DE2557868A1 - Kraftmesszelle - Google Patents

Kraftmesszelle

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DE2557868A1
DE2557868A1 DE19752557868 DE2557868A DE2557868A1 DE 2557868 A1 DE2557868 A1 DE 2557868A1 DE 19752557868 DE19752557868 DE 19752557868 DE 2557868 A DE2557868 A DE 2557868A DE 2557868 A1 DE2557868 A1 DE 2557868A1
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Germany
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force
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Pending
Application number
DE19752557868
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English (en)
Inventor
Klaus Prof Dr Ing Horn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2218Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction
    • G01L1/2225Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being of the column type, e.g. cylindric, adapted for measuring a force along a single direction the direction being perpendicular to the central axis

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)

Description

  • Kraftmeßzelle
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeßzelle mit an einem zentralen Krafteinleitungsteil und peripheren Jochteilen eingespannten, rechtwinklig zu einer ersten Symmetrieebene verlaufenden Stegen.
  • Eine Kraftmeßzelle dieser Art bzw. eine Meßfeder für eine derartige Kraftmeßzelle ist in dem Aufsatz "Eine Präzisions-Kraftmeßdose mit Dehnungsmeßstreifen für Kräfte zwischen 6 und 600 kpvon K. Fischer, K. Horn und J. Jedelsky im "Archiv für technisches Messen" Blatt J 133-2, Januar 1967, Lieferung 372, auf Seite 3 in Bild 10 und dem zugehörigen Text beschrieben. Eine andere Kraftmeßzelle dieser Art ist aus der US-Patentschrift 3 196 676 bekannt. Die Meßfedern dieser bekannten Kraftmeßzellen weisen den Nachteil auf, daß sie um eine Symmetrieebene, die parallel zu der Längserstreckung der Stege verläuft, nur ein sehr kleines polares Trägheitsmoment besitzen. Aus diesem Grunde verursachen geringe Exzentrizitäten in der Krafteinleitung und kleine Querkräfte senkrecht zu der Symmetrieebene hohe Materialbeanspruchungen in den Stegen. Dies führt zu hohen Fehleranteilen zweiter Ordnung in den von den Beanspruchungen hervorgerufenen Dehnungen und damit auch zu Fehlern in den Meßsignalen, die über Dehnungsmeßstreifen an den Stegen abgenommen werden.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßzelle zu erstellen, welche die Vorteile des oben beschriebenen Meßfedertyps beibehält, jedoch den Nachteil des geringen Widerstands gegenüber Querkräften in einer Richtung nicht mehr aufweist.
  • Bei einer Kraftmeßzelle der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Stege beidseitig der ersten Symmetrieebene in mehrere Stege unterteilt sind, deren Abstände von einer zur ersten rechtwinkligen und sie in einer Geraden in Kraftangriffsrichtung schneidenden zweiten Symmetrieebene so gewählt sind, daß das polare Trägheitsmoment der Stege um die zweite Symmetrieebene ungefähr ihrem polaren Trägheitsmoment um die erste Symmetrieebene gleicht.
  • Mit Hilfe der Aufteilung der Stege in mehrere Stege, die voneinander einen gewissen Abstand haben, wird das polare Trägheitsmoment der Stege um die Symmetrieebene parallel zur Längserstrekkung der Stege so weit erhöht, daß der Widerstand gegenüber Querkräften senkrecht zur Stegrichtung ebenso groß wird wie der Widerstand gegenüber Querkräften in Stegrichtung. Die Kraftmeßzelle nach der Erfindung weist deshalb einen einheitlichen Widerstand.
  • gegenüber Querkräften auf; ihr Verhalten ist weitgehend unempfindlich gegenüber Einbaulagen geworden.
  • Zweckmäßig können zwei Stegsysteme in Kraftangriffsrichtung untereinander angeordnet werden, wie das aus dem genannten Aufsatz im ATOM" bekannt ist. Es werden dabei entsprechende Jochteile beider Systeme vereinigt. Das eine Krafteinleitungsteil wird mit der zu messenden Last beaufschlagt, während das andere Krafteinleitungsteil die Gegenkraft, beispielsweise eines Fundaments, aufnimmt.
  • Die Jochteile können jedoch in einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch als auf einer steifen Bodenplatte befestigte Stützen ausgeführt sein. Dabei sorgt eine biegeelastische Querschnittsschwächung der Stützen nahe der Bodenplatte dafür, daß beim Durchfedern der Stege diese keine nennenswerten Zugspannungen in Richtung ihrer Längserstreckung erfahren, wie sie durch eine zu starre Einspannung auftreten könnten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Stege mittels rechtwinklig zu der ersten Symmetrieebene parallelen Bohrungen und parallel zur Kraftangriffsrichtung verlaufenden zweiten Bohrungen auf beiden Seiten der ersten Symmetrieebene in mehrere Stege aufgeteilt.
  • Die Aufteilung der Stege kann bei allen Ausführungsformen natürlich auch der aufzunehmenden Last angepaßt sein, d. h. es können symmetrisch zur zweiten Symmetrieebene je zwei, vier oder noch mehr Stege vorgesehen werden.
  • Die Kraftmeßzellen nach der Erfindung können sowohl zur Erfassung der durch Biegung hervorgerufenen Zug- und Druckspannungen als auch der Schub- oder Scherspannungen herangezogen werden. Im ersteren Fall sind die Dehnungsmeßstreifen in Kraftangriffsrichtung oben und unten an den Stegen anzukleben. Zur Erfassung der Schub-oder Scherspannungen sind die Dehnungsmeßstreifen an Seitenflächen der Stege anzubringen, die parallel zur Kraftangriffsrichtung liegen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens je eine der parallel zur Kraftangriffsrichtung sich erstreckenden Begrenzungsflächen der Ebene eben gestaltet. Auf diesen Flächen sind Dehnungsmeßstreifen angeordnet, deren aktive Elemente in Wirkrichtung der Schubspannungen verlaufen.
  • Das Verhalten der Kraftmeßzelle nach der Erfindung bezüglich auf sie einwirkender Querkräfte wird weiter verbessert, wenn das lastaufnehmende Krafteinleitungsteil topfartig ausgeführt ist und die Last in den Boden des Topfes über eine Kugelstelze eingeleitet wird.
  • Der Boden des topfartigen Krafteinleitungsteils sollte dazu zweckmäßig ungefähr in Höhe der neutralen Faser der vom Krafteinleitungsteil ausgehenden Stege verlaufen.
  • Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren erläutert.
  • Figur 1 stellt dabei ein schematisches Beispiel einer Kraftmeßzelle nach der Erfindung im Aufriß dar.
  • Figur 2 zeigt den Aufriß eines anderen schematischen Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung.
  • Die erfindungswesentlichen Merkmale der schematischen Ausführungsbeispiele nach Figur 1 und 2 sind in dem gemeinsamen Grundriß der Figur 3 dargestellt.
  • Die Figuren 4 und 5 stellen einen Auf- bzw. Grundriß einer Kraftmeßzelle mit zwei übereinanderliegenden Stegsystemen dar.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen einen Auf- bzw. Grundriß einer Kraftmeßzelle mit einem Stegsystem, dessen Jochteile als Stützen ausgeführt sind.
  • In Figur 1 ruht auf einer Grundplatte 1 ein Krafteinleitungsteil 2, von dem zwei Stege 3 und 4 ausgehen. Die äußeren Enden der Stege 3 und 4 sind in Jochteile 5 und 6 eingespannt. ueber den Stegen 3 und 4 befindet sich ein zweites Stegsystem aus Stegen 7 und 8, deren äußere Enden in die gleichen Jochteile 5 bzw. 6 eingespannt sind und deren innere Enden starr mit einem zweiten Krafteinleitungsteil 9 verbunden sind, auf das eine durch einen Pfeil dargestellte Last wirkt.
  • In Figur 2 trägt eine Grundplatte 10 zwei als Stützen ausgeführte Jochteile 11 bzw. 12, in deren obere Enden zwei Stege 13, 14 eingespannt sind. Die Stege 13 und 14 gehen von einem Krafteinleitungsteil 15 aus, mit dem sie starr verbunden sind. Die Jochteile 11 und 12 sind nahe der Grundplatte 10 auf ihren dem Krafteinleitungsteil 15 zugewandten Seiten mit biegeelastischen Querschnittsschwächungen 16 und 17 versehen. Bei einer Belastung des Krafteinleitungsteils 15 durch eine als Pfeil dargestellte Last können die Jochteile 11 und 12 infolge der biegeelastischen Querschnittsschwächungen 16 und 17 sich etwas nach innen neigen, so daß zusätzliche Zugspannungen in den Stegen 13 und 14 verringert werden.
  • Das Merkmal der Aufteilung der Stege symmetrisch zu einer zweiten Symmetrieebene 20 ist im Grundriß nach Figur 3 zu erkennen. Dieser Grundriß gilt für die beiden Aufrisse nach Figur 1 und 2. Danach sind zwischen Jochteilen 21 und 22 und einem Krafteinleitungsteil 23 je zwei Stege 24 und 26 bzw. 25 und 27 symmetrisch zu der Symmetrieebene 20 vorgesehen. Mit Hilfe dieser Konstruktion wird das polare Trägheitsmoment der Kraftmeßzelle bezüglich der Symmetrieebene 20 ungefähr ebenso groß wie ihr polares Trägheitsmoment bezüglich einer Symmetrieebene 28. Die Aufteilung in symmetrisch zur Symmetrieebene liegende Stege kann noch weitergetrieben werden, wie durch gestrichelt angedeutete weitere Stege 29 und 31 bzw. 30 und 32 gezeigt ist. Die Last ist auf dem Krafteinleitungsteil 23 durch einen Kreis mit einem Kreuz angedeutet.
  • Im Aufriß nach Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kraftmeßzelle dargestellt, bei der zwei Stegsysteme übereinander angeordnet sind. Sine Last wird über eine RugeAsteAte 40 aut den den eines topfartig ausgebildeten Krafteinleitungsteiles 41 übertragen. Zwischen dem Krafteinleitungsteil 41 und Jochteilen 42 bzw. 43 sind Stege 44' bzw. 45 eingespannt. Ein zweites Stegsystem aus Stegen 46 und 47 geht von einem zweiten Krafteinleitungsteil 49 aus, das auf einer Grundplatte 50 aufliegt. Die Stege 46 und 47 sind mit den Jochteilen 42 bzw. 43 starr verbunden. Beide Stegsysteme sind voneinander durch Bohrungen 51 bzw. 52 und einen diese beiden Bohrungen miteinander verbindenden Spalt 53 zwischen den beiden Krafteinleitungsteilen 41 und 49 voneinander getrennt.
  • Die gesamte Kraftmeßzelle befindet sich in einem Schutz zylinder 54, der durch einen Deckel 55 nach der Seite der Krafteinleitung hin abgeschlossen ist. Der Deckel 55 weist eine zentrale Öffnung 56 auf, durch welche die Kugelstelze 40 herausgeführt ist. Zum luftdichten Abschluß des Meßfedersystems gegenüber der Umwelt dient eine Wellmembran 57, die einerseits in einer Ringnut auf der Stirnseite des Kräfteinleitungsteils 41 eingelassen und andererspits zwischen dem Deckel 55 und dem Schutzzylinder 54 eingeklemmt ist.
  • Im Grundriß der Figur 5 ist der Schutzzylinder 54 zu erkennen, in dem das Stegsystem, das aus den Jochteilen 42 und 43 und den Stegen 44 und 44' sowie den Stegen 45 und 45' besteht, untergebracht ist. Die Stege 44 und 45l sind im Aufriß der Figur 4 nicht zu sehen. Die Stege 45 und 45' sind durch Bohrungen 59 voneinander getrennt. Ebenso ist der Steg 44 vom Steg 44' durch Bohrungen 58 getrennt. Die Bohrungen verlaufen in Kraftangriffsrichtung, sie bestehen aus konstruktiven Gründen aus je drei Einzelbohrungen unterschiedlichen Durchmessers. Je eine Seitenfläche der Stege ist, wie ersichtlich, eben ausgeführt. An diesen Seitenflächen werden Dehnungsmeßstreifen angebracht.
  • Figur 6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Aufriß dar. Mit einer Grundplatte 60 sind zwei Jochteile 61 und 62 starr verbunden. Waagerechte Bohrungen 63 und 64 und ein Spalt 65 trennen Stege und ein Krafteinleitungsteil 67 von der Grundplatte 60. Von den Stegen ist ein Steg 66 in dem nicht geschnittenen rechten Teil des Meßfedersystems zu erkennen. Der Spalt 65 dient gleichzeitig der Sicherung gegen Überlast. Er ist so bemessen, daß das Krafteinleitungsteil 67 sich an der Uberlastschwelle auf die Bodenplatte 60 aufsetzt. Damit wird die Last direkt über das Krafteinleitungsteil auf die Bodenplatte abgeleitet.
  • Die Kraftmenzelle ist von einem Schutzzylinder 68 umgeben, der durch einen Deckel 69 nach oben abgeschlossen wird. Zur luftdichten Trennung des Meßfedersystems von der Umwelt ist eine Wellmembran 70 vorgesehen. Die Lasteinleitung in den topfartig ausgebildeten Krafteinleitungsteil 67 erfolgt über eine Kugelstelze 71.
  • Ein Balg 72, der einerseits an der Kugelstelze 71 und andererselts an einer zentralen Öffnung des Deckels 69 befestigt ist, schützt die Auflagefläche im Krafteinleitungsteil 67 für die Kugelstelze 71 vor Verschmutzung. An der der Bildebene parallelen Seitenfläche des Steges 66 sind Dehnungsmeßstreifen angebracht.
  • Ihre aktiven Teile verlaufen in Richtung der Schubspannung in den Stegen. Mit derartigen Dehnungsmeßstreifen sind auch die übrigen in der Figur 6 nicht sichtbaren Stege versehen.
  • Statt der Nutzung von Schubspannungen kann alternativ auch auf Druck- und Zugspannungen zurückgegriffen werden. In diesem Falle sind Dehnungsmeßstreifen z. B. an die in Figur 7 erkennbaren Stellen der Meßfedern 66, 73, 76 und 77 zu kleben.
  • Im Grundriß der Figur 7 sind mit der Figur 6 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Grundriß sind der Deckel 69, die Wellmembran 70, die Kugelstelze 71 und der Balg 72 zur besseren Sichtbarkeit des Meßfedersystems weggelassen. Der Schutzzylinder 68 umhüllt das aus Bodenplatte 6o, Jochteilen 61 und 62, den Stegen 66, 73, 74, 75, 76 und 77 sowie dem Krafteinleitungsteil 67 bestehende Meßfedersystem. Die Stege sind durch auf den Bohrungen 63 und 64 senkrechtstehende Bohrungen 78, 79, 80 und 81 unterteilt. Eine der Seitenwände der Stege 66, 73, 76 und 77 ist eben. Auf diesen ebenen Seiten sind Dehnungsmeßstreifen angebracht.
  • 7 Patentansprüche 7 Figuren

Claims (7)

  1. Patentansprüche Kraftmeßzelle mit an einem zentralen Krafteinleitungsteil und peripheren Jochteilen eingespannten, rechtwinklig zu einer ersten Symmetrieebene verlaufenden Stegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege beidseitig der ersten Symmetrieebene in mehrere Stege unterteilt sind, deren Abstände von einer zur ersten rechtwinkligen und sie in einer Geraden in Kraftangriffsrichtung schneidenden zweiten Symmetrieebene so gewählt sind, daß das polare Trägheitsmoment der Stege um die zweite Symmetrieebene ungefähr ihrem polaren Trägheitsmoment um die erste Symmetrieebene gleicht.
  2. 2. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stegsysteme in Kraftangriffsrichtung untereinander angeordnet sind, wobei einander entsprechende Jochteile beider Systeme vereinigt und Krafteinleitungsteile voneinander getrennt sind.
  3. 3. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochteile als auf einer steifen Bodenplatte befestigte Stützen mit einer biegeelastischen Querschnittsschwächung nahe der Bodenplatte ausgebildet sind.
  4. 4. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege mittels rechtwinklig zu der ersten Symmetrieebene parallelen Bohrungen und -parallel zur Kraftangriffsrichtung verlaufenden zweiten Bohrungen auf beiden Seiten der ersten Symmetrieebene in mehrere Stege aufgeteilt sind.
  5. 5. Kraftmeßzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine der parallel zur Kraftangriffsrichtung sich erstreckenden Begrenzungsflächen der Stege eben ist und die ebenen Flächen Dehnungsmeßstreifen tragen, deren aktive Elemente in Wirkrichtung der Schubspannungen verlaufen.
  6. 6. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lastaufnehmende Krafteinleitungsteil topfartig ausgeführt ist und die Last in den Boden des Topfes über eine Kugelstelze eingeleitet wird.
  7. 7. Kraftmeßzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des topfartigen Krafteinleitungsteils ungefähr in Höhe der neutralen Faser der vow Krafteinleitungsteil ausgehenden Stege liegt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2571853A1 (fr) * 1984-10-12 1986-04-18 Sedeme Capteur a jauges de contrainte
DE4132114A1 (de) * 1991-09-26 1993-04-01 Siemens Ag Messaufnehmer fuer laengen- oder abstandsaenderungen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2571853A1 (fr) * 1984-10-12 1986-04-18 Sedeme Capteur a jauges de contrainte
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