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Kraftmeßdose
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeßdose mit einem eine eventuelle
Querkraft über eine Membran an ein Gehäuse abführenden Meßfederkörper und einer
in Lastrichtung unterhalb der Membran sich auf den Meßfederkörper abstützenden,
kugelkalottenförmige Abrollflächen aufweisenden Krafteinleitungsstelze.
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Eine derartige Kraftmeßdose ist der DT-AS 1 232 370 zu entnehmen.
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Die bekannte Kraftmeßdose ist eine von verschiedenen Lösungen des
Problems, die bei der Messung von Lasten mit Hilfe von Kraftmeßdosen oft auftretenden
Querkräfte möglichst unschädlich für die Kraftmeßdose und das Meßergebnis zu machen.
Es ist eine ganze Reihe von mehr oder minder guten Lösungen dieses Problems bekannt,
unter anderem aus der DT-PS 1 806 668 eine Kraftmeßdose, bei der die zu messende
Last über eine kugelkalottenförmige Stirnflächen aufweisende Stelze eingeleitet
wird. Beim Auftreten von Querkräftenßrollen die Stirnflächen der Stelze auf ebenen
Flächen an der Kraftmeßdose und einem Druckstück ab. Mit der bekannten Lösung wird
vorgeschlagen, die Höhe der Stelze kleiner als den doppelten Krümmungsradius der
Stirnflächen der Stelze zu machen und innerhalb dieses Bereichs die beiden Konstruktionsmerkmale
so zu gestalten, daß eine infolge der Schrägstellung der Stelze hervorgerufene Änderung
der Krafteinleitungsrichtung aus der Senkrechten eine Meßempfindliclikeitsänderung
bewirkt, die eine andere Meßempfindlichkeitsänderung, hervorgerufen von der Verlagerung
des Kraftangriffspunktes aus der Dosenachse, gerade kompensiert. Eine Voraussetzung
für diese angestrebte
Kompensation ist ein rotationssymmetrischer
Meßfederkörper, denn bei einem nichtsymmetrischen Meßfederkörper ist keine Gewähr
dafür vorhanden, daß die beiden einander kompensierenden Meßempfindlichkeitsänderungen
auch wirklich gegenlaufig sind.
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Bei der eingangs genannten Kraftmeßdose hat die Krafteinleitungsstelze
Kugelform bzw. soll ein Zylinder sein, dessen Stirnflächen Kalotten einer die Stelze
umschreibenden Kugelfläche sind. Die Flächen, auf denen die Stelze bei Einwirkung
einer Querkraft abrollen kann, sind ebenfalls Kugelflächen von größerem Krümmungsradius
als die Kugelflächen der Stelze. Für die bekannte Kraftmeßdose wird ein Abstand
der Membran zur Ableitung einer Querkraft- von der unter der Membran liegenden Abrollfläche
am Meßfederkörper vorgeschlagen, der dem Krümmungsradius dieser Abrollfläche entspricht.
Die bekannte Lösung benötigt Bauelemente, an denen insgesamt vier kugelförmige Flächen
anzuarbeiten sind. Für eine konstruktiv einfachere Lösung, bei der die kugelförmigen
Stirnflächen der Stelze auf ebenen Flächen abrollen können, ergibt sich äus der
bekannten Lösung kein Hinweis, denn der Einsatz eines unendlich großen Krümmungsradius
für die Abrollfläche am Meßfederkörper ergibt keine sinnvolle Dimensionierung für
den Abstand der Membran von der Abrollfläche.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Beziehung zwischen den
Stelzenabmessungen und dem Abstand der Membran von der Abrollfläche an dem Meßfederkörper
anzugeben, für die - wie beim Bekannten - auch unter Querlasteinfluß der Meßfederkörper
biegemomentfrei bleibt.
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Bei einer eingangs näher bezeichneten Kraftmeßdose wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Abstand der neutralen Faser der Membran
von einer Krafteinleitungsebene an dem Meßfederkörper gleich dem Quotienten aus
dem Kugelradius der kalottenförmigen Abrollflächen und dem um Eins verminderten
doppelten Verhältnis des Kugelradius zur Stelzenlänge ist.
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Anhand der weiter unten beschriebenen Figuren 2 und 3 wird abgeleitet
werden, daß eine so dimensionierte Kraftmeßdose biegemomentfrei bleibt und deshalb
keinen Meßfehler durch eine eventuell auftretende Querkraft erleidet.
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Mit Vorteil wird als Meßfederkörper ein hohler, im wesentlichen rohrförmiger
Körper verwendet, der auf seiner einen Stirnseite auf einer Unterlage ruht. Auf
der anderen Stirnseite liegt der Rand eines topfartigen Einsatzes auf, dessen Bodenfläche
als Abrollebene für die untere Kugelkalotte einer Krafteinleitungsstelze dient.
Die Membran ist zweckmäßig zwischen dem Rand des Einsatzes und der oberen Stirnfläche
des Meßfederkörpers eingespannt. An ihrem äußeren Umfang ist die Membran am Gehäuse
der Kraftmeßdose befestigt. Zwischen die untere Stirnfläche des Meßfederkörpers
und die den Boden des Kraftmeßdosengehäuses bildende Unterlage kann zweckmäßig ein
ebenfalls mit einer kugeligen Fläche auf der Unterlage ruhendes Zwischenstück eingefügt
sein.
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Anstelle eines Meßfederkörpers kann auch eine komplette Kraftmeßdose
innerhalb eines weiteren Gehäuses über den topfförmigen Einsatz und die Krafteinleitungsstelze
belastet sein.
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Die Erfindung wird anhand von fünf Figuren näher erläutert.
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In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine Kraftmeßdose nach der Erfindung
schematisch gezeigt.
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In Figur 2 sind die auf den Meßfederkörper einwirkenden Kräfte dargestellt.
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Anhand. das. Diagramms der Figur 3 werden geometrische Beziehungen
zwischen den Abmessungen der Krafteinleitungsstelze und den Auflagepunkten ihrer
Stirnflächen bei einer Verschiebung unter dem Einfluß einer Querkraft abgeleitet.
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Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer
Kraftmeßdose nach der Erfindung.
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In Figur 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftmeßdose
nach der Erfindung dargestellt.
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In Figur 1 ist ein Meßfederkörper 1 von einem Gehäuse 2 umgeben, auf
dessen Boden 3 der Meßfederkörper 1 mit einer kugeligen Stirnfläche 4 ruht. Der
Meßfederkörper 1 ist über einen Teil h seiner Länge ausgedreht. In diese Ausdrehung
ragt eine Krafteinleitungsstelze 5, die ebenfalls kugelige Stirnflächen aufweist.
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Der Meßfederkörper ist an seinem der Last P zugewandten Ende mit einer
waagrechten Membran 6 gegen das Gehäuse 2 abgestützt. Die Membran ist zwischen dem
Mantel des Gehäuses 2 und einem Gehäuse-
deckel 7 eingespannt. Am
Meßfederkörper 1 ist die Membran mit Hilfe eines Ringes 8 befestigt. Eine Querkraft
Q ist als Pfeil wie die Last P dargestellt.
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In Figur 2 ist der Meßfederkörper und die auf ihn einwirkenden Kräfte
für sich dargestellt. Die gesamte Länge des Meßfederkörpers ist mit lm bezeichnet.
Die Länge des ausgedrehten Teils wird wie in Figur 1 mit h angegeben. Die der Einfachheit
halber nicht dargestellte Krafteinleitungsstelze soll unter einer Querkraft teilweise
abgerollt sein. Die aus der Last und der Querkraft resultierende Kraft S ist als
Pfeil eingezeichnet. Der Krafteinleitungspunkt ist um b aus der Achse des Meßfederkörpers
nach rechts verschoben. Die resultierende Kraft S kann am Kräfteinleitungspunkt
in eine senkrechte Kraft P und in eine horizontale Kraft PH zerlegt werden. Der
Winkel zwischen S und P sei ob genannt. An einem unteren Auflagepunkt M des Meßfederkörpers
1 wirkt der Kraft P eine entgegengesetzte Reaktionskraft P' entgegen. Ebenso wirkt
an diesem Punkt eine der Horizontalkraft PH entgegengesetzte Reaktionskraft PH'.
Außerdem wirkt am oberen Rand des Meßfederkörpers von der Membran her eine Gegenkraft
H.
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An der Figur 2 werden die Gleichgewichtsbedingungen für die auf den
Meßfederkörper einwirkenden Kräfte und Momente abgeleitet.
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Die Gleichgewichtsbedingung für senkrechte Kräfte lautet: P -P' =
0 Für die waagrechten Kräfte lautet die Gleichgewichtsbedingung: PH PH , -H=0 Weiter
läßt sich aus der Figur ableiten, daß PH = P e tangc ist0 Damit ergibt sich als
Gleichgewichtsbedingung für die waagrechten Kräfte: P . tan - H3 - H = 0 (1)
Die
Gleichgewichtsbedingung für Momente um einen Drehpunkt bei M lautet: P b - H . lm
+ PH 1o = Mit dem obenstehenden Ausdruck PH = P . tan ergibt sich daraus P . b -
H . lm + P . 10 . tans = 0 Nach H aufgelöst wird daraus b + 10 . tanoc H = P Im
(2) Soll auf den Meßfederkörper kein Biegemoment einwirken, dann muß PH' = 0 sein.
Mit dieser Bedingung wird aus Gleichung (1) P tanoc = H Wird diese Gleichung in
Gleichung (2) eingesetzt, so ergibt sich b + 10 tanoc tanoc = lm und daraus folgt:
tans = b (3) α ist der Winkel zwischen der resultierenden Kraft S und der
Senkrechten. tand kann auch als Verhältnis der Querkraft zur Meßkraft aufgefaßt
werden. b ist die Entfernung des Berührungspunktes der unter der Querkraft abgerollten
Lasteinleitungsstelze mit dem Meßfederkörper von der Meßfederkörperachse, kurz auch
als Außermittigkeit des Lastangriffspunktes bezeichnet. lm - 10 ist der Abstand,
den die Membran von der Krafteinleitungsebene des Meßfederkörpers hat. Der Winkel
α ist mit der Außermittigkeit des Lastangriffspunktes b über die Länge der
Krafteinlei-
tungsstelze und den Radien ihrer kalo-ttenförmigen
Stirnflächen verknüpft. Die genauen Zusammenhänge werden später anhand der Figur
3 abgeleitet.
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Wenn die Abmessungen der Krafteinleitungsstelze Länge und Abrundungsradius
und der Abstand der Membran von der Lasteinleitungsebene so ausgewählt werden, daß
die Gleichung (3) erfüllt wird, so wirkt auf den Meßfederkörper unabhängig von der
Stellung der Krafteinleitungsstelze und damit auch unabhängig von einer eventuellen
Querkraft nur noch die axial wirkende Meßkraft ein. Die Form des Meßfederkörpers
spielt dabei keine Rolle.
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Im Vorausgehenden wird also in der Gleichgewichtsbedingung für horizontal
wirkende Kräfte die Kraft PH' = 0 gesetzt, weil unter dieser Bedingung kein Biegemoment
am Meßfederkörper auftritt. Mit dem Ergebnis dieser Voraussetzung wird in die Gleichgewichtsbedingung
für die Momente eingegangen und daraus eine Beziehung zwischen tanK oder gleichbedeutend
dem Querkraft-Meßkraft-Verhältnis und dem Verhältnis der Außermittigkeit des Kraftangriffspunktes
und dem Membranabstand von der Lasteinleitungsebene erhalten.
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Aus der Figur 3 läßt sich nun noch eine zweite Beziehung zwischen
dem Querkraft-Meßkraft-Verhältnis und der Außermittigkeit b ableiten, in der auch
die Konstruktionsgrößen Stelzenlänge und Kalottenradius erscheinen.
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Durcheinen Vergleich der beiden Beziehungen wird eine dritte Beziehung
gewonnen, die nur noch Konstruktionsgrößen enthält.
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In Figur 3 ist schematisch die unter einem Querkrafteinfluß abgerollte
Krafteinleitungsstelze dargestellt. Ihre Kalottenflächen werden symbolisiert durch
Kreisabschnitte mit den Radien R. Die Abrollebenen sind dargestellt-durch Geraden
I und II. Der zeichnerischen Einfachheit halber ist die Krafteinleitungsstelze senkrecht
stehend und die Abrollebenen I und II an den Kalottenflächen abgerollt gedacht.
Der Winkel ac stellt in der Figur 3 die Abweichung der Verbindungslinie der beiden
Berührungspunkte der Kalottenflächen gegenüber der Senkrechten auf die Abrollebenn
dar. a bedeutet die Länge der Krafteinleitungsstelze. e ist der Abstand der beiden
Berührungspunkte von der Senkrechten auf die Abrollebenen I und II durch den Punkt
C. Dann läßt sich aus
dem Dreieck A C D ableiten: tanks 2e (4) a
Dies gilt genügend genau für kleine Winkel. Mit b als Bogen, den die Kalottenfläche
bei Schrägstellung der Krafteinleitungsstelze abrollt, ergeben sich aus der Ähnlichkeit
der Dreiecke A B E und C E F: a b R R . b (5) Auch diese Beziehung gilt genügend
genau für kleine Winkel. Wird (5) in (4) eingesetzt, so erhält man für tanks oder
das Querkraft-Meßkraft-Verhältnis: tank α = 2 R - a . b Wird dieser Ausdruck
verglichen mit der Gleichung (3), wobei für Im - lo gesetzt wird h, so ergibt sich:
h a . R Dies ist eine Beziehung, in der nur noch die Konstruktionsgrößen Stelzenlänge,
Membranabstand und Kalottenradius vorkommen. Wird für das Verhältnis Kalottenradius
durch Stelzenlänge n gesetzt, so ergibt sich: h = an R 2n-l = 2n-1 (13) Dies ist
eine Beziehung zwischen den Konstruktionsgrößen. Bei ihrer Einhaltung ist gewährleistet,
daß auf den Meßfederkörper keine Biegemomente einwirken.
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Mit Einführung von g als horizontale Relativverschiebung der parallelen
Abrollebenen I und II, die einer Parallelverschiebung zwischen einem Druckstück
mit der Abrollebene 1 und dem Meßfederkörper mit der Abrollebene II beim abrollenden
Stempel entspricht,
gilt für den Abrollvorgang: g = 2 (b - e) Wird
in diese Beziehung die Gleichung (5) eingesetzt, so ergibt sich: b = g . R (6) a
Unter der angenommenen Voraussetzung war das Querkraft-Meßkraft-Verhältnis H = tan
α (7) Aus den Gleichungen (4), (5), (6) und (7) ergibt sich die Gleichung
H 2 (R a) . g (8) a2 die den Zusammenhang zwischen der oben erwähnten Parallelverschiebung
und dem Querkraft-Meßkraft-Verhältnis darstellt. Wird auch hier zur Vereinfachung
das Verhältnis Kalottenradius durch R Stelzenlänge a = n eingeführt, so wird daraus:
H = (2 n 1) g (10) a Mit P als Schrägneigung der Stelze aus der Senkrechten wird
po = b 3600 2R.X Daraus ergibt sich mit der Gleichung (6) zusammen ß° = g a . #
.180° als Zusammenhang zwischen der Parallelverschiebung g und der Schrägneigung
der Stelze.
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In Figur 4 ist ein Längs schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer
Kraftmeßdose nach der Erfindung gezeigt. In einem Gehäuse
10, das
durch einen Deckel 11 verschlossen werden kann, ist ein rohrförmiger Meßfederkörper
12 aufgestellt, dessen untere Stirnfläche auf dem Boden des Gehäuses 10 aufsitzt
und mit Schrauben 13 dort befestigt ist. Auf der oberen Stirnfläche des rohrförmigen
Meßfederkörpers 12 liegt der Rand eines topfförmigen Einsatzes 14 auf. Er ist mit
dem Meßfederkörper durch Schrauben 15 fest verbunden. Zwischen dem Gehäuse 10 und
dem Deckel 11 einerseits und dem Rand des Einsatzes 14 und der oberen Stirnfläche
des Meßfederkörpers 12 andererseits ist eine Membran 16 eingespannt, die Querkräfte
an das Gehäuse ableitet. Auf dem ebenen Boden 17 des Einsatzes 14 ruht eine Krafteinleitungsstelze
18, deren beidseitige Stirnflächen Kugelkalotten mit dem Krümmungsradius R sind.
Die Länge der Krafteinleitungsstelze 18 ist gemäß den Bezeichnungen der vorhergehenden
Figur mit a und der Membranabstand vom Boden 17 mit h bezeichnet. In eine Seitenwand
des Gehäuses 1Q ist eine Anschlußplatte 19 eingelassen, über die nicht dargestellte
Dehnungsmeßstreifen, die am Meßfederkörper 12 befestigt sind, an einen elektrischen
Schaltkreis angeschlossen werden können.
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In der Figur 5, die einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
darstellt, sind mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 übereinstimmende Bauelemente
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der einzige Unterschied zwischen
den beiden Ausführungsbeispielen besteht darin, daß der Meßfederkörper 12 beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 5 sich nicht unmittelbar auf dem Boden des Gehäuses 10 abstützt. Er ist
vielmehr mit Schrauben 20 auf einer kugelig abgerundeten Grundplatte 21 befestigt,
die ihrerseits auf einer gehärteten Stahlplatte 22 ruht, die mit Schrauben 23 mit
dem Gehäuseboden verbunden ist.
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5 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e