DE4009019A1

DE4009019A1 - Kreisplattenfeder fuer eine kraftmesszelle

Info

Publication number: DE4009019A1
Application number: DE19904009019
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Bethe
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Minebea Intec GmbH
Priority date: 1990-03-21
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: DE4009019C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreisplattenfeder für eine Kraftmeßzelle mit biegesteifem abstützenden Außenrand, einer ersten axialsymmetrisch profilierten Oberfläche der Kreisplattenfeder und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, auf der mindestens je ein Dehnungsmeßstreifen innerhalb und außerhalb einer umlaufenden radialdehnungsfreien Linie angeordnet ist.

Kreisplattenfedern für Kraftmeßzellen sind bekannt und stellen einen besonders geeigneten Federkörper für flache, kompakte Kraftmeßzellen dar. Die radiale Dehnungsverteilung läßt sich durch geeignete Profilierung der Kreisplattenfeder in weiten Grenzen variieren.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 38 23 673.7 ist ein Druck- bzw. Kraftaufnehmer mit einer axialsymmetrischen druck- bzw. kraftaufnehmenden Kreisplattenfeder bekannt, die einen verstärkten, als Auflage auf einem Träger dienenden Randbereich und eine geeignete profilierte Oberfläche hat. Die andere Oberfläche dieser Kreisplattenfeder ist plan ausgestaltet, um in Folien- oder Dünnfilmtechnik aufgebrachte Dehnungsmeßstreifen aufzunehmen. Die Kreisplattenfeder ist verhältnismäßig dünn, so daß die Auswirkung der Profilierung der einen Seite der Kreisplattenfeder auf die andere gegenüberliegende plane Seite, die die Dehnungsmeßstreifen trägt, ausreichend groß ist, so daß eine Dehnungsjustierung, d. h. gleichmäßige Aufteilung der radial gestauchten und gedehnten Oberfläche auf die Dehnungsmeßstreifen möglich ist. Da die Kreisplattenfeder statisch die zu messende Kraft abstützt, muß die Kreisplattenfeder für hohe Lasten eine entsprechend große Dicke aufweisen. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Auswirkung des einseitigen Profils der Kreisplattenfeder auf die gegenüberliegende Meßfläche so gering ist, daß die für eine hohe Linearität unerläßliche Gleichbemessung des Betrages der positiven und der negativen radialen bzw. tangentialen Dehnung nicht mehr erreichbar ist. Dieses Problem kann auch nicht dadurch beseitigt werden, daß ein technisch kaum realisierbarer extrem biegesteifer Außenflansch vorgesehen wird. Es bleibt somit ein niedrigeres Maximum der Radialdehnung im Außenbereich, verglichen mit dem Maximum im Inneren der von radialen Dehnungen freien Ringzone bzw. Linie vorhanden. Dieses Problem kann auch nicht dadurch behoben werden, daß die die positive Dehnung detektierenden innenliegenden Dehnungsmeßstreifen vom Dehnungsmaximum weg zu niedrigeren Dehnungswerten verlagert werden, da dabei einerseits Meßempfindlichkeit verlorengeht und andererseits die genaue Positionierung dieser Dehnungsmeßstreifen auf der Dehnungsflanke sehr kritisch ist. Die bekannte Kreisplattenfeder ist für hohe zu messende Kräfte daher wenig geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreisplattenfeder zu schaffen, die auch für hohe Lasten die Vorteile der bekannten Kreisplattenfeder und eine harmonisierte Dehnungsverteilung auf der mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Oberfläche aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der zweiten Oberfläche der Kreisplattenfeder in einem Mittelbereich zwischen dem innerhalb der radialdehnungsfreien Linie angeordneten Dehnungsmeßstreifen und dem Zentrum der Kreisplattenfeder mindestens eine Ausnehmung angeordnet ist, zur Erniedrigung der zentrumsnahen positiven Dehnung auf dieser Oberfläche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen derart bemessen und angeordnet, daß die axial über einen mittigen Ansatz eingeleitete Kraft an den innerhalb und außerhalb der radialdehnungsfreien Linie angeordneten Dehnungsmeßstreifen radiale und/oder tangentiale Dehnungskomponenten mit unterschiedlichem Vorzeichen aber gleichem Betrag hervorruft. Die Position der Ausnehmung zur Mitte der Kreisplattenfeder und ihre Tiefe und Form bestimmen den Bereich und Grad, in dem eine erniedrigte radiale und/oder tangentiale Dehnung auftritt.

Vorteilhaft sind die Ausnehmungen derart bemessen und zum Zentrum der Kreisplattenfeder beabstandet, daß die Nichtlinearität des Zusammenhangs zwischen der zentral eingeleiteten Meßkraft und dem Ausgangssignal des Systems der Dehnungsmeßstreifen sich nahezu kompensiert.

Mit dieser erfindungsgemäßen Kreisplattenfeder, die ausschließlich die oberflächennahen Dehnungswerte im Mittelbereich der Meßfläche reduziert, ohne dabei die Gesamttragfähigkeit der Kreisplattenfeder zu beeinträchtigen, ist es gelungen, eine Kreisplattenfeder zu realisieren, bei der auch bei großen Kräften die wichtige Symmetrierung der Dehnungs-Extremwerte vorliegt. Die dehnungsausgleichende Ausnehmung bzw. Ausnehmungen im Mittelbereich können in Tiefe, Radius und Form variieren, bezüglich des Zentrums nicht rotationssymmetrisch sein und auch später noch zu Justierzwecken verändert werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kreisplattenfeder stellt die durch die Ausnehmung verringerte, eventuell zu polierende Fläche zur Aufbringung der Dehnungsmeßstreifen dar. Ferner kann durch die Schwächung des Mittelbereichs auch die Nichtlinearität des Kraftaufnehmers gezielt beeinflußt werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kreisplattenfeder mit einer zentralen Ausnehmung,

Fig. 1a den auf der Fläche der Dehnungsmeßstreifen gewünschten Dehnungsstreifen ε (r) der Kreisplattenfeder nach Fig. 1,

Fig. 1b den auf der Fläche der Dehnungsmeßstreifen unerwünschten Dehnungsverlauf ε (r) bei einer Kreisplattenfeder gemäß Fig. 1 ohne erfindungsgemäße Ausnehmung,

Fig. 1c den Ausschnitt A aus Fig. 1 mit einer weiteren Variante der Ausnehmung,

Fig. 1d den Ausschnitt A aus Fig. 1 mit einer Variante der Ausnehmung, und

Fig. 2 eine Unteransicht der Kreisplattenfeder nach Fig. 1 mit verschiedenen skizzierten Varianten der Ausnehmung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kreisplattenfeder 10 mit einem steifen Außenrand 11, der an seinem unteren äußeren Rand drehbar an den Punkten 12 gelagert ist. Die Kreisplattenfeder 10 hat mittig einen als Krafteinleitungskopf ausgebildeten Ansatz 13, auf den in der Zeichnungsebene von oben die zu messende Kraft F wirkt.

Die zur Kraft F weisende erste Oberfläche 14 der Kreisplattenfeder 10 weist eine axialsymmetrische umlaufende Profilierung 15 auf. Auf der zweiten, in der Zeichnungsebene nach unten weisende Oberfläche 16 der Kreisplattenfeder 10 sind die innerhalb und außerhalb einer umlaufenden radialdehnungsfreien Linie r_o positionierten Dehnungsmeßstreifen 17 und 18 angeordnet. Aufgrund der Profilierung 15 der ersten Oberfläche 14 entsteht auf der nach unten weisenden zweiten Oberfläche 16 die umlaufende Linie mit r₀, in welcher die Radialkomponente der Oberflächendehnung zu Null wird. Auf der zum Zentrum der Kreisplattenfeder 10 weisenden Seite dieser Linie mit r₀ sind die innenliegenden Dehnungsmeßstreifen 17 und auf der anderen Seite die außenleigenden Dehnungsmeßstreifen 18 angeordnet.

In dieser Oberfläche 16 ist ferner eine mittige Ausnehmung 19 eingebracht, so daß an den inneren und äußeren Dehnungsmeßstreifen 17 und 18 radiale Dehnungskomponenten ε+ und ε- mit unterschiedlichem Vorzeichen und gleichem Betrag entstehen, wie es aus Fig. 1a deutlich hervorgeht. Wird auf eine erfindungsgemäße Ausnehmung 19 verzichtet, dann sind die Dehnungs-Extremwerte unsymmetrisch, wie es aus Fig. 1b mit ε′+ und ε′- deutlich hervorgeht, wobei der Strich die betragsmäßige Ungleichheit andeutet. Desgleichen kann die Tangentialdehnung durch die zentrumsnahe Ausnehmung 19 gezielt verändert werden.

Wie aus Fig. 1a hervorgeht, hat der radial äußere Rand der Ausnehmung einen Abstand zum Zentrum der Kreisplattenfeder, der u. a. den Bereich und Grad der Dehnungsbeeinflussung definiert. Das heißt für kleiner werdende Radien im Bereich der Ausnehmung ist eine starke Abnahme der Dehnung vorhanden, wodurch Dehnungsspitzen in diesem Bereich vermieden werden.

Fig. 1c zeigt einen Ausschnitt A aus Fig. 1 mit einer Variante der Ausnehmung 19, die in Form eines Sacklochs exzentrisch zwischen dem Zentrum der Kreisplattenfeder und dem ersten Dehnungsmeßstreifen 17 angeordnet ist.

Fig. 1d zeigt ebenfalls den Ausschnitt A der Fig. 1 mit einer weiteren Variante der Ausnehmung 19, die als axialsymmetrische umlaufende Nut mit beliebigem Querschnitt im Mittelbereich ausgebildet ist. Hier sei angemerkt, daß die Ausnehmung 19 auch als Sackloch nach Fig. 1c ausgebildet sein kann und mehrere derartige Ausnehmungen exzentrisch an der Winkel-Position der inneren Dehnungsmeßstreifen 17 angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt eine Unteransicht der Kreisplattenfeder 10 der Fig. 1. Die jetzt sichtbare zweite Oberfläche 16 ist in herkömmlicher Technik poliert und mit den Dehnungsmeßstreifen 17 und 18 versehen. Es kann auch vorgesehen sein, die Dehnungsmeßstreifen mit einem Verfahren der Dünnfilm-Disposition, z. B. der Kathodenzerstäubung (Sputtering) auf diese Oberfläche 16 aufzubringen. Im mittleren Bereich der Oberfläche 16 sind verschiedene Varianten von Ausnehmungen 19 eingezeichnet. Im einzelnen ist dies die umlaufende Nut entsprechend Fig. 1d, die durch die zwei konzentrischen Kreise angedeutet ist, und die als Sackloch ausgebildete Ausnehmung entsprechend Fig. 1c, die durch den dem Dehnungsmeßstreifen 17 zugeordneten Kreis angedeutet ist. Der innere konzentrische Kreis kann die Ausnehmung entsprechend Fig. 1 repräsentieren oder eine Ausnehmung 19, die die Form eines Kugelabschnittes oder eines Abschnitts eines Rotationsellipsoids aufweist. Hier sei darauf hingewiesen, daß jedem inneren Dehnungsmeßstreifen 17 radial ein äußerer Dehnungsmeßstreifen 18 zugeordnet sein kann, wie aus Fig. 1 ersichtlich, diese aber auch versetzt auf der zweiten Oberfläche 16 der Kreisplattenfeder 10 angeordnet sein können, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Kreisplattenfeder für eine Kraftmeßzelle mit biegesteifem abstützenden Außenrand, einer ersten axialsymmetrisch profilierten Oberfläche der Kreisplattenfeder und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, auf der mindestens je ein Dehnungsmeßstreifen innerhalb und außerhalb einer umlaufenden radialdehnungsfreien Linie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Oberfläche (16) der Kreisplattenfeder (10) in einem Mittelbereich zwischen dem innerhalb der radialdehnungsfreien Linie angeordneten Dehnungsmeßstreifen (17) und dem Zentrum der Kreisplattenfeder (10) mindestens eine Ausnehmung (19) angeordnet ist, zur Erniedrigung der zentrumsnahen positiven Dehnung (ε+) auf dieser Oberfläche (16).

2. Kreisplattenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19) derart bemessen und angeordnet ist, daß die axial über einen mittigen Ansatz (13) eingeleitete Kraft (F) an den innerhalb und außerhalb der radialdehnungsfreien Linie angeordneten Dehnungsmeßstreifen (17, 18) radiale und/oder tangentiale Dehnungskomponenten (ε+, ε-) mit unterschiedlichem Vorzeichen aber gleichem Betrag hervorruft.

3. Kreisplattenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19) derart bemessen und zum Zentrum der Kreisplattenfeder (10) beabstandet sind, daß die Nichtlinearität des Zusammenhangs zwischen der zentral eingeleiteten Meßkraft (F) und dem Ausgangssignal des Systems der Dehnungsmeßstreifen (17, 18) sich nahezu kompensiert.

4. Kreisplattenfeder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19), orthogonal zur zweiten Oberfläche (16) geschnitten betrachtet, als flache Vertiefung mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.

5. Kreisplattenfeder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19), orthogonal zur zweiten Oberfläche (16) geschnitten betrachtet, die Form eines Kreisabschnittes oder eines Ellipsenabschnittes aufweist.

6. Kreisplattenfeder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19) symmetrisch zum Zentrum der Kreisplattenfeder (10) angeordnet ist und das Zentrum der Kreisplattenfeder (10) vollständig überdeckt.

7. Kreisplattenfeder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19) als axialsymmetrische umlaufende Nut mit beliebigem Querschnitt im Mittelbereich zwischen der Mitte der Kreisplattenfeder (10) und dem Dehnungsmeßstreifen (17) ausgebildet ist.

8. Kreisplattenfeder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19) als Sackloch ausgebildet ist und mehrere derartige Ausnehmungen (19) exzentrisch an der Winkel-Position der inneren Dehnungsmeßstreifen (17) angeordnet sind.

9. Kreisplattenfeder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen in herkömmlicher Folientechnik oder Dünnfilm-Depositions-Technik auf der Oberfläche (16) aufgebracht sind.