DE2714528C2 - Federkörper mit Dehnstreifen für Kraftmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Federkörper mit Dehnstreifen für Kraftmessungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Federkörper dieser Art ist aus der Druckschrift »Archiv für technisches Messen«, Jan. 1967 Blatt J. 133-2 bekannt. Ein solcher Federkörper zeigt im Bereich kleiner Kräfte (unter etwa 10* N) recht gute Meßeigenschäften, da er Dehn- und Stauchzonen besitzt, deren nichtlineare Eigenschaften sich kompensieren. Für größere Kräfte sind Rechteckrahmen dieser Art nicht einsetzbar, weil wegen der Einspannstellen die Dauerbelastbarkeit begrenzt ist. Auch ist die Herstellung solcher Rahmen aus einem Stück verhältnismäßig aufwendig. 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 Schwingungsbclastung zur Materialermüdung und Dehnstreifenbruch führen.

Die DE-OS 20 11 686 zeigt rahmenförmige Federkörper, die an einem Ende eingespannt und an ihrem freien Ende belastet sind und somit in der Art eines Kragbalkens beansprucht werden. Äußerlich hat der Federkörper die Form eines Balkens, in dem zwei gleiche, quer zur Lastrichtung verlaufende großflächige Bohrungen enthalten sind, die durch einen mittigen Einschnitt untereinander verbunden sind. Last- und Stützkraft bilden ein Kräftepaar und bewirken ein Moment, welches sich störend auf die Meßempfindlichkeit auswirkt, so daß es erforderlich ist, den Störeinfluß durch zusätzliche Maßnahmen zu kompensieren. Ein Federkörper dieser Art ist ferner aus der US-PS 28 66 059 bekannt.

In der Druckschrift »Sov. Inv. Illustrated«, Week Y 39, SU-Rl, Seite 2, ist ein Federkörper in der Gestalt eines im wesentlichen rechteckigen Rahmens beschrieben, der in der Rahmenebene mittig an seinen beiden Längsschenkeln durch die zu messende Kraft belastbar ist. Hier begrenzen die beiden Längsschenkel einen durchgehenden Schlitz, der sich von Schmalseite zu Schmalseite des rahmenförmigen Gebildes erstreckt. Die jeweils benachbarten Enden der beiden Längsschenkel sind durch eine besondere Gestaltung der Schmalseiten biegeweich miteinander verbunden. Für die Anbringung der'Dehnstreifen kommen die auf Biegung beanspruchten Endabschnitte des Rahmens in Betracht. Die Herstellung eines solchen Federkörpers ist

zeit- und kostenaufwendig.

Einen hinsichtlich seiner Spannungsverteilung ähnlichen rahmenförmigen Federkörper zeigt die DE-AS !0 67 245 in Abb. 6. Dieser Federkörper besteht aus einem länglichen Gebilde mit zwei quer zur Lastrichtung verlaufenden Bohrungen an seinen Enden und einen die Bohrungen verbindenden mittigen Schütz. Die zu messende Kraft greift mittig an den beiden Längsschenkeln an. Wegen der räumlichen Anordnung und der Größe der beiden Bohrungen liegen hier die Stellen größter Beanspruchung ebenfalls an den Schmalseiten des rahmenförmigen Gebildes, an denen Dehnsireifen parallel zur Lastrichtung angebracht sind. Die biegeweiche Verbindung der Längsschenkel an ihren äußeren Enden führt unter Belastung zu einer relativ großen gegenseitigen Bewegung in der Mitte der beiden Längsschenkel und damit zu einem entsprechend großen Meßweg. Für »weglose« Kraftmessungen ist ein solcher Federkörper nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Federkörper nach dem Prinzip eines Rechteckrahmens mit zwei beidseitig eingespannten Biegebalken eine Ausgestaltung zu finden, bei der die Unzulänglichkeiten der bekannten Ausführung, nämlich ein starker Anstieg der Spannungen in der Nähe der Einspannstellen, vermieden werden, ohne daß Beeinträchtigungen der Meßeigenschaften entstehen, und der zugleich bei den geforderten engen Toleranzen kostengünstig herstellbar ist.

Ausgehend von einem Federkörper der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rahmen aus einer Platte mit parallel zur Lastrichtung verlaufender Plattenebene gebildet ist, in der zu beiden Seiten der Lastlinie in an sich bekannter Weise gleiche großflächige Bohrungen enthalten sind, die durch einen mittigen Einschnitt untereinander zu einem insgesamt quer zur Lastrichtung verlaufenden Spalt verbunden sind, und daß die Dehnstreifen in den auf beiden Längsseiten des Spaltes liegenden Zonen kleinsten Schenkelquerschnittes angebracht sind.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich ein solcher plattenförmiger Federkörper auch bei Einhaltung enger Toleranzen mit üblichen Werkzeugen auf einfache Weise aus einem Stück kostengünstig fertigen läßt. In gleicher Weise wie der bekannte Rechteckrahmen besitzt der aus einer Platte gebildete Federkörper ebenfalls mindestens acht Zonen großer Dehnung und ebensoviel Zonen betragsgleicher Stauchung. Im Gegensatz zum bekannten Rechteckrahmen hat der Federkörper gemäß der Erfindung jedoch keine Stellen mit steilem Anstieg der Spannung, weil Querschnitts- und Richtungsänderungen relativ flach verlaufen.

Der Federkörper kann auf jeder Seite der Lastlinie entweder mit je einer Bohrung oder auch n.it je zwei Bohiungen ausgestattet sein, wobei die letztgenannte Ausführung für die Messung kleinerer Kräfte (vorzugsweise unter 10* N) besonders gut geeignet ist.

Häufig besteht die Forderung, Federkörper dieser Art gegen Überlastung zu schützen. Dies kann vorteilhafterweise dadurch bewirkt werden, daß im Rahmen quer zur Plattenebene in der Nähe der Außenflächen der Längsschenkel mittig zur Lastlinie je eine Bohrung mit je einem darin gehaltenen Rundbolzen mit überstehenden Enden angeordnet ist, daß zu beiden Seiten des Rahmens die überstehenden Enden der Bolzen durch je eine aufgesteckte Lasche miteinander verbunden sind und daß wenigstens eine der Bohrungen so viel Spiel hat, daß erst nach Überschreitung des Lastbereiches der Federhub durch den mechanischen Anschlag der Laschen-Bolzenanordnung begrenzt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Untcransprüchen. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines bekannten Fcdcrkörpers in Form eines Rechteckrahmens,

ίο Fig.2 eine erste Ausführungsform eines Federkörpers mit je zwei Bohrungen auf jeder Seite der Lastlinie, F i g. 3 bis 6 eine zweite Ausführungsform eines Federkörpers mit je einer Bohrung auf jeder Seite der Lastlinie.

is F i g. 7 und 8 einen Federkörper der zweiten Ausführungsform mit einer Überlastungssicherung,

Fig.9 eine Seitenansicht einer praktischen Ausführungsform eines Federkörpers in der Grundausführung nach F i g. 7 und

Fig. IO eine Draufsicht des Federkörpers nach Fig. 9.

Der bekannte Rechteckrahmen nach Fig. 1 besieht aus vier beidseitig eingespannten einander gleichen Biegebalken. Die Dehnstreifen werden an den Dehn- und Stauchzonen der Biegebalken in Längsrichtung angebracht und erfahren bei einer Zugbeanspruchung Zeine Dehnung und damit eine Änderung ihres elektrischen Widerstandes, die ein Maß für die Belastung Zist. F i g. 2 zeigt einen Federkörper in Form einer recht eckförmigen Platte 1, deren Plattenebene parallel zur Richtung 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 Ein- schnitt 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 Schenkel- querschnitt 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.

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.

Es können ebenso gut acht Dehnstreifen innerhalb der Bohrungen 2 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 Boh-

rungen und Schlitze oder durcn*Aufkleben von Schutzfolien auf der Vorder- und Rückseite des Federkörpers 1. Bei dem Federkörper nach F i g. 2 lassen sich aber

auch zweimal acht Dehnstreifen anbringen, wenn man sowohl die äußeren ebenen Flächen als auch die inneren Wandungsflächen der Bohrungen 2 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. 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.

Fig.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 45° zur Lastrichtung.

Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß der Federkörper nach F i g. 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.

Fig.4 zeigt bei einem Federkörper nach Fig. 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.

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 instahü weHen soii (Gefahr des Ausbiegens oder Knickens).

Eine größere Tiefe und Steifigkeit bei einem Federkörper mit zwei Bohrungen läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß entsprechend der Darstellung in F i g. 5 zwei weitere Bohrungen 11 parallel zur Plattenebene und Lasirichtung 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 Biegesteifigkeit und Stabilität.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 können die acht Dehnstreifen oder Dehnrosetten außen wie bei den Ausführungsformen der F i g. 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.

In den F i g. 7 und 8 ist die Anwendung einer mechanischen Oberlastsicherung bei einem Federkörper mit zwei Bohrungen quer zur Plattenebcne dargesscllt. 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 Endender Rundbolzen 12 sind auf der Front- und Rückseite des Federkörpers durch aufgesteckte Laschen 13 miteinander verbunden. Durch Vergrößerung der Bohrungen im Federkörper oder in den Laschen an einer der beiden Krafteinleitungsstellen wird dem entsprechenden Bolzen 12 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 μπι präzise kalibrieren.

Eine praktische Ausführungsform eines Federkörpers mit zwei quer zur Plattenebene verlaufenden Bohrun-

gen und zwei weiteren achsparallelen Bohrungen für die Anbringung einer Überlastsicherung ist in den Fig.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.

Der Federkörper kann ebenso gut für Druckkräfte wie für Zugkräfte eingesetzt werden, bei sinngemäßer Ausbildung der Krafteinleitung sogar abwechselnd für beide Kraftrichtungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Federkörper mit Dehnstreifen für Kraftmessungen in Form eines geschlossenen, außen rechteckigen Rahmens, der durch die zu messende Kraft in der Rahmenebene mittig an seinen Längsschenkeln belastbar ist. wobei jeder Längsschenkel zwei beidseitig eingespannte Biegebalken bildet, an deren Dehn- und Stauchzonen gleichviel Dehnstreifen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (t, 6) aus einer Platte mit parallel zur Lastrichtung verlaufender Plattenebene gebildet ist. in der zu beiden Seiten der Lastlinie in an sich bekannter Weise gleiche großflächige Bohrungen (2, 7) enthalten sind, die durch einen mittigen Einschnitt (3, 8) untereinander zu einem insgesamt quer zur Lastrichtung verlaufenden Spalt verbunden sind, und daß die Dehnstreifen in den auf beiden Längsseiten des Spaltes liegenden Zonen kleinsten Schenkelquerschnittes angebracht sind.

2. Federkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des mittigen Einschnittes (3) zwei unmittelbar benachbarte Bohrungen (2) vorhanden sind, von denen die auf derselben Seite liegenden Bohrungen (2) durch einen Spalt miteinander verbunden sind.

3. Federkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den quer zur Plattenebene und senkrecht zur Lastrichtung verlaufenden Plattenfiächen Dehnstreifen in bezug auf jede Bohrung (2) an diametral gegenüberliegenden Stellen angebracht sind.

4. Federkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Bohrungen (2) an den etwa senkrecht zur Lastrichtung verlaufenden Wandungen derselben an diametral gegenüberliegenden Stellen Dehnstreifen in der Umfangsrichtung angebracht sind.

5. Federkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnstreifen in bezug auf jede Bohrung (2) sowohl an den quer zur Plattenebene und senkrecht zur Lastrichtung verlaufenden Plattenflächen als auch innerhalb der Bohrungen an den etwa senkrecht zur Lastrichtung verlaufenden Wandungen derselben an diametral gegenüberliegenden Stellen in der Umfangsrichtung angebracht sind.

6. Federkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des mittigen Einschnittes (8) eine Bohrung (7) vorhanden ist.

7. Federkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Lastlinie eine parallel zur Plattenebene verlaufende Bohrung (11) enthalten ist, wobei die Achse jeder Bohrung (11) die Achse der entsprechenden quer zur Plattenebene verlaufenden Bohrung (7) kreuzt.

8. Federkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Front- und Rückseite an den vier Plattenzonen kleinsten Schenkelquerschnittes je ein Dehnstreifen mit einer Neigung von 45° zur Lastrichtung angebracht ist.

9. Federkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Front- und Rückseite an den vier Plattenzonen kleinsten Schenkelquerschnittes je eine 90°-Dehnstreifenrosette mit einer Neigung von 45° zur Lastrichtung angebracht ist.

10. Federkörper nach Anspruch 7. 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet, daß Dehnstreifen innerhalb

der parallel zur Plattenebene verlaufenden Bohrungen (II) an den der Front-und Rückseite benachbarten Bohrungswandungen mit einer Neigung von 45° zur Lastrichtung angebracht sind.

11. Federkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen (1, 6) quer zur Plattenebene in der Nähe der Außenflächen der Längsschenkel (4, 5 bzw. 9, 10) mittig zur Lastlinie je eine Bohrung mit je einem darin gehaltenen Rundbolzen (12) mit überstehenden Enden angeordnet ist. daß zu beiden Seiten des Rahmens (1,6) die überstehenden Enden der Bolzen durch je eine aufgesteckte Lasche (13) miteinander verbunden sind und daß wenigstens eine der Bohrungen so viel Spiel hat, daß erst nach Überschreitung des Lastbereiches der Federhub durch den mechanischen Anschlag der Laschen-Bolzenanordnung begrenzt wird.