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Meßfeder
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßfeder nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Bekannte Kraftmeßfedern der genannten Art (DE-PS 1 125 20lot, Archiv
für technisches Messen (ATM), Blatt J 133 - 2 (Jan. 67) sind nach der Art einer
ebenen Labyrinthfeder aufgebaut und setzen sich aus jeweils n x Lt Stück (n = positive
ganze Zahl) Doppelbiegebalken zusammen. Mit dieser Meßfederform wurden Wägezellen
gebaut, die den Bau der ersten eichfähigen elektromechanischen Waage mit Digitalanzeige
ermöglichten. Voraussetzung dafür war, daß von dieser Meßfeder die einwirkenden
Gewichtskräfte mit Fehlern von weniger als O,1Lt O/oovom jeweils richtigen Meßwert
in elektrische Meßsignale umgeformt werden konnten. Diese Meßfedern zeichneten sich
aber nicht nur durch eine hervorragende Linearität der Federkennlinie Sx = f(Fx)
= Nx Fx
im gesamten Meßbereich bis zur Belastungsgrenze des Meßfedermaterials
aus, sondern vor allem auch durch eine relativ hohe Federsteife gegenüber allen
Beanspruchungen senkrecht zur Meßachse x, d.h. in y und z Richtung N >> »
N N x y z Sie eignen sich daher in besonderem Maße für den Bau hochwertiger Gerad-
und Parallelführungen auf rein elastischer, d.h. gelenkloser Basis, wie sie z.B.
bei Wegaufnehmern, Feintastern, Lautsprecherspulen, Schwingtischen, oberschaligen
elektromechanischen Waagen benötigt werden. Dabei wird speziell bei Parallelführungen
verlangt, daß auch Torionsmomente um alle 3 Raumachsen wirkungsvoll von ihnen aufgenommen
und ohne merkliche Rückwirkungen auf die Meßwege von Meßfedern in deren Widerlagern
abgeleitet werden können.
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Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, ist es weiter bekannt, zwei meist
gleichartig ausgeführte, geradführende Meßfedern in Meßrichtung gegeneinander versetzt
auf einem gemeinsamen Widerlager zu montieren und zusätzlich auch die kraftaufnehmenden
Federelemente beider Federn starr miteinander zu verbinden.
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Eine besonders häufig eingesetzte Ausführung dieser Art zeigt die
Doppel-Dreieckslenker-Feder-Anordnung einer bekannten oberschaligen Präzisionswaage
(Prospekt der Firma SARTORIUS "Funktionsprinzip elektronischer Waagen", Sartorius
1200 MP), die im Prinzip nach Bild 8 aus ATM (a.a.O) arbeitet, jedoch nicht auf
ihrtr gesamten Federlänge, sondern lediglich in vier kurzen Federgelenken an den
Enden der Dreieckslenker jeweils auf Biegung beansprucht wird.
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Die mit Biegebalkenelementen bearbeiteten und damit vorzugsweise auf
Biegung beanspruchten bekannten Meßfedern haben den Nachteil, daß sie sehr aufwendig
in der Herstellung sind, ihre Formgebung verwickelt und kompliziert ist und sie
verhältnismäßig großvolumig zu bauen sind, wenn man sie für eine vorgegebene Höchstkraft
und eine vorgegebene Nachgiebigkeit Nx dimensionieren will.
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Außerdem haben sie aufgrund ihrer verwickelten Form meist Dünnstellen,
die bei Querbeanspruchungen der Federn wie elastische Gelenke wirken und die Quernachgiebigkeiten
N und N in unan-Y z genehmer Weise vergrößern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßfeder zu schaffen, die die Nachteile
bekannter Präzisionsmeßfedern und elastischer Geradführungen grundlegend behebt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale gelöst.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen
dargestellt und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer
Meßfeder.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Meßfeder nach Fig. 1.
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Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer
Meßfeder.
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Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. Lt.
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Fig. 6 zeigt in Draufsicht eine dritte Ausführungsform einer Meßfeder.
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Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht der Meßfeder nach Fig. 6.
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Fig. 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform in Draufsicht.
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Fig. 9 zeigt eine sechste Ausführungsform in Draufsicht.
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Fig. 10 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 9 in Seitenansicht.
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Fig. 11 zeigt ein Meßfederelement in Draufsicht, das für eine Meßfeder
nach Fig. 8 und 9 verwendbar ist.
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Fig. 12 zeigt schematisch die Kräfte, die an einer Meßfeder gemäß
den Ausführungsformen wirken.
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Die Meßfeder nach Fig. 1 weist ein Widerlager 2 und ein Krafteinleitungselement
Lt auf. Das Widerlager 2 ist mit einem Einschnitt 6 versehen, in den das Krafteinleitungselement
Lt mit reichlichem Spiel eingreift. Das Widerlagerelement ist mit zwei Bohrungen
10 versehen. Auf der Zunge 8 befindet sich der Krafteinleitungspunkt 12. Zwischen
den Seitenflächen 1lot, 16 des Krafteinleitungselementes Lt und den Seitenflächen
18 und 20 des Widerlagers 2 sind kreisringförmige Federelemente 22, 24 mit einem
Außenradius r und einer Breite b sowie einer Höhe h angeordnet.
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Die Federelemente sind Kreisringausschnitte mit den Mittelpunkten
M1 und M2. Sie sind über ihre Länge mit konstantem Querschnitt ausgebildet und an
ihren Enden an die Seitenflächen 1lot, 16 des Krafteinleitungselementes Lt einerseits
und die Seitenflächen 18, 20 des Widerlagers 2 andererseits längs eines Radius und
senkrecht zur Achse des Federelementes torsionsfest angeschlossen. Der für beide
Federelemente gleiche Winkel ß , über den sich die Kreisringausschnitte erstrecken,
beträgt bei der Ausführungsform etwa 1350. Dieser Winkel kann variieren und
beispielsweise
zwischen 90 und 1800 liegen. Die Federelemente 22 und 24 sowie die Seitenflächen
14 bis 20 des Krafteinleitungselementes Lt bzw. des Widerlagers 2 liegen symmetrisch
zu der in Fig. 1 senkrecht verlaufenden strichpunktierten Linie, auf der auch der
Krafteinleitungspunkt 12 und die Befestigungsbohrungen 10 des Widerlagers liegen
Symmetrie besteht diesbezüglich auch zu der Schnittlinie II-II. Die Anordnung der
Federelemente 22, 24 ist hier paarig und bezüglich der Krafteinleitungsachse durch
12 drehsymmetrisch, wodurch die Federelementenpaare jeweils mit entgegengesetztem
Drehsinn belastet werden. Auf die in den Federelementen 22 und 24 wirkenden Kräfte
wird weiter unten unter Bezug auf Fig. 12 näher eingegangen.
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Die Breite b der Federelemente 22 und 24 kann gleich der Höhe h sein.
Vorzugsweise wird aber eine Ausführung gewählt, bei der b größer als h ist, und
zwar bis zu einem Vielfachen. Durch Wahl des Verhältnisses b zu h kann die Quersteifigkeit
der Meßfeder, d.h. ihre Nachgiebigkeit senkrecht zur Krafteinleitung Fx bestimmt
werden, während die Nachgiebigkeit in Richtung der Krafteinleitung im wesentlichen
durch die Höhe h des Federelementes bestimmt wird.
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Die beschriebene Meßfeder stellt näherungsweise eine Geradführung
dar und weist eine hohe Linearität bei der Umformung von Kraft in Weg auf. Wie aus
den Seitenansichten hervorgeht, wird die Meßfeder mit ihren den Einschnitt 6 seitlich
begrenzenden Schenkeln über einen Abstandshalter 28 auf einer Grundplatte 30 befestigt.
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Die Höhe des Abstandshalters kann entsprechend dem größten Federweg
unter Last gewählt werden.
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Die Meßfeder nach den Fig. 1 bis 3 ist in der Zeichnung einstückig
(monolithisch) dargestellt. Sie kann selbstverständlich auch zusammengesetzt ausgebildet
sein, wobei die Federelemente
mit ihren Enden an plattenförmige
Verbindungselemente kräftemäßig angeschlossen sein können, die eine Dicke haben,
die der Höhe h der Meßfeder entspricht, so daß sie sich als bauliche Einheit aus
ebenem Federblech herausarbeiten lassen (vgl. Fig. 11). Diese plattenförmigen Verbindungselemente
können dann durch Widerlagerelemente bzw. Lasteinleitungselemente versteift werden.
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Die Ausführungsform nach den Fig. Lt und 5 entspricht grundsätzlich
der nach den Fig. 1 bis 3. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind im Abstand übereinander
Federelementpaare 32, 34 angeordnet, die sich in der Draufsicht jeweils zwischen
den gestrichelten Linien erstrecken. Diese beiden Federelementpaare bestehen hier
aus einem Stück mit Verbindungselementen 36, 38, die hier neben dem torsionssteifen
Anschluß der Federelemente die Funktion von Abstandselementen haben. Der Winkel
ß , über den sich die Federelemente 32, 34 erstrecken, entspricht hier im wesentlichen
dem Winkel ß der ersten Ausführungsform. Mittelpunkt der Kreisringausschnitte ist
hier der Mittelpunkt der Meßfeder, der dem Krafteinleitungspunkt entspricht. An
die Innenseite des Verbindungselementes 38 ist hier ein biegesteifer Träger 40 angesetzt,
der sich über den Mittelpunkt hinaus erstreckt und auf den die Krafteinleitung erfolgt.
Über das Verbindungselement 36 und ein Abstandselement 42 ist die Meßfeder mit einem
ringförmigen Außengehäuse 44 verbunden, dessen Höhe so gewählt ist, daß ein hinreichender
Freiraum unterhalb der Meßfeder vorhanden ist. In Fig. 5 ist in den Träger 40 eingelassen
ein Stift 146 dargestellt, über den die Krafteinleitung erfolgt. Dieser Stift kann
auch mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Halterung zur Aufnahme einer
Lastschale 148 versehen sein, wenn die Meßfeder in einer oberschaligen Waage verwendet
werden soll.
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Die Lastschale 48 kann selbstverständlich auch an ihrer Unterseite
mit einem Gewindebolzen versehen sein, mit dem sie direkt in den Vorsprung 40 eingeschraubt
wird.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform kann die Meßfeder aus mehreren
Teilen zusammengebaut werden. Beispielsweise können die Federelemente 32 und 34
als Vollringe ausgebildet sein, die dann jeweils im Bereich der Verbindungselemente
36, 38, die dann im wesentlichen als Abstandselemente dienen, mit Bohrungen versehen
sind, über die sie gegebenenfalls unter Verwendung von Versteifungsplatten gegen
die Verbindungselemente 36, 38 so verspannbar sind, daß die Anschlußstellen torsionssteif
sind.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 5 sind die Federelemente
so angeordnet, daß die Mittelpunkte der Kreisringausschnitte zusammenfallen (Fig.
4 und 5) bzw. auf der Symmetrielinie L der Federelemente benachbart sind (Ausführungsform
nach Fig. 1 bis 3). Die Federelemente sind gleichsinnig gekrümmt.
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Beide Ausführungsformen bilden strenge Geradführungen für das Krafteinleitungselement.
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Im Gegensatz hierzu sind bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und
7 zwei als Kreisringausschnitte ausgebildete Federelemente 50, 52 entgegengesetzt
gekrümmt mit ihrem Krümmungsmittelpunkt entgegengesetzt gerichtet torsionssteif
an ein Verbindungselement 54 angeschlossen, das in der Darstellung nach Fig. 6 das
Krafteinleitungselement ist. An den gegenüberliegenden Enden sind die Federelemente
50, 52 an Verbindungselemente 56, 58 torsionsfest angeschlossen. Die beiden Federelemente
50 und 52 haben hier den gleichen Radius r und die gleiche Breite b und auch die
gleiche Höhe h. Der Ausschnittswinkel ß kann hier in weitem Umfang variieren. Dargestellt
ist ein Winkel ß = 900. Das Federelementenpaar 50, 52 ist hier wiederum antisymmetrisch
angeordnet.
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Wie aus der Seitenansicht nach Fig. 7 dargestellt, sind auch hier
im Abstand übereinander zwei Paare von Federelementen 50, 52 bzw.
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50t, 52' angeordnet, wobei die Verbindungselemente 56, 58 hier wiederum
neben dem torsionsfesten Anschluß der Federelemente die Aufgabe erfüllen, die Federelemente
im Abstand voneinander zu halten. Die Federelemente 50', 52' sind hier mit ihren
aneinandergrenzenden Enden an ein Verbindungselement 60 angeschlossen, das hier
als Widerlager ausgebildet ist, mit dem die Meßfeder auf einer Basis 62 befestigt
ist. Die Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 eine strenge Geradführung des Krafteinleitungselementes
dar, solange die Krafteinleitung (Fx) zentrisch ohne Querkräfte (Fy, Fz) erfolgt.
Die Federelemente sind hier als mechanische Widerstände gleicher Größe in einer
abgeglichenen mechanischen Brücke geschaltet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, daß für den Einbau nur ein sehr schmaler Raum benötigt wird, wie
durch die gestrichelte Umrandung angedeutet.
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Eine mechanische Brücke in der Ausführungsform nach den Fig. 6 und
7 kann auch mit einer Anordnung aller Federelemente in einer Ebene erreicht werden.
Eine derartige Ausführungsform ist -in Fig.
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8 dargestellt. An das Krafteinleitungselement 64 sind hier in gleicher
Weise zwei Federelemente 66, 68 angeschlossen, deren entgegengesetzte Enden an Verbindungselemente
70, 72 angeschlossen sind. Parallel zu den Federelementen 66, 68, d.h mit gleichem
Krümmungsmittelpunkt sind hier beidseitig der Federelemente 66, 68 an die Verbindungselemente
70, 72 weitere Federelemente 74, 76 und 78, 80 angeschlossen, die mit ihren aneinandergrenzenden
Enden jeweils an Verbindungselemente 82, 84 angeschlossen sind, die als Widerlager
dienen bzw. mit Widerlagern starr verbindbar sind.
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Voraussetzung für die Wirkung als abgeglichene mechanische Brücke
entsprechend der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 ist hier, daß die Steifigkeit
der Federelemente 74 bis 80 jeweils gleich ist und der halben Steifigkeit der Federelemente
66 bzw. 68
entspricht. Auch die Ausführungsform nach Fig. 8 stellt
eine strenge Geradführung dar. Eine Anordnung mit zwei Meßfedern nach Fig. 8 in
zwei Ebenen übereinander stellt zusätzlich zu der strengen Geradführung eine Parallelführung
dar. Hierbei werden dann die im Abstand übereinander liegenden Meßfedern über die
Verbindungselemente 82, 84 über Abstandshalter als Widerlager miteinander und mit
der Basis verbunden. Die Verbindungselemente 82, 84 sind hierbei jeweils mit der
Hälfte (W/2) der eingeleiteten Kraft (Fx) belastet. Von den beiden Meßfedern sind
die Verbindungselemente 64 starr miteinander verbunden, in die die Kraft eingeleitet
wird. Bei der Ausbildung mit zwei Meßfedern kann auch eine unsymmetrische Anordnung
gewählt werden. So können in beiden Meßfedern die Federelemente 68, 78 und 80 mit
dem zugehörigen Verbindungselement 72 entfallen.
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Eine Geradführung wird auch bei der Ausführungsform nach den Fig.
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9 und 10 erreicht. Hier sind an ein mittleres Verbindungselement 86
jeweils an gegenüberliegenden Seitenkanten zwei Federelemente 88, 90 bzw. 92, 94
angeschlossen, die mit ihren anderen Enden jeweils an Verbindungselementen 96, 98
angeschlossen sind. Die Federelemente mit einem Außenradius r erstrecken sich hier
über einen Winkel ß = 1800. Bei dieser Ausführungsform liegen wie bei der Ausführungsform
nach Fig. Lt und 5 entsprechend ausgebildete und angeordnete Federelemente 88' bis
94' in einer parallelen Ebene. Die Verbindungselemente 96, 98 dienen hier wiederum
auch als Abstandhalter zwischen den beiden Ebenen. Fluchtend mit dem Verbindungselement
86 ist hier in der unteren Ebene ein Verbindungselement 100 vorgesehen, an das die
Federelemente 88' bis 94' angeschlossen sind und hier als Widerlager dient, während
auf das Verbindungselement 86 die Krafteinleitung erfolgt. Bei dieser Ausführungsform
liegt wiederum eine abgeglichene mechanische Brücke vor.
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Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 wird die Meßfeder
zweckmäßig aus mehreren Teilen zusammengebaut. Ein hierfür verwendbares Federelement
zeigt die Fig. 11, in der für gleiche oder gleichartige Teile die Bezugszeichen
verwendet sind, die in Fig. 9 benutzt wurden. Die Federelemente 88 bis 94 bestehen
hier mit den Verbindungselementen 96, 98 aus einem Stück, wobei die Verbindungselemente
die gleiche Höhe haben wie die Federelemente. Das in Fig. 11 dargestellte Element
einschließlich der Befestigungslöcher kann beispielsweise aus Federstahl gestanzt
und gegebenenfalls auf genaue Dicke geschliffen werden.
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Die Verbindungselemente 96 und 98 sind hier in der in Fig. 11 horizontalen
Symmetrielinie breit ausgeführt, so daß sie über Abstandsstücke biegesteif miteinander
verbindbar sind und damit die Torsionssteifigkeit des Anschlusses der Federelemente
gewährleistet ist. Auch die Verbindungsplatte 86 ist biegesteif zu machen. Dies
kann durch aufzusetzende Krafteinleitungselemente bzw. die Widerlagereinspannung
erreicht werden.
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Die torsionssteif längs eines Radius und in einer Ebene senkrecht
zu ihrer Achse angeschlossenen Federelemente der Meßfedern verhalten sich wie Abschnitte
einer unendlich langen Feder.
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Fig. 12 zeigt die typische Verformung der einzelnen Federwindungen
einer Feder bei axialem Kraftangriff für den Grenzfall, daß die Feder unendlich
lang ist und nur von FaXials aber nicht durch Schwerkrafteinflüsse belastet ist.
Aus ihr geht hervor: 1. daß alle Federquerschnitte längs. des gesamten Federvolumens
die gleiche Belastungsverteilung aufweisen, 2. daß auch nach großen axialen Federauslenkungen
alle Federquerschnitte gemäß Bernoulli eine unverzerrte Form aufweisen und unverändert
parallel zur Federachse und auf diese ausgerichtet bleiben,
3.
daß aber der wirksame Beanspruchungshebelarm r(Fx) sich mit dem cos r des Winkels
r verkürzt, mit dem die neutrale Federfaser bei der Auslenkung gegen die Senkrechte
zur Federachse geneigt wird, 4. daß die Federvolumenelemente in erster Linie auf
Torsion mit dem Moment Fx g r (Fx) beansprucht und in zweiter Linie auf Scherung
mit T Mittel = F/AFeder.
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Beim Freischneiden von Kreisringausschnitten ist daher, neben dem
Moment F ç r (Fx) und der Scherkraft Fx, noch ein x von der Scherung t Mittel um
r(Fx) wirkendes Moment M (X) anzusetzen, um den vorher vorhandenen Verformungszustand
nicht zu verändern, 5. daß bei vorgegebenem Federquerschnitt AFeder das Verhältnis
von Nr (Fx )/Nx um so kleiner und damit die Quersteifigkeit der Feder um so größer
wird, je kleiner die axialen und je größer die radialen Dimensionen von AFeder sind.
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Geradführende Meßfedern der beschriebenen Art können in großer Variationsbreite
realisiert werden, wenn sie eine 2n- fache Anzahl aus gleichartig gestalteten Paaren
von als Kreisringausschnitte ausgebildeten Federelementen aufweisen, die von Fx
jeweils gegensinnig beansprucht (tordiert und geschert) werden.
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Verbindungselemente als Krafteinleitungselemente und Widerlagerelemente
können an jeder Stelle eingefügt werden, wenn dafür gesorgt wird, daß an den Einspannstellen
der Federelemente die Einspannebene radial und durch die Rotationsachse des jeweils
eingespannten Segmentes verläuft.
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Zwangfreie Federeinspannungen von Ausführungen mit zwei Widerlagern
W sind bei Einsatz von Doppelfedern möglich, bei denen
jeweils
Verbindungselemente untereinander starr verbunden sind bzw. wechselweise die Krafteinleitung
und die Widerlagerung übernehmen. Diese Federanordnungen bieten eine strenge Geradführung.
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Besonders raumökonomische Federformen mit einseitiger Widerlagerung
und gegenüberliegender Krafteinleitung werden durch Meßfedern mit je einem gleichsinnig
gekrümmten Federelementenpaar oder im ganzen kreisförmige Meßfedern (Fig. 1 bis
5) möglich, die dann zwangfrei richtig belastet werden, wenn zwei mechanisch gleichwerte
Meßfedern auch mit ihren Krafteinleitungselementen starr miteinander verbunden werden
und sich auf diese Weise gegenseitig parallel führen. Diese Ausführungsart ist vor
allem für Weg- bzw. Kraftaufnehmer mit auslenkungsempfindlichen Meßfühlern (z.B.
Differentialfeldplatten, induktive, kapazitive Abgriffe), aber auch als Ersatz für
die Doppeldreieckslenker oberschaliger Waagen vorteilhaft.
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Optimale Quersteifigkeit wird durch Verwendung von Federelementen
mit rechteckförmigem Querschnitt erreicht, deren Breite b in radialer Richtung sehr
viel größer ist als ihre Höhe h in Erstreckung ihrer Rotationsachse.
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Im vorstehenden sind Meßfedern mit Federelementen mit viereckigem,
insbesondere rechteckigem Querschnitt beschrieben, die eben ausgebildet sind. Die
Federelemente könnten für Sonderausführungen auch mit einer Steigung und mit mehreren
Windungen ((3> 3600) ausgebildet sein und weiter auch mit anderen Querschnitten
ausgeführt sein. So sind beispielsweise auch kreisrunde und elliptische Querschnitte,
aber auch trapez- oder rautenförmige Querschnitte verwendbar.
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Als Meßfühler können Dehnungsmeßstreifen verwendet werden, die auf
die Federelemente aufgebracht werden und ein von der Federbiegung abhängiges Meßsignal
abgeben. Ein hohes Auflösungsvermögen bei hoher Linearität wird beispielsweise bei
strenger Geradführung mit Wegaufnehmern erzielt, wie sie in der DE-OS 33 22 928
beschrieben sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. Lt und 5 kann beispielsweise
das ringförmige Außengehäuse als magnetischer Rückschluß ausgebildet sein. Auf der
Symmetrielinie L sind dabei nach innen vorspringend Polschuhe 145 angebracht, die
gestrichelt angedeutet sind und sich zwischen den Federelementen 32, 34 hindurch
auf den Träger 140 zu erstrecken. Auf den Magnetpolflächen dieser Polschuhe sind
die Feldplattenpaare angebracht, die senkrecht zur Krafteinleitung parallel zueinander
übereinander angeordnet sind. Im Träger ist der mit den Feldplattenpaaren zusammenarbeitende
Anker 143 angebracht, der gleichfalls gestrichelt angedeutet ist.
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Eine in dieser Weise mit einem Meßfühler versehene Meßfeder kann mit
vertikaler Krafteinleitung auch als Wägezelle verwendet werden. Auch als Beschleunigungsmesser
ist eine solche Ausführung bei Kopplung einer entsprechenden Masse mit dem Träger
verwendbar.