DE2735016A1 - Kraftmesszelle - Google Patents

Kraftmesszelle

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DE2735016A1
DE2735016A1 DE19772735016 DE2735016A DE2735016A1 DE 2735016 A1 DE2735016 A1 DE 2735016A1 DE 19772735016 DE19772735016 DE 19772735016 DE 2735016 A DE2735016 A DE 2735016A DE 2735016 A1 DE2735016 A1 DE 2735016A1
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DE
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stilt
cup
curvature
force
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Withdrawn
Application number
DE19772735016
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English (en)
Inventor
Harald Ing Grad Fritz
Konstantin Dipl Ing Fuka
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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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
    • G01L1/26Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

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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 einer Krafteinleitungsstelze, deren Länge kleiner ist als der doppelte Krümmungsradius ihrer Berührungsflächen mit der Zelle und it einer Lastauflage, und mit einem die Wirkung einer Schrägstellung der Stelze durch die Wirkung des aus der Symmetrieachse der Zelle wandernden Lasteinleitungspunktes kompensierenden Verhältnis zwischen Stelzenlänge und Krümmung der Berührungsflächen.
  • Kraftmeßzellen sollen unter anderem folgende Eigenschaften aufweisen; sie sollen nur auf Kräfte in Meßrichtung reagieren und gegen zur Meßrichtung senkrecht wirkende und deshalb störende Seitenkräfte unempfindlich sein. Desweiteren soll sich die Empfindlichkeit der Kraftmeßzellen für Kräfte in Meßrichtung nicht ändern, wenn sich die Wirkungslinien dieser Kräfte in gewissen Grenzen parallel zur Symmetrieachse verlagern.
  • Um diese Eigenschaften zu erreichen, wird oft versucht, durch Maßnahmen beim Einbau der Kraftmeßzellen Seitenkräfte auszuschließen.
  • Dies gelingt nur in wenigen Fällen.
  • Es kann auch durch geschickte Formgebung des Meßelementes der Kraftmeßzelle und eine entsprechende Verschaltung der auf ihm angeordneten Dehnungsmeßstreifen eine gewisse Seitenkraftunempfindlichkeit erreicht werden, die noch zusätzlich durch eine das Meßelement abstützende, seitenkraftsteife Membran verstärkt werden kann. Diese Maßnahmen führen jedoch auch nur mehr oder weniger zu einem Erfolg.
  • Durch eine Krafteinleitung in die Kraftmeßzelle über eine Rugelkalotte, d. h. mit einer quasi punktförmigen Krafteinleitung, kann mindestens teilweise auch eine zentrische Krafteinleitung erzwungen werden; nur teilweise deshalb, weil in der Praxis die Flächenpressung nicht beliebig hoch sein darf und die Krafteinleitung deshalb immer eine gewisse Fläche beansprucht, innerhalb welcher der wirkliche Krafteinleitungspunkt noch wandern kann.
  • Am schwierigsten ist es, bei exzentrischer Krafteinleitung, also bei parallel zur Symmetrieachse der Kraftmeßzelle verschobener Meßkraft, eine unveränderte Empfindlichkeit der Zelle zu erzielen. Eine notwendige, jedoch nicht hinreichende Bedingung dafür ist eine möglichst symmetrische Formgebung des Meßelementes bezüglich der Krafteinleitungsrichtung. Zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen Seitenkräfte, wie z. B. eine seitenkraftsteife Membran, sind bei exzentrischer Krafteinleitung normalerweise wirkungslos.
  • Der DT-PS 1 806 668 ist eine Kraftmeßzelle zu entnehmen, wie sie eingangs beschrieben ist. Dabei tritt als Bauhöhe der mit der Krafteinleitungsstelze kombinierten Kraftmeßdose die Summe der Längen der beiden Bauelemente auf. Demgegenüber wird mit der Erfindung angestrebt, eine Krafteinleitungsstelze mit einer Kraftmeßzelle derart zu kombinieren, daß eine kürzere Gesamtbaulänge, als sie sich aus der Summe der beiden Einzelbaulängen ergibt, erzielt wird.
  • An anderer Stelle (Patentanmeldung P 26 59 077.2) ist eine Kraftmeßzelle mit einem eine Querkraft über eine Membran an ein Gehäuse abführenden Meßfederkörper und einer in Lastrichtung unterhalb der Membran sich auf den Federkörper abstützenden kugelige Abrollflächen aufweisenden Krafteinleitungsstelze beschrieben.
  • Die Krafteinleitungsstelze steht bei einer Ausführungsform der Voranmeldung in einem topfförmigen Kraftübertragungsstück, das in das Innere eines als Meßfederkörper dienenden Hohlzylinders ragt. Der Hohlzylinder ist gegenüber dem Kraftmeßzellengehäuse durch die seitenkraftsteife Membran abgestützt. Beim Kippen der Krafteinleitungsstelze unter dem Einfluß einer Seitenkraft kompensieren sich beim Gegenstand der Voranmeldung die von der Seitenkraft und von der exzentrischen Meßkraft erzeugten Biegemomente für den ganzen Meßzylinder. Dagegen läßt sich in dem topfförmigen Kraftübertragungsstück grundsätzlich keine Ebene finden, in der sich die Momente kompensieren.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßzelle zu entwerfen, die mit einer Krafteinleitungsstelze zusammenarbeitet, jedoch eine geringe Bauhöhe aufweist, die ferner ohne eine seitenkraftsteife Stützmembran für den Meßkörper auskommt. Das vorgegebene Ziel wird bei einer eingangs beschriebenen Kraftmeßzelle gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale erreicht: a) Die Krafteinleitungsstelze steht innen auf dem Boden eines an einem seine Öffnung umgebenden Rand oder dergleichen abgestützten Bechers; b) das Verhältnis der Stelzenlänge zur Krümmung ihrer Berührungsflächen ist so gewählt, daß unter einer mittleren möglichen Seitenkraft die Stelze sich derart schrägstellt, daß an dem Becher und/oder an einem den Rand des Bechers abstützenden konzentrischen Hohlzylinder mindestens eine biegemomentfreie Querschnittsebene auftritt, an deren Schnittlinien mit Mantelflächen des Bechers und/oder Hohlzylinders Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind.
  • Durch die vorliegende Kombination entsteht eine verhältnismäßig kurze Kraftmeßzelle, bei der keine seitenkraftsteife Stützmembran notwendig ist. Zusätzlich wird das zur Verkürzung herangezogene Kraftübertragungsstück (Becher) als Meßfederkörper ausnutzbar, weil im Becher beim Kippen der Krafteinleitungsstelze mindestens eine Querschnittsebene auftritt, in der sich die Biegemomente aus der Seitenkraft und aus der exzentrisch eingeleiteten Meßkraft gegenseitig aufheben.
  • Zwischen dem Boden des Bechers und der Stelze ist zweckmäßig ein Druckstück vorgesehen.
  • Die Stirnflächen der Stelze sind bei einer Ausführungsform der Erfindung konvex gekrümmt, während die Gegenflächen an einer Lastauflage und dem Becherboden eben sind.
  • Grundsätzlich wird jedoch die gleiche Wirkung auch dann erreicht, wenn die Stirnflächen der Stelze eben und dafür die Gegenflächen an der Lastauflage und dem Becherboden entsprechend konvex gekrümmt sind.
  • Die Erfindung wird durch fünf Figuren erläutert.
  • In Figur 1 ist schematisch die Anordnung einer Krafteinleitungsstelze in einem Becher, der gleichzeitig als Meßfederkörper dient, gezeigt.
  • Figur 2 ist ein Diagramm, in dem die auf den Meßfederkörper wirkenden Biegemomente dargestellt sind.
  • Figur 3 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem der die Stelze aufnehmende Becher von einem zusätzlichen Meßzylinder gestützt ist.
  • Figur 4 zeigt ein Diagramm für die in dem zusätzlichen Meßzylinder auftretenden Biegemomente.
  • In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit konstruktiven Einzelheiten im Längsschnitt dargestellt.
  • In Figur 1, die einen schematischen Längsschnitt durch eine Kraftmeßzelle darstellt, wirkt eine senkrechte Kraft P auf eine pendelnde, selbstzentrierende Krafteinleitungsstelze St ein. Mit einer unteren gekrümmten Stirnfläche ruht die Krafteinleitungsstelze St auf dem Boden eines Bechers B, der über einen Rand R auf einem Gehäuse G der Kraftmeßzelle abgestützt ist. Unter dem Einfluß einer Querkraft Q ist die Krafteinleitungsstelze St nach rechts ausgewichen. Der Berührungspunkt ihrer unteren gekrümmten Stirnfläche mit dem ebenen Boden des Bechers B ist um einen Abstand e aus der Symmetrieachse A der Kraftmeßzelle nach rechts verschoben. Am Boden des Bechers tritt eine Seitenkraft S auf, die ein Rückstellmoment auf die Krafteinleitungsstelze St ausübt. Die Seitenkraft S ruft Jedoch auch ein auf den Becher B wirkendes, linksdrehendes Biegemoment hervor, das von einem Nullwert in Bodenhöhe des Bechers entlang der Längsabmessung a bis zu seinem abgestützten Rand R linear anwächst. Die Verlagerung des Auflagepunktes der Stelze St auf dem Boden des Bechers B um den Abstand e hat ein über die Länge des Bechers konstantes, rechtsdrehendes Biegemoment zur Folge. Die Summe beider Momente wird in einer zur Längenausdehnung des Bechers senkrechten Ouerschnittsebene zu Null.
  • Die oben an Figur 1 erläuterten Verhältnisse sind im Diagramm der Figur 2 dargestellt. Auf der Abszisse sind rechts vom Nullpunkt rechtsdrehende und links vom Nullpunkt linksdrehende Biegemomente angetragen. Auf der Ordinate wird die Länge des Bechers abgebildet. Ein linksdrehendes, linear vom Nullpunkt analachsendes Moment S.a und ein über die Länge des Bechers konstantbleibendes, rechtsdrehendes Moment P.e kompensieren sich gegenseitig in einer die Längendimension des Bechers schneidenden Querschnittsebene N zu Null. An der Schnittlinie dieser Ebene mit dem Bechermantel werden zweckmäßig Dehnungsmeßstreifen angeordnet.
  • In der Figur 3 ist die Anordnung nach Figur 1 derart abgewandelt, daß der Becher B auf einem Hohlzylinder Z abgestützt ist, der seinerseits als Meßfederkörper dient. Im Gegensatz zum Becher B ist der Zylinder Z auf Druck beansprucht. Er ist drei Biegemomenten ausgesetzt, von denen zwei linksdrehende Momente von der Seitenkraft S und der Längsabmessung b des Hohlzylinders Z sowie der Last P und dem Abstand e des Auflagepunktes der Stelze St auf dem Boden des Bechers B von der Symmetrieachse A bestimmt sind.
  • Als drittes, rechtsdrehendes Moment wirkt das Produkt der Seitenkraft S und der wirksamen Länge 1 des Bechers B auf den Hohlzylinder Z ein. Das Moment S.b ist ein mit der Länge des Zylinders Z anwachsendes Moment. Die beiden anderen Biegemomente sind konstant. Auch für diese drei Momente gibt es eine Ouerschnittsebene N' des Hohlzylinders Z, in der ihre Summe zu Null wird.
  • Dies ist der geeignete Ort zum Anbringen von Dehnungsmeßstreifen.
  • Die auf den Hohlzylinder Z einwirkenden Momente sind im Diagramm der Figur 4 graphisch dargestellt.
  • Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt. Auf dem Boden eines von einem Deckel D abgeschlossenen Gehäuses G sitzt ein Hohlzylinder Z auf, der mit einer oberen ringförmigen Stirnfläche F einen Rand R eines Bechers B abstützt.
  • Der Becher B hängt also konzentrisch im Hohlzylinder Z. Auf dem biegesteif gestalteten Boden Bd des Bechers B ist unter Zwischen lage einer Füllung U ein Druckstück T gelagert. Auf einer ebenen Fläche des Druckstücks T ruht die untere gekrümmte Stirnfläche der Krafteinleitungsstelze St. Zum Schutz gegen Verschmutzung der Berührungsflächen der Stelze St und des Druckstückes T weist das Druckstück einen Rand auf, in den eine Ringnut eingefräst ist, die zur Aufnahme einer Dichtung H dient. Sie liegt an der Mantelfläche der Stelze St und dient auch zur Zentrierung der Krafteinleitungsstelze St. Der Becher B und der Hohlzylinder Z sind beide als Meßfederkörper ausgebildet, wobei der Becher B auf Zug und der Hohlzylinder Z auf Druck beansprucht werden. An den Mantelflächen dieser Meßfederkörper können in Höhe der an den Figuren 1 und 3 erläuterten Querschnittsebenen, in denen die Biegemomente zu Null werden, Dehnungsmeßstreifen angebracht sein.
  • Eine Meßkraft P wirkt auf die obere gekrümmte Stirnfläche der Stelze St über eine Lastauflage L ein.
  • Leerseite i t e

Claims (4)

  1. Patentansprüche 1. Kraftmeßzelle mit einer Krafteinleitungsstelze, deren Länge keiner ist als der doppelte Krümmungsradius ihrer Berührungs--lächen mit der Zelle und mit einer Lastauflage, und mit einem die Wirkung einer Schrägstellung der Stelze durch die Wirkung des aus der Symmetrieachse der Zelle wandernden Lasteinleitungspunktes kompensierenden Verhältnis zwischen Stelzenlänge und Krümmung der Berührungsflächen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Kombination der folgenden Merkmale: a) Die Stelze (St) steht innen auf dem Boden eines an einem seine Öffnung umgebenden Rand (R) oder dergleichen abgestützten Bechers (B); b) das Verhältnis der Stelzenlänge zur Krümmung ihrer Berühr flächen ist so gewählt, daß unter einer mittleren möglichen Seitenkraft die Stelze (St) sich derart schrägstellt, daß an dem Becher (B) und/oder an einem den Rand (R) des Bechers (B) abstützenden konzentrischen Hohlzylinders (Z) mindestens eine biegemomentfreie Querschnittsebene auftritt, an deren Schnittlinien mit Mantelflächen des Bechers (B) und/oder des Hohlzylinders (Z) Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind.
  2. 2. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Becherboden (Bd) und Stelze (St) ein Druckstück (T) liegt.
  3. 3. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Stelze (St) konvex gekrümmt und die Gegenflächen an Lastauflage (L) und Becherboden (Bd) eben sind.
  4. 4. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Stelze (St) eben und die Gegenflächen an Lastauflage (L) und Becherboden (Bd) konvex gekrümmt sind.
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