DE3837776C2

DE3837776C2 -

Info

Publication number: DE3837776C2
Application number: DE19883837776
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig De Horn
Original assignee: Bran & Luebbe Industrie Automation & Co 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Bran & Luebbe Industrie Automation & Co 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1992-03-05
Also published as: DE3837776A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Federkörper für nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeitende und auf dem Abgriff von Biege- oder Scherdeh nungen beruhende Kraftmeßdosen und Wägezellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als Federkörper der genannten Art sind bereits Grundformen von Biegebalkenmeßfendern bekannt (z. B. aus "ATM Archiv für technisches Messen", Januar 1967), die vorzugsweise für kleine Meßbereiche sowie als Wägezellen in elektro-mecha nischen Waagen eingesetzt werden können. Davon hat eine Ausführungsvariante eine außergewöhnliche Verbreitung ge funden, die einen einseitig eingespannten Doppelbiegebalken aufweist und nach dem Dehnungsmeßstreifen-(DMS-)Prinzip arbeitet, wobei sowohl Ausführungen bekannt sind, bei denen Biegedehnungen abgegriffen werden als auch solche, bei denen die Scherdehnungen benutzt werden. Eine solche Ausführungs form ist im Prinzip in Fig. 1 dargestellt. Kommt dabei ein Biegebalken mit über seine Länge L konstantem Querschnitt zum Einsatz, so ist die Forderung nach exakt zentralem An griff einer Kraft F bei der Hälfte der Länge L dann gegeben, wenn die DMS gleichempfindlich und paarweise spiegelsymme trisch zur Mittellinie bei der Hälfte der Biegebalken-Länge appliziert sind. Dann wird sogar die Wirkung einer im Last angriffspunkt möglicherweise ebenfalls angreifenden Quer kraft Q in ihrer fehlerhaften Auswirkung auf das Ausgangs signal der DMS-Meßbrücke hochgradig eliminiert. Aber sogar Fehler höherer Ordnung durch Querkrafteinflüsse können darüber hinaus wirkungsvoll unterdrückt werden, wenn man gemäß DE-GM 80 08 017 den Lastangriffspunkt durch eine mechanische Rückführung vom starren Lasteinleitungswinkel exakt in den Schwerpunkt der reinen Biegefeder und damit in deren neu trale Faser verlegt. Die Biegefeder muß zu diesem Zweck dann aber einen Ausschnitt aufweisen.

Aus der DE 35 13 935 A1 ist ferner ein Federkörper für eine Kraftmeßvorrichtung bekannt, der aber zwei Meßfedern besitzt, denen paarweise zwei Lasteinleitungselemente zugeordnet sind. Diese zwei Meßfedern stellen Kreisbogenelemente dar und sind nach Art der Windungen von Spiralfedern praktisch rein auf Torsion beansprucht.

Ein wesentlicher Nachteil all dieser Ausführungsformen besteht aber darin, daß bei ihnen durch eine im Lasteinleitungspunkt E angreifende Kraft F ein Drehmoment F×L/2 auf ihr Widerlager W ausgeübt kund somit für dieses eine material-, volumen-, gewichts- und kostenintensive Konstruktion vorausgesetzt wird, wenn von dieser Einspannstelle durch Lagernachgiebigkeiten keine nennenswerten Meßfehler ausgehen sollen.

Es ist bekannt, daß sich solche Einspannfehler vermeiden lassen, wenn man zwei derartige Doppelbiegebalken mechanisch hintereinanderschaltet und zusätzlich auch noch den Lastausleitungspunkt A der Meßkraft in das Widerlager W durch einen weiteren Last winkel LW′ in die Wirkungslinie der Meßkraft F bei x=L/2 nach W verlegt.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darüber hinaus darin, daß der Lasteinleitungspunkt E der Meßkraft bei einer solchen Federform bei Federauslenkungen streng gerade geführt wird und somit bei ihrem Einbau in Waagenkonstruktionen durch Lasteinwirkungen keine störenden Querkräfte Q aufgebaut werden. Ihr Nachteil besteht aber neben dem größeren baulichen Aufwand vor allem in der Verdopplung sowohl des Meßweges als auch der Bauhöhe H der Meßfederanordnung, vergleicht man beides mit dem Einfachbiegebalken von Fig. 1.

Eine zwar nicht geradlinige Federauslenkung jedoch ohne Momentbelastung des Widerlagers erhält man, wenn man gemäß Fig. 2 an beiden Enden des Biegebalkens B je einen Lastwinkel LW mit E bzw. LW′ mit A anordnet und das Wider lager W in der Wirkungsrichtung der Meßkraft F anordnet.

Gemäß Fig. 2 erhält man dabei eine in der Seitenprojektion im wesentlichen S-förmige Federgeometrie, wie sie heute vorzugsweise in monolithischer Form, d. h. aus einem Materialblock in einem zusammenhängenden Teil heraus gearbeitet, von verschiedenen Herstellern entweder als Biege- oder als Scherkraft-Wägezellen auf den Markt gebracht werden.

Der Nachteil der relativ großen Bauhöhe H bleibt hier aber in vollem Umfange bestehen. Sieht man von der Variante gemäß DE-GM 80 08 017 einmal ab, haben alle bisher be schriebenen Meßfederformen den gravierenden weiteren Nachteil gemeinsam, daß Lasteinleitungspunkt E und Last ausleitungspunkt A in Meßkraftrichtung z recht weit aus einander und weit ab von der neutralen Faser N des Biege balkens liegen.

Schon kleine überlagerte Querkräfte Q in x- oder y-Richtung im Lasteinleitungspunkt E führen daher zu Kippmomenten auf die Meßfeder und daraus resultierenden zusätzlichen Verwindungen und Verformungen des Biegebalkens B, die sich notwendigerweise in Verfälschungen des Meßsignals in höherer Fehleranordnung auswirken.

Außerdem haben alle diese Federformen aufgrund dieses Verhaltens in Querrichtung x und y nur eine sehr kleine Federsteifigkeit und weisen daher nur bescheidene Führungseigenschaften in Meßkraftrichtung z auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Federkörper der genannten Art zu schaffen, bei dem auftretende Querkräfte nicht zu einem Kippmoment führen können.

Diese Aufgabe ist durch einen Federkörper gelöst, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungs beispielen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Biegebalkenmeßfeder nach dem Stand der Technik in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Biegebalkenmeßfeder nach dem Stand der Technik in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform des Federkörpers gemäß der Erfindung in Ansicht,

Fig. 4 einen Schnitt durch Fig. 3 in Höhe IV-IV,

Fig. 5a bis 5c drei Schnitte durch Fig. 3 entlang der jeweils angegebenen Schnittlinien,

Fig. 6 den erfundenen Federkörper in Ansicht mit am Biegebalken applizierten DMS,

Fig. 7a; 7b zwei Schnitte durch Fig. 6 in Höhe der Schnitt linien VIIa und VIIb,

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform des Federkörpers gemäß der Erfindung in Ansicht, bei dem der Biegebalken als Hohlkörper ausgeführt ist,

Fig. 9 einen Schnitt durch Fig. 8 in Höhe IX-IX und

Fig. 10 schematisch einen Federkörper mit angebrachten Überlastsicherungen.

Alle beschriebenen Nachteile bei außerdem noch gegenüber der Meßfeder nach Fig. 1 entscheidend reduzierter Bauhöhe H lassen sich erfindungsgemäß vermeiden, wenn man die Last winkel in jeweils ein Paar spiegelbildlich zur x-Achse geformte Teilwinkel LW₁ und LW₂ sowie LW′₁ und LW′₂ aufgliedert und diese alle, in der X-Y-Ebene ineinander geschachtelt, symmetrisch zur neutralen Faser N des Biege balkens anordnet (Fig. 3, 5a, 5b, 5c).

Um mit einem derartigen Federkörper Messungen durchführen zu können, wird vor Einleitung der Meßkraft F diese z. B. über ein gesondertes, nicht zum Federkörper gehörendes Lastteilerelement LE in zwei etwa gleiche Teilkräfte F₁=F₂=F/2 aufgeteilt und bei E₁ und E₂ mit spiegelbildlich gleichem y-Abstand von der neutralen Faser N in den Federkörper eingeleitet und bei A₁ bzw. A₂ wieder ausgeleitet.

Optimale Ergebnisse sind dabei insbesondere dann erzielbar, wenn durch Ausbrüche AB₁ bis AB₄ in den Lastwinkelhälften dafür gesorgt wird, daß die Ein- und/oder Ausleitung exakt in z-Höhe der neutralen Faser N des Biegebalkens B erfolgt. Auf der Ausleitungsseite dienen dazu die Stützelemente S₁ und S₂.

Die Hilfsstützelemente SH₁ und SH₂ dienen lediglich dazu, ein von eventuellen Querkräften Q₁=Q₂=Q/2 hervorgerufenes Kippmoment auf die montierten Federkörper aufzunehmen und auszuleiten.

Der Federkörper kann vorteilhaft durch Ausfräsen, Sägen, Ätzen oder Schneiden usw. der Begrenzungsschlitze BS₁ und BS₂ des Biegebalkens B sowie der Trennschlitze TS₁ und TS₂ zwischen LW₁ und LW′₁ bzw. zwischen LW₂ und LW′₂ monolithisch aus einem einzigen ebenen Blech in den Außenabmessungen der fertigen Federkörper ohne großen fertigungstechnischen Aufwand hergestellt werden.

Es kann aber auch vorteilhaft auf stranggepreßtes Stangenmaterial zurückgegriffen werden, in dem die Begrenzungs- und Trennschlitze freigearbeitet sind und durch Absägen von Scheiben der Höhe H_w Federkörper erzeugt werden.

Bei beiden Herstellverfahren genügt es, beim Rohkörper allseitig lediglich den zentral gelegenen Biegebalken B z. B. durch Fräsen präzise auf seine Sollabmessungen fein nachzuarbeiten. Alle übrigen Bearbeitungsflächen können im Rohzustand belassen werden.

Bei Verwendung des DMS-Prinzips können durch Aufbringen von mindestens 4 DMS symmetrisch zur x- und y-Achse auf der Biegebalkenoberfläche in bekannter Weise (Fig. 6) Biegespannungs- und Scherspannungsmeßfedern (Fig. 7a; 7b) dimensioniert werden. Bei letzteren wird sehr häufig am Orte der DMS-Applikation auf einen I-förmigen Querschnitt des Biegebalkens zurückgegriffen.

Da die solchermaßen applizierten DMS bei dem späteren Federkörper ohne Gegenmaßnahmen der freien Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sind und sich nur in technisch schwieriger Weise und unter großem Aufwand (z. B. durch Faltenbälge, Wellbleche etc.), und dazu meist nur unter Inkaufnahme von Genauigkeitseinbußen hermetisch abkapseln lassen, kann der Biegebalken in einer besonderen Ausführungsform vorteilhaft in an sich bekannter Weise als Hohlkörper ausgebildet und die mindestens 4 DMS auf dessen Innenwandungen appliziert werden. Für diese Ausführungsform eignet sich besonders das schon in Fig. 7b gezeigte Scherspannungsprinzip.

Der Innenraum des Hohlkörpers kann dann durch metallische Verschraubungselemente V₁ und V₂, die vorteilhaft eingeschmolzene Elektrodendurchführungen D_E aufweisen, verschlossen werden, so daß die DMS und ihre Brückenverdrahtung auf diese Weise hermetisch gegen die Außenatmosphäre abgekapselt sind.

Ein allen Ausführungsformen gemeinsames Merkmal besteht darin, daß die Federkörper in Meßkraftrichtung Bauhöhen H_w aufweisen können, die nur geringfügig größer sein müssen als die Höhe h des eigentlichen Biegebalkens, den man aus Festigkeitsgründen in Funktion von der Höchstkraft dimensionieren muß. H_w ist somit wesentlich niedriger als die Bauhöhe vergleichbarer Meßfedern der bekannten Bauformen.

Ein besonderes Merkmal der Ausführungsform nach Fig. 8 besteht zusätzlich darin, daß durch die Verwendung eines Hohlkörperprofiles dem Biegebalkens B bei vorgegebener Höchstkraft des Aufnehmers eine maximale Torsionssteifigkeit um die x-Achse gegeben werden kann.

Bei sorgfältigem Applizieren der DMS und präziser mechanischer Fertigung können auf diese Weise relativ große Exzentrizitäten für den Angriff der Meßkraft sowohl in x- als auch in y-Richtung zugelassen werden, ohne daß größere Signalfehler in Kauf zu nehmen sind, da diese ihrer Natur nach nur Fehler höherer Ordnung sind.

Claims

1. Federkörper für nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeitende und auf dem Abgriff von Biege- oder Scherdehnungen beruhende Kraftmeßdosen und Wägezellen, die als Federkörper einen Biegebalken aufweisen, der an seinen beiden Enden in einen Lasteinleitungswinkel bzw. einen Lastausleitungswinkel übergeht, die spiegelbildlich vertikal zur Längsachse des Biegebalkens angeordnet und in einer Ebene parallel zur Meßkraftrichtung ineinander schachtelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasteinleitungs- und Lastausleitungswinkel (LW; LW′) in zwei symmetrisch zur Biegebalken-Längsachse und in einer Ebene senkrecht zur Meßkraftsichtung angeordnete Teilwinkelelemente (LW₁; LW₂) ausgeformt sind, an denen lasteingangsseitig die in etwa zwei gleich große Teilkräfte aufgeteilte Meßkraft (F) und lastausgangsseitig zwei Stützelemente (S₁; S₂) angreifen, und daß die Angriffspunkte dieser Teilkräfte symmetrisch zur Längsachse des Biegebalkens (B) in der horizontalen Symmetrieebene des Biegebalkens liegen.

2. Federkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftein- und/oder -ausleitung über Ausbrüche (AB₁-AB₄) in den Lastwinkeln (LW; LW′) in derjenigen Ebene erfolgt, die durch die neutralen Fasern (N) des Biegebalkens (B) festgelegt ist.

3. Federkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser lediglich durch Begrenzungsschlitze (BS) und Trennschlitze (TS) aus einem ebenen Halbfertigteil (Blech) monolithisch (aus einem Stück) herausgearbeitet ist.

4. Federkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Biegebalken (B) ein Hohlkörper verwendet wird und auf den Innenwandungen dieses Hohlkörpers Dehnungsmeßstreifen (DMS) appliziert sind.

5. Federkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum des Hohlkörpers beidseitig durch vorzugsweise metallische Verschlußstopfen (VS) hermetisch gegen die Außenatmosphäre abgeschlossen ist und die Elektrodenzuführung zu den DMS vorzugsweise über in diese Verschlußstopfen eingeschmolzene Glasdurchführungen erfolgt.