DE4020741A1 - Biegeelement fuer eine kraftmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Biegeelement für eine Kraftmeßein­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Biegeelemente für Kraftmeßeinrichtungen sind in vielfältigen Ausführungen bekannt, so zum Beispiel aus der DE-PS 31 48 670 und der DE-PS 32 25 857. Üblicherweise bestehen die Biegeelemente aus Stahl, worauf auch bei einem weiteren in der DE-AS 27 53 549 offenbarten Biegeelement hingewiesen ist.

Die Verwendung von Stahl für die Ausführung der Biegeelemente stellt einen Kompromiß für die zahlreichen Anforderungen an einen Biegeelementwerkstoff dar, wie zum Beispiel hohe Härte und Festigkeit, gute Bearbeit- und Schweißbarkeit, gleich­ mäßiges feines Werkstückgefüge ohne Eigenspannungen, usw. Allerdings ist die Biegefestigkeit von Stahl bei vorgegebenem Elastizitätsmodul für diesen Verwendungszweck nicht sehr zufriedenstellend. Auch die Verwendung von Sonderstählen, wie sie aus der Luft- und Raumfahrttechnik bekannt sind, bringt hier nur eine leichte Verbesserung, zudem verteuert diese Maßnahme das Bauteil wesentlich. Bei Biegeelementen aus Keramik oder aus kristallinen Werkstoffen, wie z. B. Silizium, entsteht das Problem, daß sich diese Werkstoffe nur schlecht bearbeiten lassen und daß es schwierig ist, eine zufriedenstellende Verbindung eines solchen Biegeelements mit einem meist metal­ lischen Grundkörper der Kraftmeßeinrichtung zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung eines Biegeelementes für eine Kraftmeßeinrichtung zugrunde, welches ein verbessertes Verhältnis von Biegefestigkeit zu Elastizi­ tätsmodul aufweist und gleichzeitig problemlos und sicher mit dem Grundkörper der Kraftmeßeinrichtung zu verbinden ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Biegeelement der eingangs ge­ nannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Die Verbindung dieses Biegeelementes mit dem üblicherweise aus Stahl gefertigen Grundkörper kann völlig problemlos über eine normale Schweißverbindung erfolgen. Gleichzeitig besitzt dieses Biegeelement gegenüber einer Ganzstahlausführung bei gegebenem Elastizitätsmodul eine wesentlich höhere Biegefestigkeit, da es im Biegebereich aus einem pulvermetallurgisch gewonnenen Sinter­ metall besteht, dessen Biegefestigkeit gegenüber erschmolzenem Stahl wesentlich höher ist. Auch ist die Verbindung von Sinter­ metall zum erschmolzenen Metallmaterial sehr fest, die Probleme beispielsweise einer Keramik-Metallverbindung treten bei dieser Art von Verbundwerkstücken nicht auf.

Mit der neuen Kraftmeßeinrichtung lassen sich daher beträcht­ lich größere Meßbereiche beherrschen bzw. die Überlastfähigkeit deutlich verbessern.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhafte Werkstoffeigenschaften besitzt das Biegeelement, wenn der Sinterprozeß durch heißisostatisches Pressen erfolgt.

Auch kann das neue Biegeelement durch einfache Be- und Ver­ arbeitungsvorgänge hergestellt werden. So läßt sich das Material im Unterschied zu keramischen Materialien ohne wei­ teres auch in seinem sintermetallischen Bereich erodieren. Die dazu erforderlichen Verbundwerkstoffrohlinge lassen sich sehr ökonomisch durch scheibenartige Zerteilung einer in einem einzigen Sinterprozeß erzeugten, abwechselnd sinter- und stahl­ metallische Abschnitte enthaltenden Langform, die vorzugsweise einen kreis- oder rechteckförmigen Querschnitt aufweist, gewinnen. Besonders einfach ist so auch die Herstellung von Biegeelementen mit mehreren, parallel angeordneten Biege­ bereichen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kraftmeßeinrichtung mit einem Biegeelement in Form eines (einseitig befestigten) Biegebalkens,

Fig. 2 eine Kraftmeßeinrichtung mit einer Biegemembran als Biegeelement,

Fig. 3 eine Kraftmeßeinrichtung mit einem Biegeelement mit zwei parallel angeordneten Biegebereichen und

Fig. 4 eine Kraftmeßeinrichtung mit einem Biegeelement in Form von zwei seriell angeordneten Biegebereichen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Biegeelementen für Kraftmeßeinrichtungen.

Es ist jeweils ein Ausschnitt aus unterschiedlichen Kraftmeß­ einrichtungen im Querschnitt gezeigt, die sämtlich einen Grundkörper (5a, 5b, 5c, 5d) und ein Biegeelement (1a, 1b, 1c, 1d) aufweisen. Der Querschnitt des Biegeelements (1a bis 1d) ist stets an wenigstens einer Stelle, meist ungefähr in der Mitte, verjüngt, wodurch sich dort wenigstens ein Biegebereich (2a, 2b, 2c, 2′c, 2′d) bildet. Auf der Ober- und/oder Unter­ seite sind in diesen Biegebereichen (2a bis 2′d) in nicht ge­ zeigter Weise Sensoren, zum Beispiel Dehnungsmeßstreifen, be­ festigt. Mit ihnen läßt sich die Verformung des Biegeelements (1a bis 1d) im Biegebereich (2a bis 2′d) bei Beaufschlagung mit einer Kraft (F) meßtechnisch erfassen. Hierzu ist das Biege­ element (1a bis 1d) jeweils durch eine Schweißverbindung (6a, 6b, 6c, 6d) wenigstens an einer Seite mit dem Grundkörper (5a bis 5d) verbunden.

Das Biegeelement (1a bis 1d) ist als ein wenigstens zwei­ schichtiges Verbundwerkstück hergestellt. Ein an den Grund­ körper (5a bis 5d) angrenzender Teil (4a, 4b, 4c, 4d) besteht ebenso wie der Grundkörper (5a bis 5d) aus einem erschmolzenen Stahlmaterial. Daher läßt sich die Schweißverbindung (6a bis 6d) problemlos und mit hoher Festigkeit bewerkstelligen. Der übrige, insbesondere den Biegebereich (2a bis 2′d) umfassende Teil (3a, 3b, 3c, 3′c, 3d) des Biegeelements (1a bis 1d) besteht dagegen aus einer durch Sintern hergestellten Metal­ legierung. Im selben Sinterprozeß wird gleichzeitig die Ver­ bindung des sintermetallischen Teils (3a bis 3d) mit dem Teil (4a bis 4d) aus erschmolzenem Stahl entlang einer Verbindungs­ fläche (7a, 7b, 7c, 7d) vorgenommen. Die Festigkeit entlang der Verbindungsfläche (7a, 7b, 7c, 7d) einer solchen "Heißver­ schweißung" erreicht größenordnungsmäßig diejenige der Schweiß­ verbindung (6a bis 6d) und stellt daher keine für den Betrieb der Kraftmeßeinrichtungen kritische Größe dar.

Für den sintermetallischen Bereich (3a bis 3d) läßt sich bei einem gewünschten Elastizitätsmodul eine gegenüber Stahl deutlich bessere Biegefestigkeit erzielen. Da dieser Teil (3a bis 3d) insbesondere den Biegebereich (2a bis 2′d) des Biege­ elements (1a bis 1d) umfaßt, ergibt das die Möglichkeit, die zugehörige Kraftmeßeinrichtung in einem vergleichsweise größeren Meßbereich zu verwenden, als das mit den bisherigen Biegeelementen der Fall ist. Bei einer Beibehaltung des Meß­ bereichs wird die Überlastfähigkeit der Meßanordnung deutlich verbessert.

Die Herstellung der Biegeelemente (1a bis 1d) erfolgt jeweils durch einen Sintervorgang, der vorzugsweise mittels heißisosta­ tischem Pressen durchgeführt wird und die Sintermetallbereiche (3a bis 3d) sowie deren Verbindung mit den Stahlbereichen (4a bis 4d) entlang der Flächen (7a bis 7d) erzeugt, und an­ schließende Bearbeitung, zum Beispiel Erodierung, des Verbund­ werkstückrohlings zur Erzielung der gewünschten Endform des Biegeelements. Der Verbundwerkstoffrohling ist hierbei durch scheibenartiges Abtrennen von einer Langform mit vorzugsweise kreis- oder rechteckförmigem Querschnitt gewonnen, die in einem einzigen Sinterprozeß hergestellt ist. Die Langform enthält abwechselnd sinter- und stahlmetallische Bereiche, so daß also mit einem Sintervorgang gleichzeitig eine Vielzahl von Roh­ lingen gewinnbar ist. Für Biegeelemente solcher Materialzu­ sammensetzung ergeben sich insgesamt die günstigsten Eigen­ schaften hinsichtlich der eingangs erwähnten Anforderungen an diese Bauteile.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 greift die Kraft (F) ein­ seitig an einem Schenkel eines als im Querschnitt U-förmiger, in Draufsicht rechteckiger Biegebalken (1a) gestalteten Biege­ elements an. Mit seinem anderen Schenkel ist der als zwei­ schichtiges Verbundwerkstück geschaffene Biegebalken (1a) an dem ortsfesten Grundkörper (5a) aus Stahl mit der Schweiß­ verbindung (6a) befestigt. Beide Enden der Schenkel des Biege­ elementes (1a) bestehen aus einem Teil (4a) aus Stahl.

Fig. 2 zeigt ein zylindrisches Biegeelement (1b) mit Längsachse (A) und mit einer kreisförmigen Biegemembran mit Biegebereich (2b), die über einen ringförmigen Rand wiederum mit einer Schweißverbindung (6b) an einem ringförmigen Grundkörper (5b) befestigt ist. Das Biegeelement (1b) bildet wiederum ein zweischichtiges Verbundwerkstück mit dem an den Grundkörper (5b) angrenzenden ringförmigen Teil (4b) aus Stahl und dem sintermetallischen Teil (3b), der den Biegebereich (2b) umfaßt.

Eine weitere Ausführungsform stellt das in Draufsicht recht­ eckförmige Biegeelement (1c) der Fig. 3 in Form eines Biege­ balkens mit zwei parallel angeordneten Biegebereichen (2c, 2′c) dar. Der Teil (4c) bildet bei dieser Ausführung einen Zwischen­ bereich, an den sich beidseitig die beiden im Querschnitt U-förmigen sintermetallischen Bereiche (3c, 3′c), die die Biegebereiche (2c, 2′c) umfassen, anschließen. Ein solches dreischichtiges Biegeelement läßt sich in einfacher Weise durch entsprechende Bearbeitung eines dreischichtigen Verbundwerk­ stückrohlings Sintermetall-Stahl-Sintermetall erzeugen. Der­ artige Einrichtungen vom Doppelbiegebalkentyp erhöhen die Meßgenauigkeit. Der Teil (4c) aus Stahl dieses Biegeelementes (1c) besitzt nach zwei Außenseiten hin jeweils einen Fortsatz (11, 12). Mit dem einen Fortsatz (11) ist das Biegeelement (1c) wiederum über eine Schweißverbindung (6c) am Grundkörper (5c) befestigt, während am anderen Fortsatz (12) die zu messende Kraft (F) angreift.

Schließlich zeigt die Fig. 4 eine weitere Variante eines Biege­ elementes (1d), bei dem zwei hintereinander liegende Biegebe­ reiche (2d, 2′d) durch eine Querschnittsverjüngung gebildet sind, die dadurch entsteht, daß in das Biegeelement (1d) zwei parallele Bohrungen (16) in geringem Abstand unterhalb der Oberfläche eingebracht sind. Die Übertragung der Kraft (F) erfolgt hier über ein Kraftübertragungsglied (14), das in einem Schweißpunkt (13) fest mit dem Biegeelement (1d) verbunden ist, wobei es mit Spiel durch einen Teil des Biegeelements (1d) axial geführt ist und gegen Überlastung mit in passende Boh­ rungen (15) einbringbaren Paßstiften gesichert werden kann. Das Biegeelement (1d) ist als zweischichtiges Verbundwerkstück ausgeführt, wobei der sintermetallische Bereich (3d) wenigstens die querschnittsverengten Biegebereiche (2d, 2′d) umfaßt. Das Biegeelement (1d) ist durch die Bohrungen (16) sowie zu diesen Bohrungen führenden Schlitzen (17) so geformt, daß der Schweiß­ punkt (13) sich an einem zungenförmigen Ende im aus Stahl bestehenden Bereich (4d) befindet. Wiederum sind die Bohrungen und Schlitze vorzugsweise erst nachträglich durch Erodieren eines massiven, zweischichtigen Verbundwerkstückrohlings erzeugt.

Auch weitere Varianten hinsichtlich der Gestaltung des Biege­ elementes sind selbstverständlich möglich und vom Erfindungsge­ danken umfaßt, solange nur das Biegeelement als Sintermetall/ Stahl-Verbundwerkstück hergestellt ist, wobei der Biegebereich sintermetallisch ausgeführt ist und der mit einem Grundkörper aus Stahl zu verbindende Biegeelementteil aus Stahl besteht.

Claims (5)

1. Biegeelement für eine Kraftmeßeinrichtung, das mit einem ortsfesten Grundkörper der Kraftmeßeinrichtung verbunden und dessen Verformung innerhalb eines Biegebereiches unter Krafteinwirkung ein Maß für die Größe der Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (1a, 1b, 1c, 1d) ein wenigstens zweischichtiges Verbundwerkstück ist, dessen einer Teil (3a, 3b, 3c, 3′c, 3d) aus einem Sintermetall besteht und den Biegebereich (2a, 2b, 2c, 2′c, 3c, 3′c) enthält und dessen anderer Teil (4a, 4b, 4c, 4d), der an den Grundkörper (5a, 5b, 5c, 5d) angrenzt, aus einem erschmolzenen Stahl besteht.

2. Biegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des sintermetallischen Bereiches (3a, 3b, 3c, 3′c, 3d) der Sintervorgang durch heißisostatisches Pressen erfolgt.

3. Biegeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es durch Bearbeitung eines Verbundwerkstückroh­ lings in seine Endform gebracht ist, der durch scheibenartiges Abtrennen von einer in einem einzigen Sinterprozeß erzeugten, abwechselnd sintermetallische und stahlmetallische Abschnitte enthaltenden Langform gewonnen ist.

4. Biegeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere sintermetallische Biegebereiche (2c, 2′c; 2d, 2′d) enthält.

5. Biegeelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen dreischichtigen Aufbau, wobei der Teil (4c) aus Stahl einen mittleren Bereich bildet, an den sich nach beiden Seiten ein sintermetallischer, jeweils einen Biegebereich (2c, 2′c) aufweisender Bereich (3c, 3′c) anschließt.