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Kraftmeßzelle
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeßzelle mit an einem zentralen
Krafteinleitungsteil und peripheren Jochteilen eingespannten, rechtwinklig zu einer
ersten Symmetrieebene verlaufenden Stegen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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gegenüber Querkräften auf; ihr Verhalten ist weitgehend unempfindlich
gegenüber Einbaulagen geworden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Boden des topfartigen Krafteinleitungsteils sollte dazu zweckmäßig
ungefähr in Höhe der neutralen Faser der vom Krafteinleitungsteil ausgehenden Stege
verlaufen.
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Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren erläutert.
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Figur 1 stellt dabei ein schematisches Beispiel einer Kraftmeßzelle
nach der Erfindung im Aufriß dar.
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Figur 2 zeigt den Aufriß eines anderen schematischen Ausfuhrungsbeispiels
der Erfindung.
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Die erfindungswesentlichen Merkmale der schematischen Ausführungsbeispiele
nach Figur 1 und 2 sind in dem gemeinsamen Grundriß der Figur 3 dargestellt.
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Die Figuren 4 und 5 stellen einen Auf- bzw. Grundriß einer Kraftmeßzelle
mit zwei übereinanderliegenden Stegsystemen dar.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen einen Auf- bzw. Grundriß einer Kraftmeßzelle
mit einem Stegsystem, dessen Jochteile als Stützen
ausgeführt sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7 Patentansprüche 7 Figuren