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Kraftmeßzelle
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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.
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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.
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Um diese Eigenschaften zu erreichen, wird oft versucht, durch Maßnahmen
beim Einbau der Kraftmeßzellen Seitenkräfte auszuschließen.
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Dies gelingt nur in wenigen Fällen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zwischen dem Boden des Bechers und der Stelze ist zweckmäßig ein Druckstück
vorgesehen.
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Die Stirnflächen der Stelze sind bei einer Ausführungsform der Erfindung
konvex gekrümmt, während die Gegenflächen an einer Lastauflage und dem Becherboden
eben sind.
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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.
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Die Erfindung wird durch fünf Figuren erläutert.
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In Figur 1 ist schematisch die Anordnung einer Krafteinleitungsstelze
in einem Becher, der gleichzeitig als Meßfederkörper dient, gezeigt.
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Figur 2 ist ein Diagramm, in dem die auf den Meßfederkörper wirkenden
Biegemomente dargestellt sind.
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Figur 3 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar,
bei dem der die Stelze aufnehmende Becher von einem zusätzlichen Meßzylinder gestützt
ist.
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Figur 4 zeigt ein Diagramm für die in dem zusätzlichen Meßzylinder
auftretenden Biegemomente.
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In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
konstruktiven Einzelheiten im Längsschnitt dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies ist der geeignete Ort zum Anbringen von Dehnungsmeßstreifen.
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Die auf den Hohlzylinder Z einwirkenden Momente sind im Diagramm der
Figur 4 graphisch dargestellt.
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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.
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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.
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Eine Meßkraft P wirkt auf die obere gekrümmte Stirnfläche der Stelze
St über eine Lastauflage L ein.
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