von einem negativen Kriechverhalten der Dehnuiigsrneßeinrichtung in Bezug auf die Belastungsrichtung des elastischen Bauteils mehrere Federelemente mit ausgepr^em positivem Kriechverhalten parallel zu dem elastischen Bauteil wahlweise zuschaltbar sind.

Mit Hilfe der zuschaltbaren Federelemente kann man das Kriech/erhalten der Kraftmeßdose oder dgl. in positiver Richtung gezielt, mindestens in Stufen beeinflussen. Wenn man die schon bei der

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Herstellung vorgesehene Kriechkompensation so abstimmt, daß die
Dehnungsmeßeinrichtung bezogen auf die Belastungseinrichtung des ■ elastischen Bauteils zunächst ein negatives Kriechverhalten
zeigt, so läßt sich dieses in jedem Einzelfall mit hoher Genauig keit feststellbare negative Kriechverhalten durch genau dosierte Zuschaltung der Federelemente mit ausgeprägtem positivem Kriechverhalten mit hoher Genauigkeit kompensieren. Auf eine gesonderte Kriechkompensation schon bei der Herstellung der Kraftmeßdose oder dgl. kann sogar verzichtet v/erden, wenn der Grundaufbau der Meßfeder in Verbindung mit der Dehnungsmeßeinrichtung grundsätzlich ein negatives Kriechverhalten aufweist, das dann gemäß der
Erfindung gezielt kompensiert werden kann.

Eine bei der Anwendung bei einer Kraftmeßdose besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine mit der
Meßfeder zentrisch verbundene Scheibe an mehreren Stellen nahe
ihrem Umfang mittels Schrauben oder dgl. zur Bildung der einzelnen Federelemente vorspannbar ist. Dabei kann die Kriechkapensation nach dem Zusammenbau der Kraftmeßdose in sehr einfacher
Vieise dadurch vorgenommen werden, daß eine kleinere oder größere Zahl von Schrauben oder dgl. angezogen werden. Besonders zweckmäßig ist es, die Scheibe mit mindestens annähernd radialen
Schlitzen zu versehen, die mehrere Federblätter bilden, die zuschaltbar sind.

Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht vor,daß die Federelemente aus einem metallischen Grundkörper (4a) bestehen, der mit einem Material (4b) beschichtet ist, dessen Kriechverhalten wesentlich stärker ausgeprägt ist als das des elastischen Bauteils (1) . Dieser Aufbau der Federelemente gibt besonders weite Möglichkeiten, das Kriechverhalten zu beeinflussen.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgäankens
ist vorgesehen, dass ausgehend von einem negativen Kriechverhai-

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ten der Dehnungsmeßeinrichtung in Bezug auf die Belastungseinrichtung des elastischen Bauteils parallel zu dem elastischen Bauteil mindestens ein Federelement geschaltet ist, das mindestens eine mit can em Werkstoff mit ausgeprägtem Kriechverhalten ausgießbare Ausnehmung aufweist. Das Kriechverhalten des Federelements 11"JDt sich durch Ausgießen mit unterschiedlich kriechfreudigen Werkstoffen und/oder durch unterschiedliche I!engen dieses Werkstoffs gezielt und stufenlos beeinflussen. Dabei können auch lockstoffe mit unterschiedlichem Ilriech-Tenperatur-Verhalten verwendet werden, die beispielsweise gesondert in mehrere Ausnehmungen gegossen v/erden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von AusfUhrungsbeispielen in der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Kraftmeßdose im Schnitt mit einer zuschaltbaren Scheibenfeder zur Kriechkompensation,

Fig. 2 eine andere Ausfuhrungsform der Scheibenfeder, Fig. 3 noch eine andere Ausführungsform der Scheibenfeder,

Fig. 4 in einem Teilschnitt eine andere Art der Vorspannung der Scheibenfeder,

Fig. 5 noch eine andere Art der Vorspannung der Scheibenfeder,

Fig. β in Draufsicht eine Scheibenfeder, die mit mehreren Wefestoffen beschichtet ist,

Fi-g. 7 im Teilschnitt eine Kraftmeßdose, bei der eine Ausnehmung im Dosendeckel mit kriechfreudigem Werkstoff ausgegossen ist und

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Pig. 8 einen Teilschnitt ähnlich Fi;-;;. 7, wobei im Del:- kel der Kraftmeßdose mehrere konzentrische ringförmige Ausnehmungen vorgesehen sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßdose weist eine ringförmige Meß feder 1 auf, die sich mit ihrem einen Ende am Dccien eines Gehäuses 2 der Kraftmeßdose abstützt. Auf das andere Ende der Meßfeder 1 wirkt die au messende Kraft A, die eine Gegenkraft A' zur Folge hat. Das Gehäuse 2 der Kraftmeßdose ist oben durch einen Deckel j5 verschlossen. Ein Federteller oder Federscheibe Ψ ist mit einer zentrischen Bohrung fest mit dem einen Ende der Meßfeder 1 verbunden. Im Deckel 3 sind mehrere senkrechte Schrauben 5 vorgesehen, die an mehreren Stellen nahe am Umfang auf die Federscheibe k drücken können.

Als Delinungsmeßeinrichtung weist die Meßfeder 1 aufgeklebte Dehnungsmeßstreifen β auf. Die Dehnungsmeßstreifen sind so angeordnet bzw. aufgebracht, daß sie in Bezug auf die Belastungsrichtung der Meßfeder 1 ein negatives Kriechverhalten zeigen. Beispielsweise kann - wie nicht in Einzelheiten dargestellt unter den Dehnungsmeßstreifen 6 eine Unterlage vorgesehen sein, die über ein Zwischenglied mit der Oberfläche der Meßfeder 1 verbunden ist. Der Wakstoff des Zwischengliedes ist so ausgewählt, daß sein Kriechverhalten wesentlich ausgeprägter ist als das der Meßfeder 1. Auf der mit der Meßfeder 1 verbundenen Seite kriecht das Zwischenglied mit der Meßfeder, während es auf der mit der Unterlage der Dehnungsmeßstreifen 6 verbundenen Seite unter der Wirkung der gedehnten Unterlage in entgegengesetzter Richtung kriecht, und zwar so stark, daß der Dehnungsmeßstreifen ein Kriechverhalten anzeigt, das der Belastungsrichtung der Meßfeder 1 entgegengesetzt ist, was als negatives Kriechverhalten der Gesamtanordnung bezeichnet wird. Dieses negative Kriechverhalten kann auch in anderer Weise erzielt werden;

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beispielsweise zeigen manche Kraftmeßdosen schon auf Grund ihres Aufbaus und der dasu verwendeten Werkstoffe ein negatives Kriechverhalten.

!lach den Zusammenbau der Kraftmeßdose kann das Kriechverhalten im Versuch genau festgestellt werden. Dann wird mittels der Schrauben 5 je nach Bedarf die Federscheibe 4 segmentweise vorgespannt, d. h. zur Meß feder 1 parallelgeschaLtet, Die Federscheibe 4 besteht aus einem sehr kriechfreudigem Werkstoff, beispielsweise Knetlegierungen, Kupfer, Gießharz, Zinn oder dgl.

Wenn die Federscheibe 4 ganz oder teilweise mittels der Schrauben 5 vorgespannt wird und Kräfte A, A* jeweils in Pfeilrichtung eingeleitet werden, so wird die Spannung in der Federscheibe proportional zur aufgebrachten Kraft abgebaut. Diese Entspannung ist kriechbehaftet und dient zur Kompensation des negativen Kriechverhaltens der Meßanordnung. Es versteht sich, daß die Vorspannung der Federscheibe 4 mindestens so groß sein muß, daß bei Ausnutzung des vollen Federweges der Meßfeder 1 die Schrauben 5 oder andere hierfür verwendete Spannelemente nicht von der Federscheibe abheben. Es muß aber ausdrücklich festgestellt werden, daß die Größe der Vorspannung für die Größe des Kriechens nicht von Einfluß ist, sondern nur die Anzahl der zur Vorspannung benutzten Spannelemente, beispielsweise Schrauben 5* entscheidend für das Kriechen ist also nur, ein wie großer Anteil der Federscheibe 4 vorgespannt.wird. Dabei kann angenommen werden, daß der Verlauf der Federkennlinie der Federscheibe 4 im wesentlichen linear ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besteht die Federscheibe 4 vollständig aus dem gewählten kriechfreudigen Werkstoff. Es ist aber auch möglich (Fig. 2) einen Grundkörper 4a aus Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff, der beispielsweise auch schon von erhöhter Kriechfreudigkeit sein kann, zu verwenden, der einseitig oder beidseitig mit Zinn, Blei, ei-

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einer Zinn-Blei-Legierung oder Kunststoff beschichtet i*st. In Fig. 2 ist eine beidseitige Beschichtung 4b dargestellt. Die Federscheibe 4 bzw. 4a kann - wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt - als ganze Scheibe ausgeführt sein, bei der die Schrauben 5 an mehreren Stellen auf den Rand wirken können.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Federscheibe 4c,, wobei · radiale Schlitze 4d vorgesehen sind, so daß die Scheibe 4c gefiedert ist, wobei einzelne Federblätter 4e entstehen, die jeweils mit einer Schraube 5 einzeln oder gruppenweise vorgespannt werden können.

Wie Fig. 4 zeigt, kann die Federscheibe 4 mittels Zugschrauben 5a auch in entgegengesetzter Richtung vorgespannt werden, d. h. bei Belastung in Pfeilrichtung A wird die Federspannung erhöht?. Bei dieser Anordnung ist die mittels der Schrauben 5a vorgenommene Vorspannung entgegen der Belastungsrichtung in Nullage klein. Für die Kriechkompensation ist die Vorspannungsrichtung gleichgültig; sowohl bei der Anordnung nach Fig. 1 wie auch bei der Anordnung nach Fig. 4 wird durch das Zuschalten der Federscheibe 4 ein positives Kriechverhalten überlagert.

Statt der in den Fig. 1 und 4 gezeigten Schrauben können zur Herstellung der Verbindung zwischen der Federscheibe 4 und dem Deckel 3 der Kraftmeßdose auch Löt- oder Klebeverbindungen zum Einsatz kommen. In Fig. 5 ist eine solche Klebeverbindung gezeigt. Die Federscheibe 4 wird je nach Kompensationsbedarf an einer oder mehreren Stellen mit dem Deckel 5 mittels Klebstoff verbunden, der durch eine oder mehrere Bohrungen 7 nach dem Zusammenbau der Kraftmeßdose eingebracht wurde.

Für andere Bauarten von Kraftmeßdosen kann statt der Federscheibe oder des Federtellers 4 auch eine oder mehrere Blattfedern bzw. andere Federformen eingesetzt werden, die in ent-

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sprechender Weise vorgespannt v/erden.

Bei der Auswahl des bzw. der Werkstoffe für die Federscheibe wird man insbesondere· auch das Kriech-Ternperatur-Verhalten so berücksichtigen, daß bei einer bestimmten Temperatur, vorzugsweise der durchschnittlichen Betriebstemperatur der Kraftmeßdose, ein optimal günstiges Kriechverhalten erreicht wird. Um nachträglich bei einer Kraftmeßdose auch das Kriech-Temperatur-Verhalten noch in gewünschter Weise beeinflussen zu können, ist die in Fig. 6 gezeigte Scheibe 4f mit drei ringsegmentförmigen BeSchichtungen 4g, 4h und 4i von Werkstoffen versehen, die unterschiedliches Kriech-Temperatur-Verhalten zeigen. Grundsätzlich kommen metallische Werkstoffe und Kunststoffe in Frage. Bei beiden Werkstoffgruppen gibt es Werkstoffe mit sehr unterschiedlichem Kriech-Temperatur-Verhalten. Eine günstige Werkstoffkombination ist beispielsweise Zinn, Kupfer, Epoxidharz für die Abschnitte 4g, 4h und 4i.

Auch die in Fig. j5 gezeigte gefiederte Feder scheibe 4 c könnte mit verschiedenen Wekstoffen beschichtet werden. Durch Zuschalten einzelner Teile derartiger Federscheiben kann nicht nur eine Kriechkompensation für eine bestimmte Temperatur herbeigeführt werden, sondern es kann auch die Kriechkennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur in gewünschter V/eise beeinflußt werden.

Eine besonders für Kraftmeßdosen höherer Nennlast geeignete Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 7 und 8 dargestellt. Statt einer besonderen Federscheibe wird dort der zum Verschließen der Kraftmeßdose ohnehin benötogte membranartige Deckel J>a. bzw. j5b mit einer Ausnehmung oder Kammer 8 (Fig. 7) oder mehreren Kammern 8a (Fig. 8) versehen. Diese Ausnehmungen dienen dazu, den zur Kriechkompensation erforderndben kriechfreudigen Werkstoff aufzunehme. Bei der Ausführung gemäß Fig.

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Wird der Werkstoff S- in der erforderlichen ILonge i\; J.ic Ausnehmung S eingegossen. Durch die Auswahl des Werkstoffs ^ hinsichtlich seiner Art kann das Kriech-Tempera.tur-Verhalten beeinflußt werden; die !!enge des eingefüllten Werkstoffs ζ bestimmt die Größe des überlagerten postiven Kriechverhaltens, so dafi eine gezielte Kompensation uiiabhängig voneinander in beiden genannten Richtungen möglich ist.

Dies gilt auch für die Ausführung geml'.f; der I?ig. 0. Dort können in die einzelnen kreisringfUreigen Ausnehmungen Ca unterschiedliche Werkstoffe 10, 11, 12 in unterschiedlicher I-Ienge eingegossen werden. Auch hierfür kommen die bereitε früher genannten Werkstoffgruppen und Werkstoffe in Präge, die unterschiedliche Kriech Freudigkeit und unterschiedli ches iZrl ech-Teiineratur—Verhalten ,zeigen.

Nach beendeter Kompensation werden die Ausnehmungen G hz:-j. Sa mit einer Abdeckung Yp verschlossen, die nur an solchen Stellen angeklebt wird, an denen sie keine BiegekrLlfte übertragen kann, uiri unerwünschte Einflüsse zu vermeiden.

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Claims

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P atentansprilche ;

Anordnung zur Vermeidung der Auswirkungen des Kriechens von r.it Dehnungsmeßeinrichtungen ausgestatteten, elastischen Bauteilen, insbesondere I-Ießfedern in. Kraftmeßdosen., dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem negativen Kriechver-Iialten der Dehnungsrnereinrichtung (6) in Bezug auf die Belastungsrichtung des elastischen Bauteils (l) mehrere Federelemente (4) mit ausgeprägtem positiven Kriechverhalten parallel zu dem elastischen Bauteil wahlweise zuschaltbar sind.

2. "Anordnung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (4) als Blattfedern ausgebildet sind, die an einem Ende mit einem Ende des elastischen Bauteils (1) fest verbunden sind und deren anderes Ende jeweils mittels einer Befestigungseinrichtung (5) mit dem anderen Ende des elastischen Bauteils wahlweise verbindbar ist.

3· Anordnung nach Anspruch I₃ dadurch gele ennz ei ebnet, daß die Federelemente (4) so mit Vorspannung zuschaltbar sind, daß sich die Vorspannung bei Belastung des elastischen Bauteils (1) abbaut.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (4) aus einem Material bestehen, dessen Kriechverhalten wesentlich stärker ausgeprägt ist als das des elastischen Bauteils (l).

'■}. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente aus einem metallischen Grundkörper (4a) bestehen, der mit einem Material (4b) beschichtet ist, dessen Kriechverhalten wesentlich stärker ausgeprägt ist als das des elastischen Bauteils (1).

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β. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Anwendung bei einer Kraftmeßdose, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Meßfeder (1) zentrisch verbundene Scheibe (4, 4a, 4c) an mehreren Stellen nahe ihrem Umfang mittels Schrauben {5, 5a) oder dgl. zur Bildung der einzelnen Federelemente vorspannbar i st.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (4c) mit mindestens annähend radialen Schlitzen (4d) versehen ist, die mehrere Federblätter (4e) bilden, die zuschal tbar sind.

8. Anordnung zur Vermeidung der Auswirkungen des Kriechens von mit Dehnungsmeßeinrichtungen ausgestatteten elastischen Bauteilen, insbesondere Meßfedern in Kraftmeßdosen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem negativen Kriechverhalten der Dehnungsmeßeinrichtung (6) in Bezug auf die Belastungsrichtung des elastischen Bauteils (1) parallel zu dem elastischen Bauteil mindestens ein Federelement (3a, yo) geschaltet ist, das mindestens eine mit einem Werkstoff (9, 10, 11, 12) mit ausgeprägtem Kriechverhalten ausgießbare Ausnehmung (8, 8a) aufx^eist.

9. Anordnungmch Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (3b) mehrere Ausnehmungen (8a) aufweist, die mit Wekstoffen (10, 11, 12) mit jeweils unterschiedlichem Kriech-Temperatur-Verhalten ausgießbar sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9> dadurch gekennzeichnet, daß als Federelement' der Deckel (ja, 3b) einer Kraftmeßdose dient, an dessen Oberseite die Ausnehmung (8) bzw. Ausnehmungen (8a) für den einzugießenden Werkstoff (9, 10, 11, 12) vorgesehen sind.

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11. Ληοrdnunc nach Anspruch 10, dadurch gekeniHsichnet, daß die Ausnehmungen alc Ri η 3s e ^m ent e afer konzentrische Ringe (Sa) im Dosendeckel (Jb) vorgesehen sind.

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