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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Lastzelle oder Meßdose
zum Übertragen
und Messen von linearen Kräften
entlang drei orthogonalen Achsen und von Momenten um drei orthogonale
Achsen. Insbesondere wird ein kompakter Lastzellenkörper mit
einer starren Mittelnabe bzw. einem starren Mittelkern, einem bezüglich der
Nabe konzentrischen starren ringförmigen Element bzw. Kreisring
und sich zwischen der Mittelnabe und dem ringförmigen Element erstreckenden
radialen Elementen bereitgestellt. Der Lastzellenkörper weist eine
verbesserte Leistungsfähigkeit
und verbesserte Kenngrößen auf,
die leicht eingestellt werden können,
um die Empfindlichkeit der Lastzelle zu verändern.
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Transducer oder Lastzellen bzw. Lastmeßzellen
zum Bestimmen von Kräften
entlang drei orthogonalen Achsen und von Momenten um drei orthogonale
Achsen sind bekannt. Zwei derartige Lastzellen sind in den US-Patenten
Nr. 4640138 und 4821582 dargestellt. Im US-Patent Nr. 4640138 ist
ein multiaxialer kraft- oder lastempfindlicher Transducer mit Innen-
und Außenelementen
dargestellt, die durch ein Paar axial beabstandeter Tragkreuze miteinander
verbunden sind. Die Tragkreuze weisen Arme auf, die mit dem Innenelement
integral ausgebildet sind und die durch sich in Längsrichtung
erstreckende flexible Bänder
mit dem Außenelement
verbunden sind, wobei die Enden der Bänder am Außenelement fixiert sind. Die
Arme der Tragkreuze sind an der Mitte des zugeordneten Bandes fixiert.
Kräfte
oder Lasten werden als Funktion einer auf die Arme der Tragkreuze
ausgeübten
Biegung erfaßt.
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Im US-Patent Nr. 4821582 ist ein
Kraft- oder Lasttransducer dargestellt, der lineare Kräfte in drei
Achsen und Momente um zwei der Achsen mißt. Der Transducer weist eine
Innen- und eine Außenstruktur
auf, die durch lastempfindliche Tragkreuze oder Scherkraftaufnehmer
(Shear Beams) verbunden sind. Die Außenenden des Tragkreuzes sind
mit äußeren Abschnitten
verbunden, die steif sind, wenn die Innenstruktur in Richtung entlang
einer senkrecht zur Ebene des Tragkreuzes ausgerichteten Achse belastet
wird.
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Andere, kompaktere Lastzellen sind
in der UK-Patentanmeldung
Nr. GB-A-2096777 dargestellt. Diese Lastzellen weisen einen Mittelnabenabschnitt
und einen Ringabschnitt mit vier radialen Speichen- oder Strebenabschnitten
auf, die den Naben- und den Ringabschnitt verbinden und an denen
geeignete Dehnungsmesser oder -sensoren bzw. -aufnehmer befestigt
sind. In der GB-A-2096777 wird eine herkömmliche Lastzelle mit dieser
Konstruktion diskutiert, die jedoch keine Momente mißt, die
um sich durch die Speichen oder Streben erstreckende Achsen ausgeübt werden.
In der UK-Patentanmeldung Nr. GB-A-2096777 sind massive Speichen oder Streben
mit säulenartigen
Abschnitten und Endabschnitten beschrieben. Jeder Endabschnitt hat eine "Breiten" abmessung, die kleiner
ist als diejenige des säulenartigen
Abschnitts. Die reduzierte Breite jedes Endabschnitts ist ausreichend
klein, um ihn bezüglich
einer Verdrehkraft um die Längsrichtung
der Speiche oder Strebe flexibel zu machen.
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Die US-A-4672855 betrifft eine Vorrichtung
zum Messen von Kräften
und Drehmomenten in verschiedenen Richtungen. Die Vor richtung weist
eine starre, runde Nabe und einen parallel zur Nabe angeordneten, ringförmigen Flansch
auf. Der Flansch und die Nabe sind über vier Speichen oder Streben,
die in der Form eines Kreuzes angeordnet sind, miteinander verbunden.
Die Speichen oder Streben werden aufgrund ihrer Abmessungen durch
eine Last verformt. Eine solche Verformung wird mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen
gemessen, wobei die Nabe und der Flansch starr bleiben. Die Innenenden
der Speichen oder Streben sind an der Nabe befestigt, während die
Außenenden über dünne Elemente
am Flansch befestigt sind, deren Dicke und Durchmesser derart sind,
daß die
Elemente in Antwort auf Querkräfte
und eine Torsion der Speichen oder Streben um ihre Achsen leicht
nachgeben, während
tangentiale Versetzungen im wesentlichen eliminiert sind.
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Es besteht ein anhaltender Bedarf
nach einer verbesserten kompakten Lastzelle, die einfach herstellbar
ist und Komponenten von Kräften
und Momenten in mehreren Richtungen mißt.
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Ein erfindungsgemäßer Lastzellenkörper und
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Herstellen eines Lastzellenkörpers
sind in den Ansprüchen
1 bis 15 definiert.
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Ein Lastzellenkörper zum Übertragen von Kräften und
Momenten weist eine integrale Struktur mit einer starren Mittelnabe
und einem bezüglich
der Mittelnabe konzentrischen starren ringförmigen Element auf. Mindestens
drei radiale Röhren
erstrecken sich radial entlang entsprechenden Längsachsen von der Mittelnabe
zum ringförmigen
Element. Biegeelemente verbinden die radialen Röhren mit dem ringförmigen Element. Jedes
Biegeelement ist bezüglich
Verschiebungen jeder entsprechenden radialen Röhre entlang der entsprechenden
Längsachse
elastisch oder nachgiebig.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird
eine Lastzelle mit einer starren Mittelnabe, einem bezüglich der Mittelnabe
konzentrischen starren ringförmigen
Element und mehreren radialen Röhren
bereitgestellt, die sich entlang entsprechenden Längsachsen
von der Mittelnabe zum ringförmigen
Element erstrecken. Jede Röhre weist
eine nicht-rechteckige Außenfläche im Querschnitt
senkrecht zur Längsachse
auf und weist mehrere voneinander beabstandete Wandabschnitte mit
reduzierter Dicke auf, um Belastungen darin zu konzentrieren.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird
ein Verfahren zum Herstellen eines Lastzellenkörpers zum Übertragen von Kräften und
Momenten in mehrere Richtungen bereitgestellt. Das Verfahren weist
unter anderem die folgenden Schritte auf: Herstellen einer integralen
Struktur mit einer starren Mittelnabe, einem bezüglich der Mittelnabe konzentrischen,
starren ringförmigen
Element, und mindestens drei radialen Elementen, die sich von der
Mittelnabe zum ringförmigen
Element erstrecken, aus einem einzigen Materialblock, wobei das Biegeelement
sich zwischen einem Ende jedes radialen Elements zum ringförmigen Element
erstreckt und das Biegeelement Verschiebungen jedes entsprechenden
radialen Elements entlang einer entsprechenden Längsachse jedes radialen Elements
nachgibt; und Ausbilden einer Bohrung in jedem radialen Element
entlang der entsprechenden Längsachse,
wobei die Empfindlichkeit der Lastzelle eine Funktion der Durchmesser
der in den radialen Elementen ausgebildeten Bohrungen ist. Vorzugsweise
weist der Herstellungsschritt ferner das Ausbilden einer Öffnung im
ringförmigen
Element auf, die mit jeder in dem radialen Element ausgebildeten
entsprechenden Öffnung
bzw. Bohrung ausgerichtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird
eine Lastzelle zum Erfassen von Kräften oder Momenten bezüglich eines
orthogonalen Koordinatensystems bereitgestellt, wobei die Lastzelle
einen Lastzellenkörper
und mehrere Sensorschaltungen aufweist. Der Lastzellenkörper weist
ein starres Mittelelement, ein starres ringförmiges Element und mehrere
radiale Elemente auf, die sich radial erstrecken und das Mittelelement
mit dem ringförmigen
Element verbinden. Mehrere Sensorschaltungen sind an den mehreren
radialen Elementen montiert. Jedes radiale Element weist eine erste
Sensorschaltung zum Bereitstellen eines ersten Ausgangssignals in
Antwort auf eine erste Kraft auf, die zwischen dem Mittelelement
und dem ringförmigen
Element über
das entsprechende radiale Element in einer ersten Richtung ausgeübt wird.
Jedes radiale Element weist außerdem eine
zweite Sensorschaltung zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangssignals
in Antwort auf eine zweite Kraft auf, die zwischen dem Mittelelement
und dem ringförmigen
Element über
das entsprechende radiale Element in einer zweiten Richtung ausgeübt wird,
wobei die zweite Richtung sich im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung
erstreckt.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lastzelle;
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer Lastzelle, wobei ein Abschnitt entfernt
ist, um eine radiale Röhre im
Querschnitt zu zeigen;
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3 zeigt
eine Seitenansicht der Lastzelle, wobei ein Abschnitt entfernt ist,
um eine alternative radiale Röhre
im Querschnitt zu zeigen;
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4 zeigt
eine Seitenansicht einer an einer Radfelge montierten Lastzelle
im Querschnitt;
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5 zeigt
eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lastzelle;
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6 zeigt
eine Querschnittansicht der Lastzelle von 5;
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7 zeigt
eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform,
mit einer Gleitringhalterungsplatte und Verbindern;
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8 zeigt
ein allgemeines Blockdiagramm eines Controllers bzw. Steuergeräts;
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9 zeigt
ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Ausführen einer Skalierung und einer
geometrischen Transformation;
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10 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines Abschnitts einer Kreuzkopplungsmatrixschaltung;
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11 zeigt
ein Blockdiagramm einer Koordinatentransformationsschaltung;
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12 zeigt
eine Seitenansicht der Lastzelle, wobei ein Abschnitt entfernt ist,
um eine alternative radiale Röhre
im Querschnitt zu zeigen; und
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13 zeigt
eine schematische Schaltung einer Wheatstonebrücke.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lastzelle 10.
Die Lastzelle 10 weist erfindungsgemäß einen integralen Körper 12 auf,
der aus einem einzigen Materialblock hergestellt ist. Der Körper 12 weist
eine starre Mittelnabe 14 und ein bezüglich der Mittelnabe 14 konzentrisches
starres ringförmiges Element
bzw. einen Kreisring 16 auf. Mehrere radiale Röhren 20 verbinden
die Mittelnabe 14 mit dem ringförmigen Element 16.
In der dargestellten Ausführungsform
sind die mehreren radialen Röhren 20 vier
Röhren 21, 22, 23 und 24.
Jede der Röhren 21–24 erstreckt
sich radial von der Mittelnabe 14 zum ringförmigen Element 16 hin
entlang entspre chenden Längsachsen 21A, 22A, 23A und 24A.
Vorzugsweise ist die Achse 21A mit der Achse 23A ausgerichtet,
während
die Achse 22A mit der Achse 24A ausgerichtet ist.
Außerdem
sind die Achsen 21A und 23A senkrecht zu den Achsen 22A und 24A ausgerichtet.
Obwohl in der Darstellung die Anzahl der radialen Röhren 20 vier
beträgt,
können
auch drei oder mehr als vier Röhren
verwendet werden, um die Mittelnabe 14 mit dem ringförmigen Element 16 zu
verbinden. Vorzugsweise sind die mehreren radialen Röhren 20 unter
gleichen Winkelintervallen um eine durch das Bezugszeichen 26 bezeichnete
Mittelachse beabstandet.
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Biegeelemente 31, 32, 33 und 34 verbinden
jeweils ein Ende jeder radialen Röhre 21–24 mit
dem ringförmigen
Element 16. Die Biegeelemente 31–34 sind
für Verschiebungen
jeder der entsprechenden radialen Röhren 21–24 entlang
den entsprechenden Längsachsen 21A–24A nachgiebig.
In der dargestellten Ausführungsform
sind die Biegeelemente 31–34 identisch und
weisen integral ausgebildete Biegestreifen 36 und 38 auf.
Die Biegestreifen 36 und 38 sind an entgegengesetzten
Seiten jeder Längsachse 21A–24A angeordnet und
verbinden die entsprechende radiale Röhre 21–24 mit
dem ringförmigen
Element 16.
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Auf den mehreren Röhren 20 sind
mehrere Dehnungssensoren 40 montiert, um darin auftretende Dehnungen
bzw. Spannungen zu messen. Obwohl die mehreren Sensoren 40 auf
den mehreren radialen Röhren 20 angeordnet
sein können,
um darin auftretende Biegebeanspruchungen anzuzeigen, sind die Dehnungssensoren
herkömmlich
so angeordnet, daß sie
Scherbeanspruchungen in den Wänden
der mehreren radialen Röhren 20 anzeigen.
In der dargestellten Ausführungsform
sind auf jeder Röhre 21–24 vier
Sätze von
Dehnungssensoren etwa in der Mitte der Längsabmessung je der Röhre angeordnet.
Ein erstes Paar Dehnungssensoren 44 ist auf einem nach
oben weisenden Abschnitt jeder radialen Röhre 21–24 angeordnet.
Ein zweites Paar Dehnungssensoren (nicht dargestellt) ist auf einer
nach unten weisenden Fläche
etwa 180° vom
ersten Paar Dehnungssensoren 44 angeordnet. Das erste und
das zweite Paar Dehnungssensoren auf jeder Röhre 21–24 sind
in einer herkömmlichen
Wheatstonebrücke
geschaltet, um eine erste Sensorschaltung auf jeder radialen Röhre 21–24 zu
bilden. Ein drittes Paar Dehnungssensoren 46 ist etwa 90° vom ersten
Paar Dehnungssensoren 44 angeordnet, während ein viertes Paar Dehnungssensoren 48 etwa
180° vom
dritten Paar Dehnungssensoren 46 angeordnet ist. Das dritte
und das vierte Paar Dehnungssensoren auf jeder Röhre 21–24 sind
ebenfalls in einer herkömmlichen
Wheatstonebrücke
geschaltet, um eine zweite Sensorschaltung auf jeder radialen Röhre 21–24 zu
bilden. Normalerweise sind die mehreren Sensoren 40 Widerstands-Dehnungsmesser oder
-sensoren. Es können
jedoch auch andersartige Sensoreinrichtungen, z. B. optische Sensoren
oder kapazitive Sensoren, verwendet werden.
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In der dargestellten Ausführungsform
mit vier radialen Röhren 21–24 werden
acht individuelle Scherbelastungen erfassende Wheatstonebrücken verwendet.
Die Anzahl von Sensorschaltungen kann in Abhängigkeit von der Anzahl der
verwendeten radialen Röhren
erhöht
oder vermindert werden. Vorzugsweise werden jedoch mindestens drei
radiale Röhren
verwendet.
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Die Ausgangssignale der Dehnungssensoren 40 zeigen
Kraft- und Momentkomponenten
an, die zwischen der Mittelnabe 14 und dem ringförmigen Element 16 in
sechs Freiheitsgraden übertragen
werden. Zum Zweck der Erläuterung
kann ein orthogonales Koordinatensystem 47 definiert werden,
wobei eine X-Achse mit den Längsachsen 21A und 23A,
eine Z-Achse mit den Längsachsen 22A und 24A und
eine Y-Achse mit der Mittelachse 26 ausgerichtet sind.
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In der dargestellten Ausführungsform
mißt die
Lastmeßzelle 10 acht
auf die mehreren Röhren 20 ausgeübte Kräfte. Die
acht Kräfte
werden dann transformiert, um Kräfte
entlang den Achsen und Momente um die Achsen des Koordinatensystems 47 bereitzustellen.
Insbesondere wird die Kraft entlang der X-Achse als Hauptdehnungen
gemessen, die durch Scherbeanspruchungen verursacht werden, die
in den radialen Röhren 22 und 24 erzeugt
werden, weil die Biegeelemente 31 und 33 auf den
Enden der radialen Röhren 21 und 23 in
dieser Richtung nachgiebig sind. Dies kann dargestellt werden durch: FX =
F22X + F24X Gl.1wobei die
ersten Sensorschaltungen mit den Dehnungssensoren 44 auf
den Röhren 22 und 24 die
Ausgangssignale bereitstellen.
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Ähnlicherweise
wird die Kraft entlang der Z-Achse als Hauptdehnungen gemessen,
die durch Scherbeanspruchungen verursacht werden, die in den radialen
Röhren 21 und 23 erzeugt
werden, weil die Biegeelemente 32 und 34 auf den
Enden der radialen Röhren 22 und 24 in
dieser Richtung nachgiebig sind. Dies kann dargestellt werden durch: FZ =
F21Z + F23Z Gl.2wobei die
ersten Sensorschaltungen mit den Dehnungssensoren 44 auf
den Röhren 21 und 23 die
Ausgangssignale bereitstellen.
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Eine Kraft entlang der Y-Achse oder
Mittelachse 26 wird als Hauptdehnungen gemessen, die durch Scherbeanspruchungen
verursacht werden, die in allen radialen Röhren 21–24 erzeugt
werden. Dies kann dargestellt werden durch: FY = F21Y +
F22Y + F23Y + F24Y Gl.3wobei
die zweiten Sensorschaltungen mit den Dehnungssensoren 46 und 48 auf
den Röhren 21–24 die
Ausgangssignale bereitstellen.
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Ein Kippmoment um die X-Achse wird
als Hauptdehnungen gemessen, die durch Scherbeanspruchungen verursacht
werden, die in den radialen Röhren 22 und 24 durch
darauf ausgeübte
entgegengerichtete Kräfte
erzeugt werden. Die radialen Röhren 21 und 23 sind
für ein
Kippmoment um die X-Achse im wesentlichen steif. Dies kann dargestellt
werden durch: MX = F22Y – F24Y Gl.4wobei
die zweiten Sensorschaltungen mit den Dehnungssensoren 46 und 48 auf
den Röhren 22 und 24 die Ausgangssignale
bereitstellen.
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Ähnlicherweise
wird ein Kippmoment um die Z-Achse als Hauptdehnungen gemessen,
die durch Scherbeanspruchungen verursacht werden, die in den radialen
Röhren 21 und 23 durch
darauf ausgeübte
entgegengerichtete Kräfte
erzeugt werden. Die radialen Röhren 22 und 24 sind
für ein
Kippmoment um die Z-Achse
im wesentlichen steif. Dies kann dargestellt werden durch:
MZ =
F21Y – F23Y Gl.5wobei
die zweiten Sensorschaltungen mit den Dehnungssensoren 46 und 48 auf
den Röhren 21 und 23 die Ausgangssignale
bereitstellen.
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Ein Kippmoment um die Y-Achse wird
als Hauptdehnungen gemessen, die durch Scherbeanspruchungen verursacht
werden, die in allen radialen Röhren 21–24 erzeugt
werden. Dies kann dargestellt werden durch: MY = (F22X – F24X) + (F21Z – F23Z) Gl.6wobei
die ersten Erfassungschaltungen mit den Dehnungssensoren 44 auf
den Röhren 21–24 die
Ausgangssignale bereitstellen.
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Die Anzahl der Dehnungssensoren 40 und
die Anzahl der Sensorschaltungen kann reduziert werden, wenn Kräfte und
Momente von weniger als sechs Freiheitsgraden gemessen werden sollen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist jede der radialen Röhren 21–24 mehrere
voneinander beabstandete Wandabschnitte mit verminderter Dicke auf,
um die Belastung darin zu konzentrieren. Gemäß 2 und mit der radialen Röhre 23 als
Beispiel weist die radiale Röhre 23 eine
nicht-rechteckige Außenfläche 60 auf,
wobei die Wandabschnitte mit verminderter Dicke durch die Bezugszeichen 62A, 62B, 62C und 62D bezeichnet
sind. Die Wandabschnitte 62A–62D mit verminderter
Dicke werden durch eine zylindrische Bohrung 64 in der
radialen Röhre 23 und
einen ersten Satz paralleler planarer Flächen 66A und 66B,
die in entgegengesetzte Richtungen weisen, und einen zweiten Satz
planarer Flächen 68A und 68B gebildet,
die ebenfalls in entgegengesetzte Richtungen weisen. Der zweite
Satz planarer Flächen 68A und 68B sind
im wesentlichen orthogonal zum ersten Satz planarer Flächen 66A und 66B angeordnet,
so daß die
planaren Flächen des
ersten Satzes und des zweiten Satzes um die entsprechende Längsachse 23A alternierend
angeordnet sind. Obwohl hierin dargestellt ist, daß die Dicken
der Abschnitte 62A–62D im
wesentlichen gleich sind, können die
Dicken gegebenenfalls auch verschieden gemacht werden, um eine gewünschte Empfindlichkeit
in ausgewählten
Richtungen bereitzustellen. Vorzugsweise sollte die Dicke des Abschnitts 62A etwa
der Dicke des Abschnitts 62C gleichen, und die Dicke des
Abschnitts 62B sollte etwa der Dicke des Abschnitts 62D gleichen.
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Die Dehnungssensoren 44 der
ersten Sensorschaltung sind auf dem ersten Satz paralleler planarer Flächen 66A und 66B montiert,
während
die Dehnungssensoren 46 und 48 der zweiten Sensorschaltung
auf dem zweiten Satz planarer Flächen 68A und 68B montiert
sind. Planare Halterungsflächen
sind bevorzugt, weil die gemessenen Ausgangssignale geringere Hystereseeffekte
zeigen und die Kriechbiegung des Meßgeräts geringer ist, weil der Klemmdruck
des Meßgeräts auf flachen
Flächen
im Vergleich zu gekrümmten
Flächen
gleichmäßiger ist,
wodurch Restspannungen im Meßgerät vermieden
werden. Außerdem
ist das Anzeichnen für
die Ausrichtung der Meßgeräte und das
Befestigen der Meßgeräte an den
angezeichneten Linien auf gekrümmten
Flächen
schwieriger. Die nicht-rechteckige Außenfläche 60 ist ebenfalls
vorteilhaft, weil hierdurch Belastungen in Abschnitten der radialen
Röhre 23 konzentriert
werden, die sich in der Nähe
der Dehnungssensoren 40 befinden. Obwohl eine Röhre mit
einem rechteckigen Querschnitt (mit vier flachen Flächen, die
an den Ecken aufeinandertreffen) verwendet werden kann, tritt eine
wesentliche Belastungskonzentration an den Verbindungsstel len der
flachen Flächen
auf, an denen die Dehnungssensoren nicht leicht montiert werden
können.
Dadurch wird die Leistungsfähigkeit
wesentlich reduziert. Die in 2 dargestellte
nicht-rechteckige Röhre 23 weist
dagegen planare Flächen 70A, 70B, 70C und 70D auf,
die sich zwischen jeweiligen planaren Flächen des ersten Satzes und
den folgenden planaren Flächen
des zweiten Satzes erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform
bilden die planaren Flächen 66A, 66B, 68A, 68B und 70A–70D vorzugsweise einen
achteckigen Querschnitt. Wenn die radialen Röhren 21–24 eine
achtseitige Außenfläche 60 aufweisen, wird
die Konstruktion vereinfacht und werden Herstellungskosten gesenkt,
weil die planaren Flächen
leicht maschinell herstellbar sind. Obwohl hierin dargestellt ist,
daß sich
eine planare Fläche
zwischen jeder planaren Fläche
des ersten Satzes und einer folgenden Fläche des zweiten Satzes erstreckt,
z. B. die planare Fläche 70A,
können
auch mehrere dazwischenliegende planare Flächen verwendet werden. Ähnlicherweise
können die
flachen planaren Flächen 70A–70D durch
gekrümmte
Wandabschnite 76A, 76B, 76C und 76D ersetzt
werden, um eine nicht-rechteckige radiale Röhre 23' zu bilden, wie in 3 dargestellt ist. Anders als eine rohrförmige Struktur
mit einer ringförmigen
Wand mit gleichmäßiger Dicke
weist die radiale Röhre 23' auch voneinander
beabstandete Abschnitte 62A–62D mit verminderter
Wanddicke auf, die durch die flachen Flächen 66A, 66B, 68A und 68B erzeugt
werden, in denen sich ähnlich
wie bei einem achteckigen Querschnitt Belastungen konzentrieren.
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Durch den achteckigen Querschnitt
der radialen Röhre 23 oder
den Querschnitt der radialen Röhre 23' wird ein etwa
14% größeres Ausgangssignal
(Rauschabstand) und eine 14% höhere Empfindlichkeit
bereitgestellt als bei einer ringförmigen Röhre mit gleichmäßiger Dicke
und der gleichen Querschnittsfläche.
Dies kann durch Vergleichen der in einer achteckigen Röhre 23 und
in einer ringförmigen
Röhre mit
gleichmäßiger Wanddicke
erzeugten Scherbeanspruchung gezeigt werden.
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Die Scherbeanspruchung T an einem
beliebigen Punkt q in einem Träger
ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei V die vertikale Scherbeanspruchung
an einem beliebigen Querschnitt darstellt, der den Punkt q enthält, A' die Fläche dieses über (oder
unter) q angeordneten Teils des Querschnitts, z' den Abstand von der neutralen Achse
zum Schwerpunkt von A',
b die Netto-Breite des durch q gemessenen Querschnitts (die hierin
der doppelten Wanddicke der Röhre
entspricht) und I das Trägheitsmoment
bezeichnen.
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Für
eine achteckige Röhre
mit einem Innenöffnungs-
bzw. bohrungsradius von 1,651 cm (0,650 Zoll), einer minimalen Wanddicke
(Abschnitte 62A–62D)
von 0,381 cm (0,150 Zoll) und unter Verwendung eines Punkts q auf
der neutralen Achse, beträgt
A' etwa 2,570 cm2 (0,398 Zoll2),
z' etwa 1,196 cm
(0,471 Zoll), I etwa 9,115 cm4 (0,219 Zoll4) und b etwa 0,762 cm (0,300 Zoll). Unter
Voraussetzung einer vertikalen Scherkraft von 453,6 kg (1000 Pfund)
beträgt
die Scherbeanspruchung für
die achteckige Röhre
etwa 2,006 103 kg/m2 (2853 psi).
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Unter der Voraussetzung eines Innenbohrungsradius
von 1,651 cm (0,650 Zoll) (d. h. bei einem Innendurchmesser von
3,302 cm (1,300 Zoll)) für
eine ringförmige
Röhre mit
einer gleichmäßigen Wanddicke
würde ein
Außendurchmesser
4,173 cm (1,643 Zoll) betragen, um die gleiche Querschnittsfläche zu erhalten
wie bei der vorstehend angegebenen achteckigen Röhre. Für einen Punkt q auf der neutralen
Achse ist der Schwerpunkt z' etwa
gleich 1,196 cm (0,471 Zoll), beträgt I etwa 9,074 cm4 (0,218
Zoll4) und beträgt b etwa 0,871 cm (0,343 Zoll).
Unter der Voraussetzung der gleichen vertikalen Scherkraft von 453,6
kg (1000 Pfund) beträgt
die Scherbeanspruchung für
die ringförmige
Röhre mit
gleichmäßiger Wanddicke
gemäß der vorstehenden
Gleichung etwa 1,761·103 kg/m2 (2504 psi).
Daher ist die Scherbelastungskonzentration für die achteckige Röhre etwa
14% größer als
für die
ringförmige
Röhre mit
gleichmäßiger Wanddicke.
Durch eine höhere
Belastungskonzentration in der Nähe
der Sensoren 40 wird ein höherer Rauschabstand und eine
höhere
Empfindlichkeit bereitgestellt. Außerdem wird diese verbesserte
Leistungsfähigkeit
bei einem höheren
Trägheitsmoment-
und Biegefestigkeitsverhältnis
erhalten. Außerdem
wird die Dauerhaltbarkeit verbessert. Beispielsweise nimmt, wenn
der Körper 12 aus
Aluminium 2024 T3 hergestellt wird, die Dauerhaltbarkeit von 106 Zyklen für eine ringförmige Röhre mit
gleichmäßiger Wanddicke
auf 4 × 106 Zyklen für eine achteckige Röhre zu.
Dadurch wird eine höhere
Ausgangsleistung oder Ausgabe bei gleicher Dauerhaltbarkeit erhalten.
Andere geeignete Materialien sind Titan, Stahl 4340, rostfreier
Stahl 17–4PH
oder andere hochfeste Materialien. Viele der vorstehend beschriebenen
Vorteile treffen auch auf die in 3 dargestellte
Röhre 23' zu.
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Die Lastzelle ist insbesondere zum
Messen von Kraft- und Momentkomponenten eines rollenden Rades geeignet.
Die 4, 5, 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform 10' der vor liegenden
Erfindung. Die Lastmeßzelle 10' ist der Lastmeßzelle 10 im
wesentlichen ähnlich,
wobei gleiche Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind.
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Gemäß 4 ersetzt die Lastmeßzelle 10' einen Mittenabschnitt
einer Radfelge 70. Das ringförmige Element 16 weist
Gewindelöcher 72 auf,
die mehrere Befestigungselemente 74 aufnehmen, die die
Lastmeßzelle 10' an der Radfelge 70 sichern.
Eine Innenhalterungsplatte 75 ist unter Verwendung mehrerer
Befestigungselemente 76, die in entsprechenden in der Mittelnabe 14 ausgebildeten
Gewindelöchern 78 befestigt sind,
an der Mittelnabe befestigt (4).
Die Innenhalterungsplatte 75 wird unter Verwendung geeigneter
Befestigungselemente 80 an einer Fahrzeugwelle (nicht dargestellt)
befestigt. Den mehreren Dehnungssensoren 40 wird durch
einen Controller bzw. ein Steuergerät 82 über eine
Schleifringanordnung 84 Leistung zugeführt, und Ausgangssignale werden
dem Controller 82 über
die Schleifringanordnung 84 von den mehreren Dehnungssensoren 40 zugeführt, wenn
die Radfelge 70 sich dreht oder teilweise dreht. Der Controller 82 berechnet
die durch die Lastmeßzelle 10' gemessenen
Kraft- und Momentkomponenten und speichert sie und/oder stellt sie
dar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Lastmeßzelle
Verstärkerschaltungen 71 und 73 auf, die
in Vertiefungen 75 bzw. 77 angeordnet sind, wie
in 7 dargestellt ist.
Die Verstärkerschaltungen 71 und 73 sind
mit Sensorschaltungen auf den radialen Röhren 21–24 verbunden
und verstärken
die Ausgangssignale, bevor sie über
die Schleifringanordnung 84 übertragen werden. Durch Verstärken der
Ausgangssignale werden Probleme reduziert, die mit durch die Schleifringanordnung 84 eingeführtem Rauschen
in Beziehung stehen. In Öffnungen 83 und
85 angeordnete
Verbinder 79 und 81 verbinden die Verstärkerschaltungen 71 und 73 mit
der Schleifringanordnung 84. Eine Halterungsplatte 87 hält die Schleifringanordnung 84 an
der Mittelnabe 14. In der Halterungsplatte 87 sind
Durchlässe 87A und 87B zum
Halten von sich von der Schleifringanordnung 84 zu den
Verbindern 79 und 81 erstreckenden Leitern ausgebildet.
Ein Codierer 89 erzeugt ein die Winkelposition der Lastmeßzelle 10' anzeigendes
Winkeleingangssignal für
den Controller 82.
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8 zeigt
die durch den Controller 82 ausgeführte allgemeine Operation zum
Umwandeln der von den acht einzelnen Sensorschaltungen der Röhren 21–24 empfangenen
Ausgangssignale 88, um Ausgangssignale 108 zu erhalten,
die Kraft- und Momentkomponenten bezüglich sechs Freiheitsgraden
in einem ortsfesten orthogonalen Koordinatensystem anzeigen. Wie
dargestellt, werden die Ausgangssignale 88 von den Sensorschaltungen
durch eine Schaltung 90 zum Ausführen einer Skalierung und einer
geometrischen Transformation empfangen. Die Schaltung 90 zum
Ausführen
einer Skalierung und einer geometrischen Transformation regelt die
Ausgangssignale 88, um jegliche Ungleichmäßigkeiten
zwischen den Sensorschaltungen zu kompensieren. Die Schaltung 90 kombiniert
außerdem
die Ausgangssignale 88 gemäß den vorstehend angegebenen
Gleichungen, um Kraft- und Momentkomponenten für das orthogonale Koordinatensystem 47 (1) anzeigende Ausgangssignale 94 bereitzustellen.
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Ein wesentlicher Vorteil der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, daß sie wesentlich weniger anfällig ist
für temperaturinduzierte
Fehler. Wie vorstehend diskutiert wurde, weist jede der radialen
Röhren 21–24 unabhängige Sensorschaltungen
auf, die Ausgangssignale wahrzunehmen. Die Ausgangssignale werden
kombiniert, um Kräfte
und Mo mente im orthogonalen Koordinatensystem 47 wahrzunehmen.
Herkömmlich
wird eine Sensorschaltung mit Sensorelementen, z. B. Dehnungssensoren,
verwendet, die an zwei verschiedenen, wesentlich voneinander beabstandeten
Biegeelementen befestigt sind. Beispielsweise wird normalerweise
eine Wheatstonebrücke
mit Dehnungssensoren gebildet, die an gegenüberliegenden radialen Elementen
montiert sind, um ein Moment um eine Achse, z.B, die X-Achse, zu
berechnen. Wenn die radialen Elemente jedoch verschiedene Temperaturen
aufweisen, würden
die Dehnungssensoren, die daran montiert sind und eine einzelne
Wheatstonebrücke
bilden, ebenfalls verschiedene Temperaturen aufweisen. Wenn die
einzelnen Dehnungssensoren verschiedene Temperaturen aufweisen,
kann ein Ungleichgewicht in der Wheatstonebrücke auftreten, wodurch beispielsweise
eine fehlerhafte Anzeige eines um die Achse gemessenen Moments bereitgestellt
wird.
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In einigen Anwendungen können die
radialen Röhren 21–24 verschiedene
Temperaturen aufweisen, wenn die Vorrichtung 10', wie vorstehend
bezüglich 4 diskutiert wurde, beispielsweise
zum Messen von Kräften
eines an einem Fahrzeug montierten rollenden Rades verwendet wird.
Wenn das Fahrzeug stark abbremst, würde die Temperatur von Bremsenkomponenten,
z. B. des Bremssattels und zugeordneter Teile, wesentlich ansteigen.
Wenn das Fahrzeug dann nach dem Abbremsen für einige Zeitdauer stillsteht,
könnte
die Strahlungsenergie von den Bremsenkomponenten die radialen Röhren 21–24 leicht
ungleichmäßig erwärmen. Da
jedoch jeder der Dehnungssensoren, die eine erfindungsgemäße Sensorschaltung
bilden, auf dem gleichen radialen Element angeordnet ist, so daß jeder
der Dehnungssensoren etwa die gleiche Temperatur aufweist, werden
temperaturinduzierte Ungleichmäßigkeiten
minimiert.
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Gemäß 8 empfängt eine Kreuzkopplungsmatrixschaltung 96 die
Ausgangssignale 94 und regelt die Ausgangssignale so, daß jegliche
Kreuzkopplungseffekte kompensiert werden. Eine Koordinatentransformationsschaltung 102 empfängt Ausgangssignale 100 von
der Kreuzkopplungsmatrixschaltung 96 und ein Winkeleingangssignal 104 von
einem Codierer oder einer ähnlichen
Einrichtung. Die Koordinatentransformationsschaltung 102 regelt
die Ausgangssignale 100 und stellt Ausgangssignale 108 bereit,
die eine Funktion einer Position der Lastmeßzelle 10' darstellen,
um Kraft- und Momentkomponenten bezüglich eines ortsfesten orthogonalen
Koordinatensystems bereitzustellen.
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9 zeigt
die Schaltung 90 zum Ausführen einer Skalierung und einer
geometrischen Transformation im Detail. Hochimpedanzpufferverstärker 110A–110H empfangen
die Ausgangssignale 88 von der Schleifringanordnung 84.
Anschließend
stellen Addierer 112A–112H einen
Nullabgleich bereit, während
regelbare Verstärker 114A–114H die
Ausgangssignale 88 vorzugsweise einzeln so regeln, daß jegliche
mit physischen Differenzen, z. B. Unterschieden in der Wanddicke
an der Position der Dehnungssensoren 40 auf den Röhren 21–40 oder
unterschiedlichen Positionen der Sensoren 40 bei verschiedenen
Röhren,
in Beziehung stehende Unregelmäßigkeiten
leicht kompensiert werden können.
Addierer 116A–116H kombinieren
die Ausgangssignale von den Verstärkern 114A–114H gemäß den vorstehenden
Gleichungen. Es werden regelbare Verstärker 118A–118D bereitgestellt,
um zu gewährleisten,
daß die
Ausgangssignale von den Addierern 116A– 116D eine geeignete
Amplitude aufweisen.
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Wie vorstehend beschrieben wurde,
wird durch die Schaltung 96 eine Kreuzkopplungskompensation oder
-korrektur bereitgestellt. 10 zeigt
anhand eines Beispiels eine Kreuzkopplungskompensation für ein Signal
FX. Jedes der anderen Ausgangssignale FY, FZ, MX,
MY, und MZ wird
auf ähnliche
Weise bezüglich Kreuzkopplungseffekten
korrigiert.
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11 zeigt
die Koordinatentransformationsschaltung 102 im Detail.
Der Codierer 89 stellt einen Index für in einem geeigneten Speicher 120 und 122,
z. B. einem RAM-Speicher (Direktzugriffsspeicher), gespeicherte
Sinus- und Cosinus-Digitalwerte
bereit. D/A-Wandler 124 und 126 empfangen die
geeigneten Digitalwerte und erzeugen entsprechende Analogsignale,
die die Winkelposition der Lastmeßzelle 10' anzeigen. Multiplizierer 128A–128H und
Addierer 130A–130D kombinieren
Kraft- und Momentausgangssignale entlang der bzw. um die Xund die
Z-Achse so, daß Kraft-
und Momentausgangssignale 108 bezüglich eines ortsfesten orthogonalen
Koordinatensystems bereitgestellt werden.
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In den vorstehend beschriebenen Lastmeßzellen 10 und 10' sind die mehreren
Sensoren 40 so angeordnet, daß sie als Scherungssensoren
zum Bereitstellen einer Anzeige von in den radialen Röhren 20 erzeugten
Scherbeanspruchungen dienen. Gegebenenfalls können die mehreren Sensoren 40 an
den radialen Röhren 20 so
montiert sein, daß sie
als Biegungssensoren funktionieren, um eine Anzeige von Biegebeanspruchungen
in den radialen Röhren 20 bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
können
die Biegungssensoren an einer Basis der Röhre oder am Beginn der Fußrundungsfläche oder
des Übergangsabschnitts
angeordnet sein, die jede Röhre 21–24 mit
der Mittel nabe 14 verbindet, wie beispielsweise in 5 durch die Bezugszeichen 140 und 142 auf
der Röhre 21 dargestellt
ist.
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5 zeigt
außerdem
Biegungssensoren 150A, 150B, 150C und 150D,
die an der Basis oder am Beginn der Fußrundungsfläche oder des Übergangsabschnitts
angeordnet sind, die jede Röhre 21–24 mit
der Mittelnabe 14 verbindet. Die Sensoren 150A–150D sind
im allgemeinen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die parallel
zu einer durch die X-Achse und die Z-Achse ausgerichteten Ebene angeordnet
ist. Gemäß 13 sind mehrere zweite Sensoren 152A–152D auf
den radialen Röhren 21– 24 auf ähnliche
Weise montiert wie die Sensoren 150A–150D, jedoch auf
den Oberfläche
der Sensoren 150A–150D gegenüberliegenden Oberflächen. Beispielsweise
ist der Sensor 150A gemäß 2 an der Fußrundungsfläche oder
dem Übergangsabschnitt
montiert, der die Fläche 66A mit
der Mittelnabe 14 verbindet, während der Sensor 150B an
der Fußrundungsfläche oder
dem Übergangsabschnitt
montiert ist, der die Fläche 66B mit
der Mittelnabe verbindet. Die Sensoren 150A–150D und 152A–152D bilden
eine Wheatstonebrückenschaltung 154 (13), die eine Kraft entlang
der Y-Achse oder der Mittelachse 26 direkt erfaßt. Obwohl
die Brückenschaltung 154 dahingehend
etwas redundant ist, daß sie
die gleiche Kraft mißt,
die durch die vorstehend dargestellte Gleichung 3 gegeben ist, kann
in einigen Anwendungen eine direkte Messung erwünscht sein. Wenn beispielsweise
die Lastmeßzelle 10' zum Messen
von auf ein rollendes Rad ausgeübten
Kräften
und Momenten verwendet wird, wird an der Kontaktfläche des
Reifens mit der Straße
eine Kraft entlang der Y-Achse oder der Mittelachse 26 erzeugt.
Weil die Kontaktfläche
von der Mittelachse 26 versetzt ist, wird die Kraft entlang
der Mittelachse 26 nicht durch alle ra dialen Röhren 21–24 gleichmäßig aufgenommen.
Durch die Verwendung der Brückenschaltung 154 wird
das Erfordernis eliminiert, Annahmen darüber zu machen, wie die Kraft
entlang der Mittelachse 26 durch die radialen Röhren 21–24 gemeinsam
aufgenommen bzw. aufgeteilt wird. Wie für Fachleute ersichtlich ist,
kann die Brückenschaltung 154 anstatt
durch die hierin dargestellten Biegungssensoren 150A–150D und 152A–152D auch
durch Scherungssensoren gebildet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen
eines in den 1 und 5 dargestellten Lastzellenkörpers 12 weist
das Herstellen der integralen starren Mittelnabe 14, des
bezüglich
der Nabe 14 konzentrischen starren ringförmigen Elements 16 und
der sich von der Mittelnabe 14 zum ringförmigen Element 16 erstreckenden
radialen Elemente aus einem einzigen Materialblock auf, wobei die
Biegeelemente 31–34 sich zwischen
einem Ende jedes radialen Elements zum ringförmigen Element 16 erstrecken.
Die Biegeelemente 31–34 sind
für Verschiebungen
jedes entsprechenden radialen Elements 21–24 entlang
der entsprechenden Längsachse 21A–24A nachgiebig.
Aufgrund der Symmetrie des Lastmeßzellenkörpers 12 kann er unter
Verwendung herkömmlicher
gesteuerter Bearbeitungsverfahren leicht hergestellt werden. Der
einzelne Materialblock, aus dem der Lastzellenkörper 12 hergestellt
wird, wird so befestigt, daß zunächst die
erste Hauptfläche des
Lastzellenkörpers 12 bearbeitet
wird und im wesentlichen die Hälfte
jeder der Hauptkomponenten hergestellt wird, wie beispielsweise
die Mittelnabe 14, das ringförmige Element 16 und
die radialen Elemente 21–24. Dann wird der
Materialblock umgedreht, um die zweite Hauptfläche zur Bearbeitungsvorrichtung
auszurichten. Die Bearbeitungsvorgänge werden dann bezüglich der
zweiten Hauptfläche ausgeführt, um
den Rest der Mittelnabe 14, des ringförmigen Elements 16 und
der radialen Elemente 21–24 auszubilden. Vorzugsweise
werden die radialen Elemente 21–24, wie vorstehend
erwähnt,
so bearbeitet, daß sie
eine nicht-rechteckige Außenfläche 60 mit
flachen, orthogonal angeordneten Seiten 66A, 66B, 68A und 68D aufweisen.
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Das Verfahren weist ferner das Ausbilden
einer Bohrung 64 in jedem radialen Element 21–24 entlang der
entsprechenden Längsachse 21A–24A auf,
um eine röhrenförmige Struktur
auszubilden, wobei die Empfindlichkeit des Lastzellenkörpers 12 eine
Funktion der Durchmesser der in den radialen Elementen 21– 24 ausgebildeten
Bohrungen 64 ist. Gemäß den 2 und 12 haben die Bohrungen 64 und 64' in der Röhre 23 verschiedene
Größen. Durch Ändern des
Durchmessers der Bohrungen in den Röhren 21–24 kann
die Wanddicke der Röhren
eingestellt werden. Im ringförmigen
Element 16 sind mit den Bohrungen 64 der Röhren 21–24 ausgerichtete Öffnungen 120 (1) ausgebildet. Vorzugsweise
haben die Öffnungen 120 mindestens
den gleichen Durchmesser wie die Bohrungen 64 in den Röhren 21–24 und
werden die Öffnungen 120 durch Durchbohren
des ringförmigen
Elements 16 zur Mittelnabe 14 hin ausgebildet
unmittelbar bevor die Bohrungen 64 ausgebildet werden.
Indem auch die Öffnungen 120 im
ringförmigen
Element 16 ausgebildet werden, kann die Empfindlichkeit
des Lastmeßzellenkörpers 12 leicht
eingestellt werden, weil die Bohrungen 64 durch Bohren
durch das ringförmige
Element 16 zur Mittelnabe 14 hin leicht ausgebildet
werden können.
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In einer in 5 dargestellten weiteren bevorzugten
Ausführungsform
erstrecken sich die Bohrungen 64 in den Mittel röhren 21–24 auch
durch die Mittelnabe 14 und verjüngen sich leicht zu kleineren Öffnungen 122.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist für
Fachleute ersichtlich, daß innerhalb
des durch die beigefügten
Patentansprüche
definierten Schutzumfangs der Erfindung Änderungen vorgenommen werden
können.
