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Federkörper mit Dehnstreifen für Kraftmessungen
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Die Erfindung betrifft einen Federkörper mit Dehnstreifen für Kraftmessungen
in der Form eines im wesentlichen geschlossenen Rechteckrahmens, der an seinen Längsseiten
in der Mitte derselben durch die zu messende Kraft belastet ist und an dem die Dehnstreifen
an Dehn- und Stauchzonen angeordnet sind.
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Neben Federkörpern in verschiedenen Arten und Formen, wie beispielsweise
axial belastete Zylinder oder Ringmembranen, sind auch radial belastbare Ringe und
Rechteckrahmen bekannt, die in ihrer Ebene in der Mittellinie belastet werden und
zur Kraftmessung in Dehn- und Stauchzonen mit Dehnstreifen beklebt sind.
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Aus der Druckschrift "Archiv für technisches Messen", Jan. 1967, Blatt
J 133-2 ist ein Rechteckrahmen bekannt, der aus vier beidseitig eingespannten einander
gleichen Biegebalken besteht und im Bereich kleiner Kräfte unter 1000 kp recht gute
Meßeigenschaften zeigt, da er Dehn- und Stauchzonen besitzt, deren nicht lineare
Eigenschaften sich kompensieren. Für größere Kräfte sind Rechteckrahmen dieser Art
nicht einsetzbar, weil wegen der Einspannstellen die Dauerbelastbarkeit begrenzt
ist. Die Herstellung solcher Rahmen aus einem Stück ist dagegen sehr aufwendig.
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Hinzu kommt, daß der starke Anstieg der Spannung in der Nähe der Einspannstellen
nicht nur für das Federmaterial selbst, sondern auch für Dehnstreifen und Klebschicht
gefährlich ist. So kann beispielsweise eine Schwingungsbelastung zur Materialermüdung
und Dehnstreifenbruch führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Federkörper mit Dehnstreifen
für Kraftmessungen in Form eines im wesentlichen geschlossenen Xechteckrahmens zu
schaffen, der sich mit relativ geringem Aufwand aus einem Stück herstellen
läßt,
der im Vergleich zum bekannten Rechteckrahmen für erheblich größere Kräfte geeignet
ist und gute Neßeigenschaftenbesitzt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Federkörper der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Federkörper als rechteckförmige Platte ausgebildet
ist, deren Plattenebene parallel zur Lastrichtung verläuft, daß in der Platte zu
beiden Seiten der Lastlinie gleiche großflächige Bohrungen enthalten sind, die durch
einen mittigen Einschnitt in Verbindung stehen und insgesamt einen quer zur Lastrichtung
verlaufenden Spalt bilden, und daß an den zu beiden Längsseiten dieses Spaltes liegenden
Schenkeln in den Zonen mit kleinstem Querschnitt Dehnstreifen angebracht sind.
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Der Hauptvorteil eines solchen Federkörpers besteht darin, daß er
sich auch bei Einhaltung enger Toleranzen mit einfachen Mitteln aus einem Stück
fertigen läßt. In gleicher Weise wie der bekannte Rechteckrahmen besitzt der erfindungsgemäße
Federkörper ebenfalls mindestens acht Zonen großer Dehnung und ebensoviel Zonen
betragsgleicher Stauchung. Im Gegensatz zum bekannten Rechteckrahmen hat er keine
Stellen mit steilem Anstieg der Spannung, weil Querschnitts- und Richtungsänderungen
relativ flach verlaufen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Federkörper entweder
mit einer Bohrung auf jeder Seite oder zwei Bohrungen auf jeder Seite ausgestattet
sein, wobei die letztgenannte Ausführung für die Messung kleinerer Kräfte, vorzugsweise
unter 1 Np besonders gut geeignet ist.
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Häufig besteht die Forderung, Federkörper dieser Art gegen Uberlastung
zu schützen. Nach einer weiteren Ausge-
staltung der Erfindung kann
dies dadurch erreicht werden, daß in der Nähe der beiden Krafteinleitungsstellen
in quer zur Plattenebene verlaufenden und auf die Lastrichtung zentrierte Bohrungen
Rundbolzen angeordnet werden, die auf der Front- und Rückseite durch aufgesteckte
Laschen verbunden sind, und daß wenigstens eine der Bohrungen soviel Spiel hat,
daß erst nach Uberschreitung des Lastbereichs der Federhub durch den mechanischen
Anschlag der Laschen-Bolzenanordnung begrenzt wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung erläutert, in der verschiedene Ausführungsbeispiele schematisch
dargestellt sind. Es zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht eines bekannten Federkörpers
in Form eines Rechteckrahmens, Figur 2 eine erste Ausführungsform eines Federkörpers
nach der Erfindung mit insgesamt vier Bohrungen, Figuren eine zweite Ausführungsform
eines Federkörpers 3 bis 6 nach der Erfindung mit zwei Bohrungen, Figuren einen
Federkörper der zweiten Ausführungsform 7 und 8 mit einer Uberlastungssicherung,
Figur 9 eine Seitenansicht einer praktischen Ausführungsform eines Federkörpers
und Figur 10 eine Draufsicht des Federkörpers nach Figur 9.
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Der bekannte Rechteckrahmen nach Figur 1 besteht aus vier
beidseitig
eingespannten einander gleichen Biegebalken.
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Die Dehnstreifen werden an den Dehn- und Stauchzonen der Biegebalken
in Längsrichtung angebracht und erfahren bei einer Zugbeanspruchung Z eine Dehnung
und damit eine Anderung ihres elektrischen Widerstandes, die ein Maß für die Belastung
Z ist.
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Figur 2 zeigt einen Federkörper nach der Erfindung in Form einer rechteckförmigen
Platte 1, deren Plattenebene parallel zur Hichtung der Last Z verläuft. In der Platte
sind auf beiden Seiten der Lastlinie gleiche großflächige Bohrungen 2 enthalten,
die durch einen mittigen Einschnitt 3 verbunden sind. Die Bohrungen 2 und der mittige
Einschnitt 3 bilden insgesamt einen quer zur Lastrichtung verlaufenden Spalt, der
an seinen Längsseiten von Schenkeln 4, 5 begrenzt ist, wobei in jedem Schenkel vier
Einschnürungen enthalten sind, so daß der Federkörper insgesamt acht Stellen mit
kleinstem Schenkelquerschnitt aufweist. An der Oberfläche dieser Stellen mit kleinstem
Schenkelquerschnitt sind wenigstens acht Zonen großer Dehnung und ebensoviel Zonen
mit betragsgleicher Stauchung vorhanden. In der Zeichnung sind die Dehnzonen mit
einem + und die Stauchzonen mit einem -Zeichen gekennzeichnet.
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An den acht schwächsten Schenkelstellen können acht Dehnstreifen außen
in Längsrichtung und tangential zu den Bohrungen 2 am Federkörper angebracht sein.
Die ebenen Klebflächen erleichtern das Aufbringen der Dehnstreifen, und der fertig
beklebte Federkörper kann, soweit dies notwendig sein sollte, durch Aufreiben der
Bohrungen oder Abtragen von Material auf der Front- und Rückseite auf größere Empfindlichkeit
gebracht werden. Bei der Verwendung wird der gesamte Federkörper zum Schutz der
Dehnstreifen und der Verdrahtung in ein Gehäuse eingeschlossen.
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Es können ebenso gut acht Dehnstreifen innerhalb der Bohrungen 3 in
Umfangsrichtung derselben an der Bohrungswandung angebracht werden. Wenn auch das
Aufbringen der Dehnstreifen auf den gekrümmten Flächen etwas schwieriger ist, so
bietet diese Anordnung dafür den Vorteil, daß Dehnstreifen und Verdrahtung einfacher
und mit weniger Raumbedarf geschützt werden können, beispielsweise durch Vergießen
der Bohrungen und Schlitze oder durch Aufkleben von Schutzfolien auf der Vorder-
und Rückseite des Federkörpers 1.
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Bei dem Federkörper nach Figur 2 lassen sich aber auch zweimal acht
Dehnstreifen anbringen, wenn man sowohl die äußeren ebenen Flächen als auch die
inneren Wandungsflächen der Bohrungen 3 beklebt. Der höhere Aufwand bringt zwei
Vorteile. Man kann bei Serienschaltung der vier Dehnstreifen eines Brückenzweiges
mit doppelter Speisespannung arbeiten und damit die doppelte Nutzspannung erzielen.
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Ferner liegen an den acht schwächsten Schenkelstellen jeweils zwei
Dehnstreifen mit gegenläufiger Dehnung dicht beisammen, so daß auch bei ungleichförmiger
Temperaturverteilung ein guter Ausgleich gesichert ist.
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Figur 3 zeigt einen Federkörper in Form einer rechteckförmigen Platte
6 mit nur zwei Bohrungen 7 quer zur Plattenebene, die durch einen mittigen Einschnitt
8 in Verbindung stehen. Dieser Federkörper enthält in jedem Schenkel 9, 10 zwei
Einschnürungen, so daß insgesamt vier Stellen mit kleinsten Querschnitten vorhanden
sind. Bei diesem Federkörper können acht Dehnstreifen angebracht werden, und zwar
je vier auf der Vorder- und Rückseite unter 450 zur Lastrichtung.
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Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß der Federkörper nach Figur
3 bei gleichem Querschnitt der schwächsten
Schenkelstellen in der
Richtung quer zur Lastrichtung nur etwa die halbe Breite eines Federkörpers mit
vier Bohrungen hat und daß die schwächsten Stellen in erster Linie auf Scherung,
während sie bei einem Federkörper mit vier Bohrungen auf Biegung beansprucht sind.
Ferner erkennt man, daß die Höhe der schwächsten Stellen und damit der Scherquerschnitt
ohne Nachteil groß gewählt werden kann, wenn große Kräfte zu messen sind. Beide
Punkte bewirken kleinere Abmessungen des Federkörpers mit zwei Bohrungen und auch
kleineren Hub in der Lastrichtung.
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Figur 4 zeigt bei einem Federkörper nach Figur 3 die Anbringung von
acht 90°-Dehnstreifenrosetten, und zwar je vier auf der Vorder- und Rückseite. Die
Verwendung von Dehnstreifenrosetten verbessert die Temperaturkompensation und ergibt
bei Serienschaltung der Dehnstreifen wiederum doppelte Nutzspannung.
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Die Verwendung eines Federkörpers mit zwei Bohrungen für kleinere
Kräfte ist dadurch begrenzt, daß die schwächsten Schenkelstellen zur Anbringung
der Dehnstreifen oder Dehnstreifenrosetten einige mm hoch sein müssen und daß die
Tiefe der Platte nicht zu klein sein darf, wenn der Federkörper nicht instabil werden
soll (Gefahr des Ausbiegens oder Knickens).
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Eine größere Tiefe und Steifigkeit bei einem Federkörper mit zwei
Bohrungen läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß entsprechend der Darstellung
in Figur 5 zwei weitere Bohrungen 11 parallel zur Plattenebene und Lastrichtung
vorgesehen werden, deren Lage so gewählt wird, daß sich die Achsen der Bohrungen
11 auf jeder Seite der Lastrichtung mit der Achse der entsprechenden quer zur Plattenebene
verlaufenden Bohrung 7 kreuzt. Damit ergibt sich bei gleichem Scherquerschnitt eine
größere Bie-
gesteifigkeit und Stabilität.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 5 können die acht Dehnstreifen
oder Dehnrosetten außen wie bei den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 oder zum
besseren Schutz auch innerhalb der Bohrungen 11 angebracht werden. Schließlich kann
man beide Anbringungsarten kombinieren und damit insgesamt sechzehn Dehnstreifen
oder auch Dehnstreifenrosetten unterbringen.
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In den Figuren 7 und 8 ist die Anwendung einer mechanischen Uberlastsicherung
bei einem Federkörper mit zwei Bohrungen quer zur Plattenebene dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform ist der Federkörper in der Nähe der beiden Krafteinleitungsstellen
von quer zur Plattenebene verlaufenden Bohrungen durchsetzt, in denen je ein Rundbolzen
12 gelagert ist. Die überstehenden Enden der Rundbolzen 12 sind auf der Front- und
Rückseite des Federkörpers durch aufgesteckte Laschen 13 miteinander verbunden.
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Durch Vergrößerung der Bohrungen im Federkörper oder in den Laschen
an einer der beiden Krafteinleitungsstellen wird dem entsprechenden Bolzen 11 soviel
Spiel gegeben, wie zur Hubbegrenzung erforderlich ist. Durch Aufreiben der entsprechenden
Bohrung läßt sich das erforderliche, meist sehr geringe Spiel von 10 bis 100 zurpräzise
kalibrieren.
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Eine praktische Ausführungsform eines Federkörpers mit zwei quer zur
Plattenebene verlaufenden Bohrungen und zwei weiteren achsparallelen Bohrungen für
die Anbringung einer Uberlastsicherung ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt.
Die rechteckförmige Platte und die für die Krafteinleitung vorgesehenen Schraubenbolzen
14 sind als einstückiger Körper ausgebildet. Diese Darstellung läßt deutlich die
vorteilhafte äußerst kompakte und
robuste Bauweise des Federkörpers
erkennen.
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Der erfindungsgemäße Federkörper kann ebenso gut für Druckkräfte wie
für Zugkräfte eingesetzt werden, bei sinngemäßer Ausbildung der Krafteinleitung
sogar abwechselnd für beide Kraftrichtungen.