DE2905644A1

DE2905644A1 - Kraftmesszelle

Info

Publication number: DE2905644A1
Application number: DE19792905644
Authority: DE
Inventors: Willem Ebbinge
Original assignee: National Controls Inc
Current assignee: National Controls Inc
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1979-02-14
Publication date: 1979-08-16
Also published as: JPS5585234A; DK62379A; US4179004A; CH627841A5; NO790500L; GB2014744B; GB2014744A; SE7901300L; CA1122032A; FR2417759A1

Description

2906644

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Kraftwandler, insbesondere auf eine Kraftmeßzelle, bei der die Größe einer Kraft, beispielsweise das Gewicht einer Last, durch in einem Biegearm erzeugte Beanspruchungen bestimmt wird, auf den die Last einwirkt.

Deartige Biegearm-Kraftwandler werden bei der Beanspruchungsanalyse und beim elektronischen Wiegen verwendet. Beispiele derartiger Wandler sind in der US-PS 3 951 221 und in der US-Patentanmeldung 721 981 beschrieben.

Kraftmeßzellen dieser Art werden bisher mit unterschiedlicher Tragfähigkeit ausgestattet, indem die Dicke des Biegearms entsprechend verändert wird, wobei für höhere Lasten dickere Biegeträger verwendet werden. Bei für geringe Lasten, beispielsweise weniger als 1 kp, vorgesehenen Kraftmeßzellen wird der Biegearm so dünn, daß Schwierigkeiten eintreten, beispielsweise ein "Kriechen" oder die Unmöglichkeit, für eine gegebene Last gleichbleibende Ablesungen zu erhalten. Zusätzlich werden mit verminderter Stärke Dehnungsmesser und die Mittel, mit denen die Dehnungsmesser,beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, am Biegearm befestigt sind, zu wesentlichen Faktoren bei dessen Verbiegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßzelle zu schaffen, bei der die Last durch die Beanspruchung in einem Biegearm bestimmt wird, auf den die Last einwirkt, wobei ein verhältnismäßig starker Biegearm verwendet werden soll, um Verfälschungen durch die Dehnungsmesser zu vermeiden.

909833/0840

ORiQlNAL INSPECTED

29Ü5644

Erfindungsgemäß wird bei einem verhältnismäßig dicken Biegearm ein Hebelsystem verwendet. Ein erster und ein zweiter Lastaufnahmearm sind mit verschiedenen Punkten des Hebelsystems verbunden, so daß sich eine Kraftmeßzelle mit zweifachem Meßbereich ergibt. Hierdurch können Kraftmeßzellen geschaffen werden, die selbst bei kleinem Meßbereich sehr genaue und gut wiederholbare Ablesungen liefern.

Die Kraftmeßzelle enthält eine Parallelogrammanordnung mit einer Basis, einen von dieser in einem Abstand angeordneten und zu dieser parallelen Lastarm, und einen Hebelarm sowie einen Stabilisierungsarm, der zwischen Lastarm und Basis verläuft. Der Hebelarm und der Stabilisierungsarm sind durch dünner ausgeführte Biegestellen mit dem Lastarm und der Basis verbunden; der Lastarm ist an der Basis befestigt und ragt ins Innere der Parallelogrammanordnung zum Lastarm. Das innere Ende des Lastarms ist mittels einer Kupplungsverbindung mit einem Punkt zwischen den Enden des Hebelarms verbunden, so daß die auf den Arm wirkende Kraft ein mehrfaches der auf den Lastarm wirkenden Kraft ist. In einer besonderen Ausführungsform ragen der Hebelarm und der Stabilisierungsarm über den Lastarm hinaus zu einem zweiten Lastarm, so daß sich eine Kraftmeßzelle mit zweifachem Meßbereich ergibt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle,

Fig. 2 die Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmeßzelle und

909833/0840

29Q5644

Fig. 3 die Draufsicht auf die Kraftmeßzelle der Fig. 2.

Die in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßzelle enthält eine Parallelogrammanordnung mit einer L-förmigen Basis 11, einem Lastarm 12, der in einem Abstand zu dem aufrechtstehenden Schenkel 11a der Basis und insgesamt parallel zu diesem angeordnet ist, einem Hebelarm 13 und einem Stabilisierungsarm 14, die sich horizontal zwischen Lastarm 12 und Basis

11 erstrecken. Der Hebelarm 13 ist mit dem Lastarm 12 über eine dünn ausgeführte Biegestelle 16 und mit der Basis 11 über gekreuzte, jeweils dünner als der benachbarte Bereich ausgeführte Biegestellen 17 und 18 verbunden. Der Stabilisierungsarm 14 ist mit dem Lastarm und der Basis durch Biegestellen 19 bzw. 21 verbunden. Die Belastungen werden axial auf den Lastarm 12 aufgebracht; Hebelarm 13 und Stabilisierungsarm 14 wirken der Bewegung des Lastarms 12 in axialer Richtung entgegen. Die gekreuzten Biegestellen 17 und 18 bilden einen festen Gelenkpunkt für den Hebelarm 13 und nehmen die aufgebrachten Kräfte als Zug- und Druckbelastung statt als Scherbelastung auf.

Am Lastarm 12 sind Anschläge 23 und 24 befestigt, die sich in Richtung auf den mittleren Bereich des Lastarms 12 erstrecken. In den Lastarm 12 sind Schrauben 26 und 27 eingeschraubt, die derart angeordnet sind, daß sich die Anschläge gegen sie anlegen und so die Bewegung des Lastarms

12 begrenzt wird. Der Anschlag 23 und die Schraube 26 begrenzen Verringerungen des Winkels zwischen Lastarm 12 und Hebelarm 13, so daß die nach unten gerichtete Bewegung des

909833/0840

-7- 2305644

Lastarms 12 begrenzt und damit ein Überlastschutz erreicht wird. Ähnlich begrenzen der Anschlag 24 und die Schraube 27 Verringerungen des Winkels zwischen Lastarm 12 und Stabilisierungsarm 14, so daß die nach oben gerichtete Bewegung des Lastarms 12 begrenzt und damit ein Schutz gegen nach oben gerichteten Zug erreicht wird.

An einem Ende des aufrechtstehenden Schenkels 11a der Basis 11 ist ein Lastträger 31 befestigt. Der Lastträger ragt ins Innere der Parallelogrammanordnung zum Lastarm 12. Das innere Ende des Lastträgers 31 ist mit einem Hebelarm 13 verbunden, und zwar über eine Koppel 32 mit Biegestellen 33, 34 und 36. Die Biegestellen 33 und 34 sind so ausgerichtet, daß sie Biegungen um parallelen Achsen gestatten, die senkrecht zur Achse der Koppel wirken; die Biegestelle 36 ist unter einem rechten Winkel zu den Biegestellen 33 und 34 angeordnet und dient zur Aufnahme von Biegungen um eine zur Achse der Koppel und zu den Biegeachsen der Biegestellen 33 und 34 senkrechte Achse. Diese Biegestellen dienen zur Trennung des Lastträgers 31 von seitlichen Belastungen.

Die Koppel 32 ist mit dem Hebelarm 13 an einer Stelle zwischen dessen Enden verbunden, so daß die auf den Lastträger 31 wirkende Kraft ein mehrfaches der auf den Lastarm 12 wirkenden Kraft ist. Das Hebelverhältnis wird bestimmt durch das Verhältnis der Abstände zwischen der Koppel 32 und dem Gelenkpunkt des Hebelarms 13 und zwischen dem Lastarm 12 und dem Gelenkpunkt des Hebelarms 13.

Es ist eine Einrichtung zur Erfassung der im Biegearm 31 erzeugten Beanspruchung vorgesehen, die ein ein Maß für die

909833/0840

29Ü5644

aufgebrachte Last darstellendes Ausgangssignal erzeugt. Diese Einrichtung enthält an der oberen und unteren Oberfläche des Biegeträgers 31, mit den Biegestellen 17, 18 und 21 fluchtend angebrachte Dehnungsmeßstreifen 38 und 39· Bei diesen handelt es sich um bekannte Widerstands- oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sie als Widerstandsmeßstreifen ausgeführt, die in eine herkömmliche Brückenschaltung geschaltet sind. Die elektrischen Verbindungen zu den Dehnungsmeßstreifen sind zur Erleichterung der Darstellung in der Zeichnung weggelassen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Kraftmeßzelle vorzugsweise als einheitliches Teil ausgebildet; sie ist beispielsweise gegossen, gefräst oder beides. Als Materialien eignen sich Aluminiumlegierungen, Stahl, und nichtrostender Stahl. Die Seiten der Belastungszelle sind mit nicht gezeigten ebenen Seitenplatten abgedeckt, die mittels Schrauben oder Nieten an der Basis 11 befestigt sind.

Die Kraftmeßzelle der Fig. 1 arbeitet folgendermaßen. Es sei angenommen, daß die Basis 11 an einer geeigneten Unterlage befestigt ist, und daß ein Lastaufnahmeteil, beispielsweise der Teller einer Waage, auf dem Lastarm 12 befestigt ist. Durch eine auf den Teller aufgebrachte Last wird der Lastarm 12 nach unten bewegt, so daß eine nach unten gerichtete Kraft auf das äußere Ende des Hebelarms 13 wirkt. Diese Kraft wird durch das Hebelverhältnis vergrößert und wirkt über die Koppel 32 auf den Biegearm 31. Die Widerstände der Dehnungsmeßstreifen 38 lind 39 ändern sich entsprechend der auf den Biegeträger 31 wirkenden Belastung.

909833/0840

Die Schraube 26 ist so eingestellt, daß bei einer die Belastbarkeit übersteigenden Last die nach unten gerichtete Bewegung des Lastarms 12 begrenzt und dadurch eine Beschädigung der Kraftmeßzelle infolge Überlast verhindert wird. Ähnlich ist die Schraube 27 so eingestellt, daß der Anschlag 24 gegen sie anschlägt, wenn auf den Lastarm 12 ein nach oben gerichteter Zug wirkt, der eine Beschädigung der Kraftmeßzelle zur Folge haben könnte.

Die Ausführungsform der Figuren 2 und 3 ähnelt insgesamt der der Fig. 1; es ist jedoch ein zweiter Lastarm 41 vorgesehen. In dieser Ausführungsform reichen der Hebelarm 13 und der Stabilisierungsarm 14 über den Lastarm 12 hinaus, und zwar durch Verlängerungsarme 42 und 43, die mittels Biegestellen 46, 47 mit dem Lastarm 41 verbunden sind. Die inneren Enden der Verlängerungsarme 42, 43 sind zur Verbindung mit dem Hebelarm 13 bzw. mit dem Stabilisierungsarm gegabelt. Die Verlängerungsarme 42, 43 sind mittels Stiften 48 und Schrauben 49 starr am Hebel- und Stabilisierungsarm 13 bzw. 14 befestigt, und zwar an Stellen, die nach innen in einem Abstand von den Biegestellen 16 und 19 und vom Lastarm 12 angeordnet sind. Die Öffnungen 51 in den gegabelten Enden der Verlängerungsarme 42, 42 sind so groß, daß sie die Biegestellen 16, 19 und den Lastarm 12 frei aufnehmen können. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen den Verlängerungsarmen 42, 43 und dem Hebel- und dem Stabilisierungsarm 13 bzw. 14 an den Befestigungsstellen Abstandsstücke 52 angeordnet.

Die Verlängerungsarme 42, 43 fluchten axial mit dem Hebelarm 13 bzw. dem Stabilisierungsarm 14; am Lastarm 41 ist ein kurzer, horizontal vorlaufender Teil 53 angebracht, auf den

909833/0840

O!;GiNAL INSPECTED

die Last wirkt.

Arbeitsweise und Gebrauch der Ausführungsform der Figuren 2 und 3 sind insgesamt ähnlich denen des Ausführungsbeispiels der Fig. 1. Die Kraftmeßzelle der Figuren 2 und 3 hat jedoch einen zweifachen Meßbereich, da die Last auf den Lastarm 12 oder den Lastarm 41 aufgebracht werden kann. Wegen des Unterschiedes der Hebelverhältnisse üben Lasten auf den Lastarm 41 eine größere Kraft auf den Biegearm 31 aus als auf den Lastarm 12 wirkende Kräfte. Der Lastarm 12 kann somit als Lastarm für einen großen Meßbereich und der Lastarm 41 als Lastarm für einen kleinen Meßbereich betrachtet werden.

Die erfindungsgemäße Kraftmeßzelle hat eine Reihe wesentlicher Eigenschaften und Vorteile. Der Biegearm 31 ist wirksam von Auswirkungen einer seitlichen Belastung isoliert, so daß die Krafmeßzelle selbst dann genaue Ablesungen liefern kann, wenn die Last aus der Achse des Lastarms 12 oder 41 verschoben ist. Wegen der Multiplizierung der auf den Hebelarm 13 v/irkenden Kraft kann ein dickerer Biegearm 31 verwendet werden, als dies bei Kraftmeßzellen mit kleinem Meßbereich bisher möglich war. Hierdurch werden auch bei Kraftmeßzellen mit kleinem Meßbereich genaue und wiederholbare Ablesungen erzielt.

9O9833/08A0

ΛΛ

L e e r s e i t e

Claims

STRF.HL SCH Ü ¹^lT L-HOPF EBBINGHAUS FINCK
MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÜNCHEN 9O
POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8000 MÜNCHEN 95
PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE
KARL LUOWIQ SCHIFF (1964-197Θ)
DIPL. CHEM. OR. ALEXANDER V. FÜNER
DIPL. INQ. PETER STREHL
DIPL. CHEM. OR. URSULA SCHÜBEL-HOPF
DIPL. INQ. DIETER EBBINQHAUS
DR. INQ. DIETER FINCK
TELEFON (OBO) 48 90 64 TELEX 8-23880 AURO O
TELEQRAMME auromarcpat München
NATIONALS CONTROLS, INC.
DEA-14397
14. Februar 1979

KRAFTMESSZELLE

Patentansprüche

1. jKraftmeßzelle, gekennzeichnet durch einen --■' Lastaufnahmearm (12), durch einen Biegearm (31), durch ein Lastaufnahmearm und Biegearra verbindendes Hebelsystem (13, 32) zum Aufbringen einer Biegekraft auf den Biegearm entsprechend der auf den Lastaufnahmearm wirkenden Kraft, wobei die auf den Biegearm wirkende Kraft größer ist als die aufgebrachte Last, und durch eine auf die Beanspruchung im Biegearm ansprechende Einrichtung (38, 39) zur Erzeugung eines der Last entsprechenden Ausgangssignals.

2. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Lastaufnahmearm (41), der mit

909833/0840

dem Hebelsystem (42, 13, 32) an einer anderen Stelle als der erste Lastaufnahmearm (12) verbunden ist.

3. Kraftmeßzelle nach Anspruch 1,gekennzeich net durch eine Basis (11), durch einen Lastarm (12) und Basis verbindenden Hebelarm (13), wobei der Biegearm (31) an der Basis befestigt ist und von dieser insgesamt parallel zum Hebelarm wegragt, und durch eine Hebelarm und Lastarm verbindende Koppel (32), die mit dem Hebelarm an einer Stelle zwischen dessen Enden verbunden ist.

4. Kraftmeßzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Beanspruchung ansprechende Einrichtung ein am Biegeträger (31) befestigtes, auf eine Beanspruchung ansprechendes Element (38, 39) umfaßt.

5. Kraftmeßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (13) über gekreuzte Biegestellen (17, 18) mit der Basis verbunden ist.

6. Kraftmeßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppel (32) Biegestellen (33, 34, 36) enthält, die um zueinander und zur Achse der Koppel senkrechte Biegeachsen biegbar sind.

7- Kraftmeßzelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch am Hebelarm (13) und am Lastarm (12) angebrachte Anschläge (23, 26) zur Begrenzung der axialen Bewegung des Lastarms in einer Richtung.

8. Kraftmeßzelle nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Anschläge einen am Hebelarm (13)

909833/0840

befestigten Anschlag (23) und eine am Lastarm (12) angebrachte Einrichtung (26) umfassen, die sich gegen den Anschlag anlegen kann.

9. Kraftmeßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (11), die Arme (13, 14, 12), die Koppel (32) und der Biegeträger (31) als einheitliches Teiü aus homogenen Material hergestellt sind.

10. Kraftmeßzelle nach Anspruch 3igekennzeich net durch einen vom ersten Lastaufnahmearm (12) in einem Abstand angeordneten zweiten Lastaufnahmearm (41), der mit dem Hebelarm (13, 42) an einer vom ersten Lastaufnahmearm unterschiedlichen Stelle verbunden ist.

909833/0840