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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftmesselement nach der Gattung des
unabhängigen
Patentanspruchs.
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Aus
DE 100 12 983 A1 ist
ein Kraft-Momenten-Sensor bekannt, bei dem drei Kraftmessrohre im Winkel
von 120° zueinander
angeordnet sind. Die Kraftmessrohre sind über je ein dem Gehäusemittelpunkt
zugewandten Ende mit dem Gehäuseboden fest
verbunden. Sie nehmen über
die anderen freien Enden je einen Schraubbolzen auf, der in der
Seitenwand des Gehäusedeckels
eingesetzt ist. Nur Kräfte quer
zu den Kraftmessrohren übertragen
kann. Die Kraftmessrohre sind nahe den fest eingespannten Enden
mit zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Querbohrungen versehen,
die den Rohrquerschnitt auf 4 Stege reduzieren. Dort werden Dehnmessstreifen
fixiert, zur Messung der auf das Kraftmessrohr übertragenen Querkraft nach
Betrag und Richtung, wobei je zwei gegenüberliegende Dehnmessstreifen
eine Komponente dieser Querkraft messen. Über die insgesamt 6 so bestimmten
Lagerkraftkomponenten kann die resultierende von außen einwirkende
Last bestehend aus je drei Kraft- und Momentenkomponenten berechnet
werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftmesselement mit
den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat dem gegenüber
den Vorteil, dass eine erheblich einfachere Konstruktion zur Messung
der Kraft verwendet wird. Das Kraftmesselement kann leicht in einer
Massenproduktion hergestellt werden und kann leicht beispielsweise
in Sitzen zur Gewichtskraftmessung eingesetzt werden. Es ist möglich, das
Kraftmesselement jedoch auch an anderen Geräten zur Kraftmessung einzusetzen.
Das erfindungsgemäße Kraftmesselement
ermöglicht
auch die Momentenmessung, wobei das Kraftmesselement entweder eine
Schraube oder ein Bolzen sein kann und damit mit einem minimalen
Bauraum auskommt.
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Als
Messprinzip zur Kraftmessung wird dabei eine Membran verwendet,
die in der Mitte von einem Bolzen gehalten wird und die außen mit
einer Hülse umfasst
ist. Die Hülse
wird dabei so gestaltet, dass sie den Kraftsensor bei Überlast
schützt.
Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass nur eine geringe erforderliche Dichtungsfläche, das
ist der Spalt zwischen der Hülse
und dem Bolzen bzw. der Schraube erforderlich ist. Entscheidend
ist, dass es auf der Membran dehnungsintensive Bereiche gibt, an
denen eine Sensorik zur Messung der Dehnung angebracht ist, wobei die
Dehnung ein Maß für die Kraft
ist. Diese dehnungsintensiven Bereiche sollten vorzugsweise aus einem
hochfesten Material wie z. B. einem hochfesten Stahl sein, während die
restlichen Elemente mit einem weniger festen Material ausgebildet
sein können.
Idealerweise sollte die Kraft derart auf die Hülse aufgebracht werden, dass
die Kraftrichtung senkrecht zum Bolzen ist. Es ist jedoch möglich, dass
die Kraft in einem anderen Winkel auf die Hülse aufgebracht wird, wobei
dann das erfindungsgemäße Kraftmesselement
im wesentlichen die Kraftkomponente senkrecht zum Bolzen misst,
die die Dehnung an der Membran im wesentlichen verursacht.
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Die
Applizierung bzw. Aufbringung der dehnungsmessenden Sensorik ist
besonders einfach, da sich diese in einer Ebene befinden. So können auch Dünnschichtverfahren
zum Aufbringen der dehnungsmessenden Sensorik verwendet werden.
Die dehnungsmessende Sensorik kann aus mehreren dehnungsmessenden
Elementen bestehen.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Kraftmesselements möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Kraftmesselement einstückig ausgeführt werden
kann. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.
Insbesondere kann dabei das Kraftmesselement rotationssymmetrisch
ausgeführt
sein, wobei leichte Abweichungen von der Rotationssymmetrie die
Funktion des Kraftmesselements nicht beeinflussen. Vorzugsweise
ist das erfindungsgemäße Kraftmesselement
als Schraube ausgeführt.
Dies ermöglicht
den besonders einfachen Einbau des Kraftmesselements in verschiedenen
Anwendungen, beispielweise um die auf ein Fahrzeugsitz aufgebrachte Gewichtskraft
zu messen.
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Es
ist von Vorteil, dass die dehnungsmessende Sensorik Dehnmessstreifen
aufweist, die vorzugsweise in einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet
sind, um eine genaue Messung zu ermöglichen. Alternativ ist es
möglich,
dass die Sensorik piezoresistive Elemente aufweist, um über den
piezoresistiven Defekt die Dehnung zu messen. Diese Elemente können in
einem Dünnschichtverfahren
auf die Membran des Kraftmesselements aufgebracht werden.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Schwinge zur Krafteinleitung
dient. Dies ermöglicht
eine definierte Krafteinleitung. Die Schwinge ist dabei mit der
Hülse in
Wirkverbindung.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass zwischen einer Schwinge und dem Kraftmesselement eine
Gelenkpfanne vorgesehen ist, um eine Entkopplung von Momenten in
X-, Y- und Z-Richtung zu erreichen. Wird die Schwinge verwendet
und auch eine feste Einspannung des Kraftmesselements zur Kraftableitung,
dann können
einige oder alle Momente vom Kraftmesselement entkoppelt werden.
Zwischen der Hülse
und dein Bolzen kann in dem Zwischenraum ein Ring zur Kraftbegrenzung
vorgesehen sein.
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Anstatt
das erfindungsgemäße Kraftmesselement
einstückig
auszuführen,
ist es möglich,
Hülse, Bolzen
und Membran durch Fügestellen
zu verbinden. Als Fügetechnik
kann beispielsweise Schweißen
verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich, unterschiedliche Materialien
für Hülse, Membran
und Bolzen zu verwenden. Auch die Herstellungstechnik kann damit
noch weiter vereinfacht werden. Die Fügestellen sind dabei leicht
zugänglich und
ermöglichen
somit ein einfaches Verbinden der Komponenten. Die Fügestellen
zwischen der Hülse und
der Membran sowie der Membran und dem Bolzen können zu einander versetzt sein.
Dies ermöglicht
eine noch einfachere Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, dass das Kraftmesselement durch eine entsprechende
Gestaltung des Bolzens, der Membran und der Hülse nach innenzeigende Freiräume aufweist,
um die dehnungsintensiven Bereiche auf der Membran noch besser und
empfindlicher zu gestalten. Dies ermöglicht einen größeren Hub
in der Dehnung in Abhängigkeit von
der Kraft und damit eine bessere Messung der Kraft.
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Vorteilhafterweise
kann das Membranelement lediglich ringförmig ausgeführt sein, um damit nur in den
dehnungsintensiven Bereichen angeordnet zu sein, was einen Materialersparnis
des hochfesten Materials bedeutet.
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Schließlich können die
Fügestellen
auch ringförmig
ausgeführt
sein, was eine besonders einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements
bedeutet. Dabei kommt dann die ringförmige Membran zum Einsatz.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung ausführlich
beschrieben.
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Es
zeigen
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1a eine Vorderansicht des
erfindungsgemäßen Kraftmesselements,
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1b eine Seitenansicht im
Schnitt,
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1c einen Schnitt durch das
erfindungsgemäße Kraftmesselement,
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2a einen seitlichen Schnitt
des Kraftmesselements im montierten Zustand,
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2b einen Schnitt durch das
Kraftmesselement,
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3a ein Kraftmesselement
mit Gelenkpfanne,
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3b den entsprechenden Schnitt
durch das Kraftmesselement,
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4 eine Seitenansicht im
Schnitt,
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5 eine zweite Seitenansicht
im Schnitt,
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6 eine dritte Seitenansicht
im Schnitt,
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7a eine Draufsicht,
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7b eine vierte Seitenansicht
im Schnitt,
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8 eine weitere Vorderansicht
mit einer Variation der dehnungsmessenden Elemente,
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9 eine weitere Vorderansicht
mit einer weiteren Variation der dehnungsmessenden Elemente,
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10 eine weitere Vorderansicht
mit einer weiteren Variation der dehnungsmessenden Elemente und
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11 eine fünfte Seitenansicht
im Schnitt.
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Beschreibung
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Bei
bekannten Kraftsensoren werden S- oder stabförmige Elemente eingesetzt,
die sich bei Kraft- oder Momenteneinwirkung verformen. Nachteilig
an diesen Formen ist der große
Bauraum und die schwierige Integrierbarkeit in bisherigen Befestigungselemente
wie Schrauben oder Bolzen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Kraftmesselement vorgeschlagen, das eine Kraft- und/oder Momentenmessung
mit einer speziell gestalteten Schraube oder Bolzen ermöglicht.
Das Kraftmesselement besteht aus einfachen geometrischen Elementen,
die sich einfach fertigen lassen und einen minimalen Bauraum ermöglichen.
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Die
Platzierung der dehnungsmessenden Sensorik, denn über die
Dehnung wird die Kraft mit dem Kraftmesselement gemessen, gewährleistet, das
nur Kräfte
hauptsächlich
in einer Richtung sensiert werden können.
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Den
grundsätzlichen
Aufbau des Kraftmesselements zeigen 1a und
b. Das Kraftmesselement besteht im wesentlichen aus rotationssymmetrischen
Teilen, wobei leichte Abweichung von der Rotationssymmetrie die
Funktion nicht beeinflussen. 1a zeigt
eine Vorderansicht des Kraftmesselements. In der Vorderansicht ist
lediglich die Membran 3 mit den aufgebrachten dehnungsabhängigen Widerständen 14 und
die sie verbindenden Leitungen 15 sowie der elektrischen
Anschlüsse 16 zu
sehen. Die dehnungsabhängigen
Widerstände 14 sind
zum einen in einem Bereich 12a angeordnet, der bei Lastaufbringung
unter Zugspannung steht. Zum anderen sind sie in einem Bereich 13a angeordnet,
der bei Lastaufbringung unter Druckspannung steht. Der Bereich 12a ist
der Zugspannungsbereich, während der
Bereich 13a der Druckspannungsbereich bei der gezeigten
Kraftwirkungsrichtung F ist. Wirkt die Kraft F in entgegengesetzter
Richtung als gezeigt, so wechseln Zug in Druck und Druck in Zug.
Zur Messung der aus der Spannung resultierenden Dehnungen wird jeweils
ein Widerstand verwendet. Zwischen diesen beiden Bereichen sind
jeweils zwei weitere Widerstände
angeordnet, die in einem wenig dehnungsintensiven Bereich auf der
Membran 3 platziert sind. Damit ist es möglich, durch
die Schaltung dieser Widerstände 14 in
einer Wheatstoneschen Brücke
eine sehr exakte Messung durch Auswertung der Differenzspannung
zu erzielen. Es sind auch andere Brücken- bzw. Auswerteschaltungen
möglich. Die
elektrischen Anschlüsse 16 werden
mit Auswerteschaltkreisen, wie beispielsweise einen Mikrocomputer
verbunden. Dieser Mikrocomputer kann in einem Kraftfahrzeug vorzugsweise
in einem Steuergerät
angeordnet sein. Bei den 1a,
b und c geben jeweils die unten angeordneten Koordinatensysteme die
Richtung an. Dies gilt auch für
die 2a, 2b, 3a, 3b und 8.
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1b zeigt eine Seitenansicht
im Schnitt des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.
Das Kraftmesselement weist einen Bolzen auf, der ein Gewindeteil 17 mit
der Membran 3 verbindet. Die Membran 3 hat einen
größeren Durchmesser
als der Bolzen 2 und ist in ihren Außenbereichen mit einer Hülse 1 verbinden,
die ebenfalls rotationssymmetrisch wie die Membran 3 und
der Bolzen 2 und der Gewindeteil 17 sind. Die
Membran 3 weist im äußeren Drittel
jeweils Aushebungen 200 auf, die dann die dehnungsintensiven
Bereiche 4 definieren. Die Hülse 1 weist hier einen
Absatz 19 auf auf den die Kraft F senkrecht zur Längsrichtung
des Bolzens 2 bzw. des Gewindeteils 17 aufgebracht
wird. Zwischen der Hülse 1 und
dem Bolzen 2 ist ein Zwischenraum 21 definiert,
der durch die Aufbringung der Kraft F verkleinert wird, so dass
sich die dehnungsintensiven Bereiche 4 unter Druck- bzw.
Zugspannung befinden. Die Hülse 1 und
die Membran 3 sind über
eine Fügestelle 11 miteinander
verbunden. Die Membran 3 und der Bolzen 2 sind über eine
Fügestelle 10 miteinander verbinden.
Als Fügetechnik
kann hier die Schweißtechnik
verwendet werden.
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1c zeigt einen Schnitt durch
das Kraftmesselement an der markierten Stelle A, so dass der Schnitt
durch den Bolzen 2 geht, aber nicht die Hülse 1 schneidet.
Daher kann im Schnitt A-A in 1c der Bolzen 2,
der Zwischenraum 21 und die Hülse 1 gesehen werden.
Die Hülse 1 zeigt
auch den Absatz 19, der durch die weitere innere Kreislinie
definiert ist.
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Die
Krafteinleitung erfolgt über
den Absatz 19 auf die Hülse 1 mit
der Kraft F. Hierdurch wird ein Moment im Kraftmesselement erzeugt.
Dieses Moment wirkt zwischen Hülse 1 und
dem Bolzen 2 mit der dazwischen befindlichen Membran 3,
die durch die Momenteneinleitung verwunden wird. Auf dem sich stark
dehnenden ringförmig
umlaufenden Teil der Membran 4, werden dehnungs- bzw. spannungsmessende
Elemente, z. B. Dehnmessstreifen, piezoresistive Strukturen oder
Dünnfilmstrukturen
aufgebracht.
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8, 9 und 10 zeigen
Variationen der Anordnung der dehnungsmessenden Elemente. Der Vorteil
dieser Anordnungen ist die Veränderung
des Widerstandes aller vier Widerstände. Zwei liegen in einem unter
Zugspannung stehenden Bereich, die restlichen zwei in einem unter
Druckspannung stehenden Bereich.
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8 zeigt dehnungsmessende
Elemente, die jeweils am Rand des dünnwandigen Membranbereiches
angeordnet sind. Dabei sind die Widerstände 14 im Bereich 12a, 13b unter
Zugspannung, wenn die Lastaufbringung in die negative Z-Richtung
erfolgt. Die Widerstände 14 im
Bereich 12b, 13a sind dabei unter Druckspannung.
Die Anschlüsse 84 führen zu
der Messauswertung. Auch hier sind die dehnungsabhängigen Widerstände 12a, 12b, 13a, 13b in einer
Wheatstoneschen Brücke
geschaltet.
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9 zeigt eine weitere Variation,
die nur den Bereich 12a und 13a ausnutzt. Hier
liegen die Widerstände 14 so,
dass eine Kraft in negativer z-Richtung eine Zugspannung im Bereich 12a bewirkt
und eine Druckspannung in 13a.
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Eine ähnliche
Anordnung ist auch mit dem Bereich 12b bzw. 13b möglich. Dies
wird in 10 gezeigt.
Hier liegen die Widerstände 14 so,
dass eine Kraft in negativer z-Richtung
eine Druckspannung im Bereich 12b bewirkt und eine Zugspannung
in 13b.
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Die
Aushebung 200 kann kreisförmig gestaltet sein. Dabei
kann der Radius dieser Kreisform überall gleich sein. Eine Variation
zeigt 11. Hier ist wieder
der Bolzen 2 über
die Membran 3 mit der Hülse 1 verbunden.
Zur Optimierung des Messsignals kann der zum Bolzen 2 zeigende
Anteil einer Teilkreisform 202 einen anderen vorzugsweise
größeren Radius
aufweisen als der zur Hülse 1 zeigende Anteil
der Teilkreisform 201. Durch diese Gestaltung ist es möglich für die oben
gezeigten Anordnungen der dehnungsmessenden Elemente die Dehnungsverteilung
so anzupassen, dass das Messsignal der dehnungsmessenden Elemente
maximal empfindlich auf die Einwirkung der Kraft F reagieren. Die
Teilkreisformen können
dabei auch durch parabelförmige,
splineförmige
oder andere Funktionen angenähert
bzw. optimiert werden.
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Die
Kraft kann über
eine feste Einsspannung abgeleitet werden.
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Dies
wird in 2 gezeigt. Gleiche
Elemente werden hier mit gleichem Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Nunmehr ist
eine feste Einspannung 23 gezeigt, die beispielsweise durch
ein Einschrauben des Gewindeteils 17 in ein Gewinde erfolgen
kann. Zusätzlich
ist in 2a, die auch
eine weitere Seitenansicht im Schnitt des Kraftmesselements zeigt
(2b), eine Schwinge 22 gezeigt,
die zur Einleitung der Kraft dient. Hier wird also über die
Schwinge 22 die Kraft eingeleitet und über die feste Einspannung 23 die
Kraft abgeleitet. Prinzipiell ist es möglich, die Einspannung 23 und
die Schwinge 22 zu vertauschen. Die Schwinge entkoppelt
die Momente um die Y-Achse vom Kraftmesselement.
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2b zeigt wiederum einen
Schnitt durch das Kraftmesselement an der bezeichneten Stelle a, wobei
hier neben dem Bolzen 2 und dem Zwischenraum 21 die
Hülse 1 mit
dem Absatz 19 zu sehen ist, sowie die Schwinge 22.
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3 zeigt im Bild a wiederum
eine Seitenansicht des Kraftmesselements im Schnitt, wobei hier
wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Hier wird jedoch eine umgestaltete Schwinge 24 und Hülse 1 verwendet.
Die Hülse
kann einen Freiraum 31 aufweisen, um der Schwinge 24 in
Drehrichtung 32 das nötige
Spiel zu geben.
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Die
Drehrichtung 32 in 3a und 3b zur Momentenentkopplung
in alle Raumachsen sind beispielsweise durch Gelenkpfannen 25 an
der Schwinge 24 ermöglicht.
Die Gelenkpfanne kann aus zwei ineinander greifenden Elementen bestehen,
die jeweils eine kugelförmige
Oberfläche 25 mit,
in 3a gezeigten, gleichem
Mittelpunkt M und gleichem Radius 30 aufweisen. Die kugelförmige Fläche der Schwinge 24 zeigt
nach innen (zur Mitte M), die kugelförmige Fläche des Lagers 26 nach
aussen vom Mittelpunkt M weg. Beide Flächen zueinander können ein
leichtes Spiel aufweisen, um die Drehbewegung zu ermöglichen.
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3b zeigt wiederum den Schnitt
an der markierten Stelle A, wobei lediglich der Bolzen 2 geschnitten
ist und eine Vorderansicht der Hülse 1 der Schwinge 24,
die beweglich um die X-, Y-, Z-Achse mit der Gelenkpfanne 25.
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Im
allgemeinen kann, wenn die Kraft über Zwischenelemente auf das
Kraftmesselement eingeleitet wird, eine Entkopplung von Momenten
erfolgen, wenn diese Zwischenelemente als Gelenk ausgeführt werden.
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4 zeigt eine weitere Seitenansicht
im Schnitt. Wiederum ist der Gewindeteil 17 in der festen
Einspannung 23 verschraubt, der Bolzen 2 ist mit der
Membran 3 über
die Fügestelle 10 verbunden und
die Membran 3 über
die Fügestellen 11 mit
der Hülse 1.
Zusätzlich
ist hier am Bolzen 2 ein Abstandsring 20 angebracht,
der als Kraftbegrenzung dient. Ist der Abstand 21 durch
die aufgebrachte Kraft auf die Hülse 1 auf
0 verringert, liegt also die Hülse 1 auf
dem Abstandsring 20 auf, dann kommt es zur Kraftbegrenzung,
da keine weitere Kraft mehr aufgebracht werden kann und zu keiner
weiteren Dehnung führt.
Diese Funktion wird in den restlichen Figuren durch entsprechend
gewählte
Maße realisiert.
Das Besondere an dieser Ausführung
ist, dass die Fügestellen 10 und 11 entfallen
können
und das Kraftmesselement einfach aus einem Stück gefertigt werden kann. Dies
ist möglich,
da vor dem Aufbringen des Abstandsringes der Innenraum 63 für die Bearbeitung
vereinfacht zugänglich
ist.
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5 zeigt eine weitere Seitenansicht
im Schnitt. Nunmehr sind die Fügestellen 11 und
die Fügestellen 10 nicht
mehr wie in 4 in einer
Ebene, sondern versetzt zueinander. Der Versatz 50 ermöglicht eine
bessere Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.
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6 zeigt das Kraftmesselement
mit einer einstückigen
Membran und Hülse 60,
die wie auch der Bolzen 62 mit der Phase 61 derart
geformt sind, dass Freiräume 63 zur
Herstellung der dehnungsintensiven Bereiche nach innen geformt sind.
Die Fügestellen 10 und 11 dienen
wieder zu Verbindung von Bolzen 1 Membran 60 und
Bolzen 62.
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7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. Hier
sind zwei ringförmige
Fügestellen 10 und 11 vorgesehen,
die es ermöglichen,
dass die Membran 70 ringförmig ist. Der Bolzen 72 ist
daher an der Oberfläche
zu sehen, wie auch die ringförmige
Hülse 71. Dies
ermöglicht
einen sparsamen Einsatz des für
die Membran 70 zu verwendenden Materials, also ein hochfester
Stahl. 7b zeigt ein
Seitenansicht im Schnitt dieses Ausführungsbeispiels.
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Hierbei
ist zu sehen, dass das Kraftmesselement mit der ringförmigen Membran 70 und
wiederum den Gewindeteil 17 in einer festen Einspannung 23 zugeordnet
ist.