DE2414569B1 - Kraftmeßgerät zum Messen von kleinen Kräften, insbesondere von Kontaktfederkräften sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gerätes - Google Patents

Description

• Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßgerät zum Messen von kleinen Kräften, insbesondere Kontaktfederkräften, zu schaffen, welches beim Meßvorgang und bei kleiner Andruckkraft und vernachlässigbar kleiner Verschiebung des Kraftangriffspunktes in Kraftrichtung eine genaue Kraftmessung ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Element zwei als doppelarmige Hebel ausgebildete Tastschenkel aufweist, die an dem vom Tastelement abgekehrten Ende durch eine Dehnungsmeßstrecke und eine Stauchstrecke derart miteinander homogen verbunden sind, daß der Drehpunkt der beiden doppelarmigen Hebel innerhalb des Schlitzes zwischen der Dehnungsmeßstrecke und der Stauchstrecke gelegen ist. Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftmeßgerätes ist durch die im Anspruch 13 dargelegten Merkmale gekennzeichnet.
• Das Kraftmeßgerät ermöglicht bei vernachlässigbar kleinen Meßhub- bzw. -weg und kleinen Kontaktfederkräften eine zuverlässige Kraftmessung. Bedingt dadurch, daß die beiden doppelarmigen Hebel an ihrem gemeinsamen, vom Tastende abgekehrten Ende über zwei Strecken miteinander homogen verbunden sind, entsteht ein integriertes Hebelsystem.
• Das Hebelübersetzungsverhältnis wählt man in Abhängigkeit von der Größe der zu messenden Kraft.
• Bedingt dadurch, daß die auf das Druckmeßgerät ausgeübten Kräfte zum Bewerkstelligen einer elastischen Verformung im Bereich der Sollverformungsstrecke und somit zur Dehnung des Biegestreifens sehr klein sind, ist die Verwendung eines Drehgelenkes auf Grund des zu erwartenden Spieles und der dabei auftretenden Reibungskräfte nicht möglich. Daher sind bei dem erfinderischen Druckmeßgerät Hebel, Stauchstrecke und Dehnungsstrecke homogen, d. h. als ein Element gebildet. Der Drehpunkt ist im freien Bereich des Elementes zwischen Stauchstrecke und Dehnungsstrecke gelegen. Zur Vermeidung der beim Einbringen der Schlitze in das Element auftretenden Materialspannungen wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die doppelarmigen Hebel, die Stauch- und die Dehnungsstrecke durch Elektroerosion aus einem homogenen Plättchen zu bilden.
• Das so gebildete Element ermöglicht eine Messung, bei der ein vollkommen linearer Zusammenhang zwischen der eingeleiteten und zu messenden Kraft und der gemessenen Dehnung besteht. In der praktischen Ausführung verwendet man z.B. als Material für das Element Werkstoffe mit einem geringen Elastizitätsmodul und einer hinreichend hohen Proportionalitätsgrenze (ap); derartige Materialien sind z. B. Legierungen aus Aluminium, Magnesium und Kupfer, gegebenenfalls mit anderen Metallzusätzen. Mit dem erfindungsgemäßen gebildeten Meßwandler ist es möglich, kleine Kräfte im Bereich von 80 bis 500 p nahezu wegfrei zu messen. Das Gelenk besitzt in diesem Falle eine Breite von 150 ,um und eine Höhe von 130 um bei einer Materialdicke des Elementes von 2 mm.
• Vorteilhaft sind die doppelarmigen Hebel des Elementes mit aufsetzbaren und einstellbaren Tastspitzen versehen. Hierzu verwendet man vorzugsweise einen Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer hohen mechanischen Festigkeit.
• Ein derartiges Material ist z. B. Wolframkarbid mit einem Zusatz von 6°/o Kobalt; seine Biegefestigkeit beträgt annähernd 150 kp/mm2. Ein derartiges, hoch- festes Material ermöglicht die Ausbildung der Tastspitzen als feine (dünne) Zungen, die im geringen Abstand gegenüberstehen. Diese Zungen dürfen während des Meßvorganges nur eine vernachlässigbar kleine Durchbiegung erleiden.
• Weitere Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
• Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines EIementes für ein Kraftmeßgerät. Das Element 1 besteht im wesentlichen aus einer planparallele Seitenflächen aufweisenden, rechteckförmigen, hier aus Federstahl gebildeten Platte 2, in der ein in Längsrichtung verlaufender, mittig geführter Schlitz 3 eingebracht ist. Der Schlitz erstreckt sich bis nahe zu einem dicht am Kantenrand 4 der Platte 2 gelegenen Stegschlitz 5. Durch diese Formgebung entstehen zwei doppelarmige Hebel 6 und 7, wobei der Kraftangriff P1 und P,' an jedem der doppelarmigen Hebel, z. B. in den Punkten 8 bzw. 8' erfolgt. Zwischen dem Schlitz3 und dem Stegschlitz 5 ist ein schmaler Steg 9, nämlich die Stauchstrecke, gelegen, wohingegen am Kantenrand 4 die Dehnungsmeßstrecke 11 die beiden doppelarmigen Hebel miteinander verbindet. Der Drehpunkt 10 der doppelarmigen Hebel ist hier im Bereich des Schlitzes 5 gelegen. Im Beispiel trägt hier nur die Dehnungsmeßstrecke 11 einen Dehnungsmeßstreifen 12. Wie überraschend festgestellt wurde, besteht ein vollkommener linearer Zusammenhang zwischen den eingeleiteten Kräften Pt, Pr' und der gemessenen Dehnung am Dehnungsmeßstreifen. In der praktischen Ausführung eines Elementes aus Federstahl hat die Stauchstrecke eine Breite von 150 com und eine Höhe von 130 Fm bei einer Materialstärke bzw.
• Dicke des Elementes von 2 mm. Die Breite der Dehnungsmeßstrecke 11 beträgt ebenfalls 150 Fm. Der Werkstoff des Elementes ist so zu wählen, daß die notwendige Dehnung von dl,,lI 0,5. 10-8 mit einer möglichst geringen Kraft Pt, P1, bei dem gegebenen Übersetzungsverhältnis erreicht wird. Um eine möglichst geringe Verschiebung des Kraftangriffspunktes zu gewährleisten, ist die Länge 1 der Dehnungsmeßstrecke möglichst klein zu wählen. Die Längel ist durch die Gitterlänge des verwendeten Dehnungsmeßstreifens 12 bestimmt.
• Wie insbesondere aus der Fig.2 zu ersehen ist, wirkt die Last Pl (und auch Pt') am Hebel a, wobei durch diese Kraft im Drehpunkt 10 ein Drehmoment erzeugt wird. Dieses Drehmoment wird durch die an den Hebeln b, und b2 durch die elastischen Materialspannungen in der Dehnungsmeßstrecke 11 und in der Stauchstrecke 9 erzeugten und gegeneinander gerichteten ReaktionskräfteP+ und P~ kompensiert.
• Durch die Wahl der Querschnitts-Dimensionierung, insbesondere der Stauchstrecke 9, ist es möglich, den Drehpunkt innerhalb des Schlitzes 5 zu verschieben bzw. die Hebelverhältnisse zu bestimmen. Erleidet durch eine hinreichend große Querschnittsbemessung die Stauchstrecke eine vernachlässigbare geringe Stauchung, so rückt der Drehpunkt der doppelarmigen Hebel 6 und 7 in die Mitte der Stauchstrecke; besitzen indessen Dehnungs- und Stauchstrecke eine gleiche Querschnittsbemessung, so befindet sich der Drehpunkt 10 in der Abstandsmitte zwischen den beiden Strecken - wie dargestellt.
• In den Fig. 3 und 4 ist ein Kraftmeßgerät etwa im Maßstab 1:1 dargestellt, wie ein solches zur Messung von Kontaktfederkräften zur Anwendung kommt. Das aus den beiden doppelarmigen Hebeln 6 und 7 bestehende Element 1 ist nur im Bereich der Stauchstrecke 9 und der Dehnungsmeßstrecke 11 homogen, ansonsten durch Einschnitte getrennt. Zur Verringerung seines Gewichtes sind hier in den doppelarmigen Hebeln Bohrungen 18, 18' eingebracht. Das Element besitzt eine Tastspitze 13, bestehend aus den Meßzungen 14 und 14', die zwischen den gegeneinander lastenden und in bezug auf ihre Kontaktfederkraft zu messenden Kontaktfederzungen einschiebbar sind. Die Materialstärke des Elementes d ist im wesentlichen abhängig von der Größe der zu messenden Kräfte und beträgt z. B. 1 bis 3 mm. Auf der Stirnfläche4, d. h. im Bereich der Solldehnungsstrecke 11, ist der Dehnungsmeßstreifen 12 geklebt.
• Eine andere Ausführungsform eines Druckmeßgerätes ist in Fig. 5 dargestellt. In Abweichung von dem Druckmeßgerät der Fig. 3 und 4 trägt dieses Gerät zwei Dehnungsmeßstreifen 12 und 112, wobei der Dehnungsmeßstreifen 112 auf der Stauchstrecke 9 befestigt ist und somit bei einer Belastung der Tastspitze 13 eine Stauchung, hingegen der Dehnungsmeßstreifen 12 - entsprechend dem vorherigen Beispiel - eine Dehnung erfährt. Diese Anordnung erlaubt daher eine Messung, welche unabhängig von der Lage des Kraftangriffspunktes im Bereich der Meßspitze 13 ist.
• In den Fig. 6 und 7 ist in einem Sektionsschnitt die Anordnung der Tastspitze 13 an den doppel- armigen Hebeln 6 und 7 des Elementes 2 dargestellt.
• Bei der Messung der Federkräfte ist der Abstand der Kraftangriffspunkte sehr klein; er kann z. B. nur 500 iim betragen bei einem Meßweg w von 100 ,um.
• Die zwischen die birnenförmigen Kontaktfedern einzuschiebenden Meßzungen 14 und 14' müssen daher ebenfalls in ihrer Steghöhe klein gehalten werden.
• Dabei darf es jedoch nicht vorkommen, daß sich die Meßzungen der Tastspitzen 13 verbiegen. Sie sind daher aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul und hinreichend großer Biegefestigkeit von annähernd 150 kp/mmt hergestellt. Ein derartiges Material ist z. B. Wolframkarbid mit einem Zusatz von 6% Kobalt Besonders vorteilhaft ist es, den Meßweg einstellbar zu halten. Die Zungen stehen daher mit Laschen 15 und 15' in Verbindung und sind am Meßende 6' und 7' der doppelarmigen Hebel 6 und 7 einstellbar befestigt. Vorzugsweise sind die Meßenden 6' und 7' der doppelarmigen Hebel mit Langlöchern 16 ausgerüstet, durch welche - wie insbesondere aus Fig. 6 hervorgeht - die Laschen 15 und 15' der Meßzungen 14 und 14' haltende Spannschrauben 17 hindurchragen. Die Meßzungen 14 und 14' mit ihren Laschen 16 und 16' sind vorzugsweise einstückig gebildet und entweder durch elektroerosive Bearbeitung oder aber als pulverkeramische Teile im Sinterverfahren hergestellt. Bei der Herstellung des Elementes 1 ist darauf zu achten, daß Materialspannungen, insbesondefe im Bereich der Dehnungsstrecke 11 sowie im Gelenk 9, vermieden werden. Es wird daher derart verfahren, daß man die Schlitze 5 und 3 durch elektroerosive Bearbeitung in die Platte 2 einbringt.

Claims (13)

1. Patentansprüche: 1.. Kraftmeßgerät zum Messen von kleinen Kräften, insbesondere von Kontaktfederkräften, bestehend aus einem einstückigen, plattenförmigen, mit Schlitzen versehenen, elastisch verformbaren Element, dessen Verformungs-Sollstrecken Dehnungsmeßstreifen tragen, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß das Element (1) zwei als doppelarmige Hebel (6, 7) ausgebildete Tastschenkel (6', 7') aufweist, die an dem vom Tastende abgekehrten Ende (11) durch eine Dehnungsmeßstrecke (11) und eine Stauchstrecke (9) derart miteinander homogen verbunden sind, daß der Drehpunkt (10) der beiden doppelarmigen Hebel innerhalb des Schlitzes (5) zwischen der Dehnungsmeßstrecke und der Stauchstrecke gelegen ist.
2. 2. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) im Bereich seines Tastendes (6', 7') an den doppelarmigen Hebeln (6, 7) angebrachte, aus Hartmetall bestehende Tastzungen (14, 14') trägt.
3. 3. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastzungen (14, 14') in bezug auf ihren Meßweg(w) einstellbar sind.
4. 4. Kraftmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Tastzungen (14, 14') aus Wolframkarbid mit einem Zusatz von Kobalt besteht.
5. 5. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) aus einer Aluminium - Magnesium - Kupfer - Legierung besteht.
6. 6. Kraftmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis (a/b) der doppelarmigen Hebel (6, 7)1: 20 bis 1: 30 beträgt.
7. 7. Kraftmeßgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattendicke (d) des Elementes (1) höchstens drei Millimeter beträgt.
8. 8. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (9) eine Breite von 150 ym und eine Höhe von 130 ijm aufweist.
9. 9. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke der den Dehnungsmeßstreifen (12) tragenden Dehnungsmeßstrecke (11) eine Stärke von 150 ,um aufweist.
10. 10. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelarmigen Hebel (6, 7) Bohrungen (18, 18') aufweisen.
11. 11. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Dehnstrecke (1) gleich der Länge des Gitters des Dehnungsmeßstreifens (12) ist.
12. 12. Kraftmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Dehnungsmeßstrecke (11) wie auch die Stauchstrecke (9) jeweils mit einem Dehnungsmeßstreifen (12, 12') versehen sind.
13. 13. Verfahren zur Herstellung eines Kraftmeßgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Vermeidung von Materialspannungen die in die Platte (2) des Elementes (1) einzubringenden Schlitze (3, 5) durch Elektroerosion einformt.

    Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftmeßgerät zum Messen von kleinen Kräften, insbesondere von Kontaktfederkräften, bestehend aus einem einstückigen, plattenförmigen, mit Schlitzen versehenen elastisch verformbaren Element, dessen Verformungssollstrecken Dehnungsmeßstreifen tragen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gerätes.

    In der DT-AS 10 52708 ist eine Kraftmeßeinrichtung beschrieben und dargestellt, die aus mehreren zumindest zum Teil mit Dehnungsmeßstreifen versehenen, im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Biegebalken besteht, wobei die Biegebalken an ihren Enden jeweils durch gemeinsame steife Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Wird eine Last auf eine innere Erstreckung, nämlich auf eine Zunge, der Kraftmeßeinrichtung ausgeübt, so wird dadurch eine elastische Verformung der Biegebalken verursacht. Die im Bereich der elastischen Verformungssollstrecke der Biegebalken angebrachten Dehnungsmeßstreifen liefern ein der Dehnung und somit ein der zu messenden Kraft proportionales Signal.

    Aus der DT-AS 11 71 637 ist eine Anordnung zum Messen von in zwei oder mehreren in derselben Ebene liegenden Kräften ersichtlich. Das Meßelement besteht aus einer einstückigen, mit Schlitzen versehenen, elastisch verformbaren Platte mit Verformungssollstrecken, die mit druckempfindlichen Organen in Verbindung stehen. Durch die Anordnung der Schlitze werden federnde Zungen geschaffen, derart, daß ein Außenteil, ein Zwischenteil und ein Innenteil entsteht, wobei diese Teile in voneinander verschiedenen Richtungen durchfedern können und dabei auf die druckempfindlichen Organe einwirken.

    Während bei der erstgenannten Kraftmeßeinrichtung die zu messende Kraft mittels eines Stößels auf die innerhalb eines Blockes im Inneren liegende zungenförmige Erstreckung übertragen wird, erfolgt der Kraftangriff der zu messenden Kraft bei der letztgenannten Anordnung zum Messen von Kräften über einen, im inneren Teil des plattenförmigen Elementes gelegenen Ring (Auge!). Diese Vorrichtung dient hier insbesondere zum Messen der Druckkraft des Walzgutes auf die Umlenkwalze in einem Walzwerk.

    Diese vorgenannten Kraftmeßgeräte sind jedoch zum Messen von Kontaktkräften in Steckverbindungen - wie solche zum Kontaktieren von Schaltungsplatten zur Anwendung kommen - nicht geeignet.

    Auch sind die zu messenden Kräfte klein; sie sind im allgemeinen nicht höher als 500 p. Sollen derartige Kontaktfederkräfte gemessen werden, so muß das Tastelement des Meßgerätes in den Andruckbereich der Kontaktfedern gebracht werden. Bei kleinen Meßkräften und vernachlässigbar geringer Verschiebung des Kraftangriffspunktes in Kraftrichtung muß eine für die Messung hinreichend große Dehnung der Verformungsstrecke, auf der sich ein Dehnungsmeßstreifen befindet, hervorgerufen werden.