DE2836011A1 - Biegekraftaufnehmer - Google Patents

Description

DR.-ING. DIPI ING. t'.SC. D[PL.-PHYE. OR. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

RATENTANWÄLTE IN STUTTGART 7836Q1

A 42 974 m Anmelder: Fa. Bizerba-Werke

m - 168 Wilhelm Kraut KG

26. Juli 19 78 WHheim- kraui

7460 Baiingen

Beschreibung Biegekraftaufnehmer

Die Erfindung betrifft einen Biegekraftaufnehmer mit Überlastsicherung, insbesondere für Waagen, bei dem ein in einem Hauptlager abgestützter, mit einer Krafteinleitungsstelle versehener Biegestab Dehnungsmeßstreifen trägt und die Dehnungsmeßstreifen durch eine Abdeckung gegen Umgebungseinflüsse geschützt s ind.

Bei bekannten, und im Handel erhältlichen Biegekraftaufnehmern dieser Art sind die Dehnungsmeßstreifen auf den Biegestab aufgeklebt und liefern ein elektrisches Spannungssignal, wenn der Biegestab durch Einleitung einer äußeren Kraft geringfügig verformt ("verbogen") wird.

Biegestäbe dieser Art sind gegen mechanische Beschädigung, gegen Nässe, insbesondere gegen den Wasserdampf der Atmosphäre, äußerst empfindlich. Bereits kleinste Veränderungen in der Verklebung durch Feuchtigkeitsaufnahme oder mechanische Einflüsse bewirken eine Änderung des Verhältnisses mechanische Spannung/ elektrisches Signal, also eine Änderung der Grundjustierung des Biegekraftaufnehmers. Noch nachteiliger auf die Grund- oder Basisjustierung des Systems wirkt sich die Aufnahme und Feuchtigkeit im Hinblick auf den Isolationswiderstand der Dehnungsmeßstreifen aus.

Bei der Verwendung eines Biegekraftaufnehmers in einer eich-

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fähigen Waage wird neben hoher Genauigkeit und guter Konstanz der Meßwerte auch die Einsatzmöglichkeit der Waage unter ungünstigen Umweltbedingungen gefordert. Das Problem einas Schutzes des Biegekraftaufnehmers gegen äußere Einflüsse erhält damit große Bedeutung.

Für dieses Problem sind bisher zwei Lösungen bekannt geworden:

Bei dem sogenannten "offenen System" werden die aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen und deren elektrische Anschlüsse mit einer synthetischen, dauerelastischen Masse abgedeckt. Je dichter diese Abdeckung ist, umso sicherer ist der Schutz gegen Wasserdampf und Feuchtigkeit, umso größer ist jedoch der rückwirkende, mechanische Einfluß auf die elastischen Eigenschaften des Biegestabes, was sich bei Langzeitbelastungen als "Kriechen", bei normalem Auf- und Abwägen als "Hysterese" und bei verschiedenen Temperaturen als "Temperaturfehler" negativ auswirkt. Geht man weiter davon aus, daß die erforderliche Mindestabdeckung je Dehnungsmeßstreifen stets dieselbe Dicke haben muß, und die ßiegebalken für kleinere Nennlasten elastischer (also dünner) ausgebildet v/erden müssen, wird die schädliche Rückwirkung der Abdeckmasse auf das Meßergebnis bei kleinen Nennlasten schließlich unzulässig groß. Aus diesem Grunde sind dem "offenen System" im Hinblick auf kleine Nennlasten, beispielsweise kleiner als 10 kg, Grenzen gesetzt.

Bei dem sog. "geschlossenen System" wird der die Dehnungsmeßstreifen tragende Bereich des Biegestabes 'mittels eines flexiblen Faltenbalges aus Metall oder Gummi, der dampfdicht mit dem Biegestab verschweißt oder verklebt ist, hermetisch gegen Feuchtigkeit abgedichtet. Ein solcher Faltenbalg bietet zwar einen absoluten Feuchtigkeitsschutz, jedoch wird die schädli-

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ehe Rückwirkung des Faltenbalges auf die elastischen Eigenschaften des Biegestabes bei kleineren Nennlasten verhältnismäßig groß, so daß solche Faltenbälge an Biegestäben, welche für kleine Nennlasten bestimmt sind, nicht angebracht werden können. Ferner besteht die Gefahr, daß sich bereits allein durch das Aufbringen eines Faltenbalges die elastischen Eigenschaften eines vorjustierten, "nackten" Biegestabes ändern, wobei ein nachträglicher Justiereingriff ohne Entfernung des Balges praktisch kaum möglich ist. Darüber hinaus sind die elastischen Eigenschaften von Faltenbälgen, z.B. durch Alterung oder ungewollte mechanische Beschädigung leicht veränderbar.

Den bekannten Biegekraftaufnehmern mit Biegestab ist weiterhin der Mangel gemeinsam, daß sie an einem Ende fest eingespannt sind' und die zu messende Kraft am freien Ende aufnehmen. Da die Dehnungsmeßstreifen nur eine kleine Dehnung zulassen und mithin auch die Durchbiegung des Biegestabes nur sehr klein sein darf, liegt die maximal zulässige Beweglichkeit oder "Durchfederung" des Biegestabes im Bereich seiner Krafteinleitungsstelle in der Größenordnung von nur etwa 2/10 mm. Bei einem derart kleinen Meßweg ist es schwierig, an dieser Stelle einen mechanischen überlastanschlag anzuordnen, der den Biegestab gegen eine unzulässig hohe Belastung schützt. Es ist daher üblich, die zu messende Kraft von außen her über ein zusätzliches Federungsteil mit für eine überlastsicherung geeignetem, größerem Hub einzuleiten und diesem Federungsteil den Überlastanschlag zuzuordnen. Eine derartige überlastsicherung erfordert jedoch einen unerwünschten, zusätzlichen Bauaufwand sowie eine größere Bauhöhe.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Biegekraf tauf nehmer vorzuschlagen, dessen Dehnungsmeßstreifen gegen-

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über äußeren Einflüssen vollkommen geschützt sind und der gleichzeitig eine überlastsicherung einschließt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dehnungsmeßstreifen des Biegestabes in einem Bereich zwischen dem Hauptlager und einer zusätzlichen Fesselung, welche ein Ausweichen des Stabes entgegengesetzt zur Richtung der eingeleiteten Kraft verhindert, auf dem Stab aufgebracht sind und dieser Bereich von einem abgedichteten Gehäuse frei umfangen ist, und daß der 3iegestab in Gestalt eines elastisch biegsamen, die Krafteinleitungsstelle aufweisenden Kragarms verlängert am Hauptlager abgedichtet aus dem Gehäuse austritt und an seinem freien Ende mit einem Überlastanschlag zusammenwirkt.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Biegekraftaufnehmers gemäß der Erfindung im Längsschnitt;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 schematisch das Hauptlager eines Biegestabes in anderer Ausführungsform als in Fig. 1;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine Einrichtung zur Fesselung des Biegestabes und

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Fig. 6 eine andere Ausführungsform einer Fesselung des Biegestabes.

In Fig. 1 ist ein rohrförmiges Gehäuse 1 in einer Lagerung 2, z.B. dem Gestell einer Waage, fest eingespannt. Das Gehäuse 1, welches bei der dargestellten Ausführungsform rechteckigen Querschnitt hat, jedoch auch einen anderen, z.B. kreiszylindrischen Querschnitt haben kann, ist an seinen beiden Enden jeweils durch Schilde 3 bzw. 4 abgedeckt, wobei das Schild 3 an seinem Rand gasdicht mit der Innenwand des das Gehäuse 1 bildenden Rohres verbunden ist. Das Innere des Gehäuses 1 ist im Bereich der Lagerung 2 durch eine z.B. aus Metall gefertigte Membran 5 in zwei Abteilungen unterteilt. Diese Membran 5 ist, z.B. mit Hilfe eines ringförmigen Flansches 6 gas- und flüssigkeitsdicht mit der Innenseite der Rohrwand des Gehäuses 1 verbunden.

In der Längsachse des Gehäuses 1 verläuft ein Biegestab 7, der bei der dargestellten Ausführungsform von rechteckigem Querschnitt ist. Der Biegestab 7 ist durch eine entsprechende öffnung 8 in der Membran 5 hindurchgeführt und mit den Rändern dieser öffnung, z.B. durch Verlötung, dicht verbunden. Das in Fig. 1 rechts gelegene Abteil des Gehäuses 1 ist daher gegen äußere Einflüsse vollkommen abgedichtet. Die den Biegestab 7 aufnehmende Membran 5 bildet das Hauptlager 9 für den Biegestab, an dem dieser fest eingespannt ist. Wie dargestellt, weist das Schild 3 eine buchsenförmige Ausnehmung 11 auf, durch welches das benachbarte, freie Ende 12 des Biegestabes 7 in der Weise eine zusätzliche Fesselung erfährt, daß dieses Ende zwar axial geringfügig ausweichen kann, an einer seitlichen, insbesondere nach oben gerichteten Verschiebung jedoch gehindert ist. Im Bereich zwischen dem Hauptlager 9 und der Buchse 11 sind auf dem

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Biegestab 7 die üblichen Dehnungsmeßstreifen 13 aufgebracht. Die Dehnungsmeßstreifen sind in an sich bekannter, und deshalb in der Prinzipskizze gemäß Fig. 1 nicht dargestellter Weise mit Anschlußkabeln verbunden, die abgedichtet aus dem vom Schild 3 und der Membran 5 begrenzten Bereich des Gehäuses 1 ins Freie heraus und zu einem elektrischen Auswertegerät geführt sind.

Wie dargestellt, ist der Biegestab 7 über sein Hauptlager 9 hinaus (in Fig. 1 nach links) in Gestalt eines frei tragenden Kragarms 14 verlängert und durchdringt frei eine entsprechend weite Öffnung 15 in der Mitte des Schildes 4. Außerhalb des Schildes ist der Kragarm 14 mit einer an sich bekannten Krafteinleitungsstelle -16, beispielsweise in Gestalt einer Schneide oder Pfanne, versehen, an welcher in der üblichen Weise die zu messende Kraft P eingeleitet wird. Das von der Membran 5 gebildete Hauptlager 9 nimmt die Lagergegenkraft zur Meßkraft P auf, wobei sie einer Biegedeformation des Biegestabs 7 nur geringen Drehwiderstand entgegensetzt und eine wägetechnische Hebelarmbildung zwischen dem durch die Buchse 11 gefesselten Ende 12 des Stabes 7 und der Krafteinleitungsstelle 16 gewährleistet.

Die Öffnung 15 ist so groß ausgebildet, daß sich der Kragarm bei Belastung an der Krafteinleitungsstelle 16 im Meßbereich der Anordnung frei bewegen kann. Wird bei überbelastung die maximal zulässige Durchbiegung des Kragarms 14 und damit des gesamten Biegestabs 7 überschritten, legt sich der Kragarm an den Rand der öffnung 15 an. Der Rand dieser öffnung wirkt daher als Uberlastanschlag. Durch passende Wahl des Querschnittes des elastischen 3iegestabes 7 im Bereich zwischen dem Hauptlager 9 und der Krafteinleitungsstelle 16 kann die gewünschte Beweglichkeit oder Durchfederung der Krafteinleitungsstelle 16 beliebig gewählt werden, ohne daß eine nachteilige Rückwirkung

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auf die meßtechnisch entscheidenden, elastischen Eigenschaften des Biegestabbereiches zwischen Hauptlager 9 und der zusätzlichen Fesselung durch die Buchse 11 stattfindet. In der Regel wird der Querschnitt des Kragarms 14 kleiner als der Querschnitt des vorgenannten Bereiches des Biegestabs gewählt, so daß die Krafteinleitungsstelle 16- innerhalb des Nennlastbereiches eine ausreichend große Auslenkung erfährt, welche dann durch den als Überlastanschlag wirkenden Rand der öffnung 15 im Falle einer überbelastung des Systems begrenzt ist. Jedenfalls ist beidieser Ausbildung des Biegestabs 7 eine besondere, elastische Zusatzeinrichtung, über welche die Kraft P eingeleitet wird, sowie ein besonderer überlastanschlag nicht erforderlich.

Bei gleichbleibendem Abstand zwischen Hauptlager 9 und der Fesselung des Biegestabes bei 11 und gleichbleibender Querschnittsdimensionierung des Biegestabs 7 in diesem Bereich sowie gleicher Aufbringung der Dehnungsmeßstreifen 13 kann durch Verkürzung oder Verlängerung des Kragarms 14 zwischen Hauptlager 9 und Krafteinleitungsstelle 16 (sowie entsprechender Anpassung der Länge des Gehäuses 1 zwischen diesen Punkten) der Nennlastbereich in erheblichem Maß variiert werden. Dies ist fertigungstechnisch von großem Vorteil. Es ist weiterhin auch möglich, zur Veränderung des Nennlastbereiches auf einem Kragarm 14 konstanter Länge eine oder mehrere, feste oder verschiebbare Krafteinleitungssteilen 16 vorzusehen.

Die schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung läßt deutlich deren Hauptvorteile erkennen, nämlich einmal die gas- und flüssigkeitsdichte Abkapslung des die Dehnungsmeßstreifen 13 tragenden Bereichs des Biegestabs 7 und die durch den elastisch biegsamen, am Rand der öffnung 15 anschlagenden Tragarm 14 gebildete überlastsicherung. Diese bei-

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den Vorteile sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 nebeneinander verwirklicht. Falls erwünscht, kann der Kragarm 14 auch weniger biegsam ausgebildet und ihm eine übliche, z.B. von einer Schraubenfeder gebildete Überlastsicherung rait besonderem Überlastanschlag zugeordnet werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ausschnittsweise eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biegekraftaufnehmers. Bei dieser Ausführungsform ist die Membrane 5 gem. Fig. 1 und 2 durch eine Schnei den lage rung ersetzt. Hierzu v/eist der Biegestab 27 im Bereich seines Hauptlagers 29 eine Kerbe 31 auf, die sich auf einer Schneide 32 abstützt. Die Schneide 32 ist an der Kante eines Teiles 33 ausgebildet, das bei Verwendung eines rohrförmigen Gehäuses 21 mit kreisrundem Querschnitt die Form einer halben Kreisscheibe hat. Ein oberes Halbkreissegment 34 setzt sich im zusammengebauten Zustand mit seiner ebenen, unteren Fläche auf die links und rechts vom Biegestab 27 herausreichende Schneide 32 (Fig. 4) ab und v/eist für den Durchtritt des Stabes 27 eine entsprechende Öffnung 35 auf, die den Biegestab 27 mit minimal breitem Spalt 36 umgibt. Die Berührungslinie zwischen den Teilen 13 und 14 kann mit elastischem Kunststoff o. dgl. abgedichtet werden. Ein Ring 26 dient der gas- und feuchtigkeitsdichten Verbindung der z.B. aus Metall gefertigten Teile 33, 34 mit der Innenseite des Gehäuses.

Damit durch den Spalt 36 zwischen der Öffnung 35 und dem Biegestab 27 keine Schadstoffe, z.B. Feuchtigkeit, zu den Dehnungsmeßstreifen dringen kann, ist in bekannter Weise ein gasdichter, flexibler Faltenbalg 33, z.B. aus Metall, vorgesehen, der möglichst nahe am Hauptlager 29 abgedichtet mit dem Biegestab 27 verbunden ist. An seinem ümfangsrand ist der Balg 3 8 abgedichtet mit den Teilen 33, 34 verbunden. Durch den auch bei der

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Ausführungsform gem. Fig. 3 und 4 vorgesehenen Schild 4 (vgl. Fig. 1) ist der Balg 18 gegen äußere Beschädigung geschützt. Auch im übrigen entspricht die Ausführungsform gem. Fig. 3 und 4 derjenigen nach Fig. 1 und 2.

Die Figuren 5 und 6 zeigen besonders bevorzugte Ausführungen der zusätzlichen Fesselung des Biegestabes 7 (oder 27) an seinem den Dehnungsmeßstreifen 13 benachbartem, freien Ende 12. In Fig. 5 ist ein Stahlband 51 einerseits an der unteren Wand des Gehäuses 1 und andererseits mittels einer Mutter 52 an einem Gewindevorsprung 53 des Biegestabes 7 befestigt. Auf diese Weise kann der Biegestab 7 bei Belastung an der Krafteinleitungsstelle 16 an seinem Ende 12 nach oben nicht ausweichen. Hingegen ist eine geringfügige Axialverschiebung möglich.

3ei der Ausführungsform gem. Fig. 6 ist das Stahlband 51 durch eine Pendelstütze 61 ersetzt, die mittels Schneiden einerseits in einer Pfanne 62 an der Oberseite des Gehäuses 1 und andererseits in einer Kerbe 63 am Biegestab 7 abgestützt ist. Auch auf diese Weise kann das freie Ende 12 des Biegestabes 7 lediglich eine geringfügige Axialverschiebung ausführen, ist jedoch an einer Bewegung nach oben gehindert.

Anstelle der in Fig. 5 und 6 gezeichneten Fesselungen mittels Stahlband 51 und Pendelstütze 61 können auch andere, in der Waagentechnik übliche Elemente mit Pfannen und Schneiden eingesetzt werden, welche äquivalent wirken.

Die Erfindung kann in zahlreichen Gestaltungen realisiert werden. An dem abgedichteten, die Dehnungsmeßstreifen 13 aufnehmenden Abteil des Gehäuses 1 kann in an sich bekannter Weise, z.B. mittels eines Ventils, ein Druckausgleich vorgesehen wer-

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den. Das Material und die Querschnittsform von Biegestab 7, 27 und Gehäuse 1, 21 kann in Abhängigkeit von dem betreffenden Anv/endungsfall optimal gewählt werden. Die Gesamtdimensionierung des Kraftaufnehmers hängt lediglich von der zu beherrschenden Nennlast ab.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Biegekraftaufnehmer mit Überlastsicherung, insbesondere für Waagen, bei dem ein in einem Hauptlager abgestützter, mit einer Krafteinleitungsstelle versehener Biegestab Dehnungsmeßstreifen trägt und die Dehnungsmeßstreifen durch eine Abdeckung gegen Umgebungseinflüsse geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (13) des Biegestabes (7, 27) in einem Bereich zwischen dem Hauptlager (9, 29) und einer zusätzlichen Fesselung (11, 51, 61), welche ein Ausweichen des Stabes (7, 27) entgegengesetzt zur Richtung der eingeleiteten Kraft (P) verhindert, auf dem Stab (7, 27) aufgebracht sind, und dieser Bereich von einem abdichtenden Gehäuse (1, 21) frei umfangen ist, und daß der Biegestab (7, 27) in Gestalt eines elastisch biegsamen, die Krafteinleitungsstelle (16) aufweisenden Kragarms verlängert am Hauptlager (9, 29) abgedichtet aus dem Gehäuse austritt und am freien Ende des Kragarms mit einem überlastanschlag (15) zusammenwirkt.

2. Biegekraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, 21) auch den Kragarm (14) bis kurz vor die Krafteinleitungsstelle (16) frei umschließt.

3. Biegekraftaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, 21) an seiner der Krafteinleitungsstelle (16) benachbarten Seite für den freien Durchlaß des Kragarms (14) eine öffnung (15) aufweist, deren Rand

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als Überlastanschiag dient.

4. Biegekraftaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptlager (9) eine dicht mit der Innenwand des Gehäuses (1) verbundene Membran (5) ist, die den Biegestab (7) dicht umschließt.

5. Biegekraftaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptlager (29) als Schneidenlager (31, 32) ausgebildet ist und der Kragarm (14) in der Nähe des Schneidenlagers durch einen flexiblen Faltenbalg (3 8)

gegen den die Dehnungsmeßstreifen (13) enthaltenden Teil des Gehäuses (21) abgedichtet ist.

6. Biegekraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragarm (14) zum Zwecke einer stärkeren elastischen Durchbiegung einen kleineren Querschnitt als der Biegestab (7, 27) in dem die Dehnungsmeßstreifen

(13) tragenden Bereich hat.

7. 3iegekraftaufnehmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragarm (14) einen oder mehrere, feste oder verschiebbare Krafteinleitungsstellen

(16) aufweist.

8. Biegekraftaufnehmer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Fesselung ein Stahlband (51), eine Pendelstütze (61) oder dergleichen Mittel umfaßt, welche eine geringfügige, axiale Verschiebung des Biegestabes (7, 27) zulassen.

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