DE2827061B2 - Kraftmeßdose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose zur Erzeugung eines einer angreifenden Kraft entsprechenden elektrischen Signals mit einem plattenförmigen, im wesentlichen rechteckigen Verformungsteil mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen, in dem eine durchgehende, geschlossene, im wesentlichen Z-förmige öffnung mit zwei im Abstand zueinander angeordneten Querbalken und einem diese verbindenden, das Verformungsteil weitgehend in zwei Hälften unterteilenden Diagonalabschnitt ausgespart ist, und mit einem am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmesser innerhalb des Dosengehäuses, wobei eine Verformungsteil-Hälfte fest am Dosengehäuse angebracht ist und an der anderen Verformungsteil-Hälfte die Kraft parallel zur Verformungsteil-Längsmittellinie angreift

Eine Kraftmeßdose dieser Art kann im wesentlichen der deutschen Offenlegungsschrift 21 24 977 entnommen werden. Das Verformungsteil der bekannten Meßdose weist innerhalb des Verformungsteils Zwischenabschnitte mit Materialschwächungen auf, an denen die Beanspruchungsmeßeinrichtungen wie Dehnungsmeßstreifen anliegen. Ein solcher Zwischenabschnitt ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er als Scherquerschnitt wirkt, so daß seine Materialschwächung eine Membra« bildet, welche die Beanspruchungsmeßeinrichtung trägt Eine solche Membran befindet sich notwendigerweise innerhalb des Umrisses des Verformungsteils, so daß bei der bekannten Kraftmeßdose die am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmeßeinrichtungen sich notwendigerweise innerhalb des Verformungsteil-Umrisses befinden. Die Anbringung und der Anschluß von Beanspruchungsmeßeinrichtungen, beispielsweise von Dünnschichtwiderständen, innerhalb des Verformungsteils ist aufwendig.

Da\on ausgehend besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, für eine Kraftmeßdose der genannten Art eine zweckmäßigere Anordnung der Beanspruchungsmeßeinrichtungen vorzusehen und bei einfacher Bauart und geringem Aufwand hohe Empfindlichkeit der Kraftmeßdose zu gewährleisten.
Ausgehend von der angegebenen Kraftmeßdose besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin, daß der Beanspruchungsmesser auf einem ebenen, quer zur Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufenden Abschnitt einer Stirnfläche, also nahe benachbart zu einem Z-Querbalken, angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftmeßdose ergeben sich aus den Unteransprüchen. So kann der Diagonalabschnitt der Z-förmigen öffnung im Verformungsteil eine mittige Erweiterung aufweisen, in welche ein gegenüber dem Dosengehäuse und gegenüber dem Verformungsteil frei beweglicher Stift hineinragt Der Stift verhindert sowohl eine Abbiegung des Verformungsteils über den genauesten Meßbereich hinaus wie eine Beschädigung des Verformungsteils bei der Einwirkung einer zu großen Kraft.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Beanspruchungsmeßeinrichtung an dem bestimmt ausgebildeten und im Kraftmeßdosengehäuse gelagerten Verformungsteil gewährleistet, daß die einwirkenden Kräfte einheitliche wiederholbare Biegemomente an derjenigen Fläche erzeugen, an welcher der Beanspruchungsmesser befestigt ist, ohne daß in nennenswertem Umfang Drehmomente oder Abbiegungen außerhalb der bevorzugten Ebene bei einer Verschiebung des Verformungsteils auftreten.

Die zu messenden Kräfte werden im wesentlichen lediglich in solchen Ebenen übertragen, welche parallel zu den Hauptflächen des Verformungsteils verlaufen. Die Anordnung des Beanspruchungsmessers an einer ebenen Umfangsfläche des Verformungsteils erleichtert dessen Anbringung ganz erheblich, etwa im Falle von aufzudampfenden Dünnschichtwiderständen.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Beanspru-

chungsmessers quer zur angreifenden Kraft an einer Stirnfläche bzw. einer Umfangsfläche des Verformungsteils, nahe benachbart zu einem Z-Querbalken ist durch den Stand der Technik nicht nahegelegt. Für die bekannte Kraftmeßdose ist hierzu in der genannten Offeniegungsschrift ausgeführt, daß uei einer Anordnung der Dehnungsmeßstreifen an den Seitenflächen des Verformungsteils mit geringen Scherbeanspruchungen und damit im Ergebnis mit einer geringeren Empfindlichkeit zu rechnen ist. Bei einer weiteren, aus der deutschen Auslegeschrift 12 58 141 bekannten Kraftmeßdose sind die Dehnungsmeßstreifen nicht an einer Stirnfläche bzw. Umfangsfläche angebracht, sondern in jedem Fall auf einer Hauptfläche des flachen, zylindrischen Druckkörpers, der eine Z-förmige Aussparung im Sinne der Erfindung nicht aufweist. Schließlich sind bei der aus der US-Patentschrift 39 69 935 bekannten Kraftmeßdose die Beanspruchungsmeßeiprichtungen rund um den Abbiegungsbereich innerhalb einer Bohrung vorgesehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 5 erläutert; es zeigt

F i g. 1 in einer Seitenansicht eine Kraftmeßdose,

F i g. 2 die Darstellung eines Schnittes längs der Linie 2^ 2-2aus Fig. 1,

F i g. 3 die Draufsicht auf einen Schnitt längs dor Linie 3-3 aus F i g. 2,

F i g. 4 die Darstellung eines Schnittes längs der Linie 4-4 aus F i g. 2 und

F i g. 5 eine weitere Draufsicht auf einen Schnitt läi.gs der Linie 5-5 aus F i g. 4.

Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert.

Wie mit Fig. 1 dargestellt, gehört zu der Kraftmeß- i*> dose 10 ein Glied 11, mittels welchem die zu messende Kraft auf den K.aftwandler übertragen wird; weiterhin gehört dazu ein elektrischer Anschluß 12, der lösbar mit dem Kraftwandler verbunden ist, mittels dem die vom Kraftwandler erzeugten elektrischen Signale einer entfernt angeordneten elektrischen Fertigungseinrichtung zugeführt werden. Für Wandler dieser Art ist es üblich, daß der Kraftwandler 10 hermetisch verschlossen ist und die Krafteinleitungsstelle sowie die elektrischen Anschlüsse ebenfalls selbstabdichtend sind, um die Teile des Kraftwandlers vor schädlichen äußeren Einwirkungen zu schützen.

Wie mit F i g. 7 und F i g. 4 dargestellt, gehört zu den wesentlichen Teilen der Kraftmeßdose ein Verformungsteil 13 mit einem Beanspruchungsmesser bzw. 5» einer Einrichtung 14 zur Messung mechanischer Spannungen, welche auf einer Stirnfläche des Verformungsteüs 13 mit der Maßgabe angebracht ist, daß bei einer Krafteinwirkung auf das Verformungsteil 13 in der Einrichtung 14 entsprechende Beanspruchungen wie Spannungen oder Drehungen erzeugt werden, welche wiederum in bekannter Weise in elektrische Signale umgewandelt werden, welche das Ausmaß der Beanspruchung anzeigen und damit auch den Betrag der Kraft, welche die Beanspruchungen hervorgerufen bo haben. Obwohl für die Einrichtung 14 verschiedene Beanspruchungsmesser verwendet werden können, besteht die bevorzugte Einrichtung aus einer Anzahl von aufgebrachten Dünnschichtwiderständen, die elektrisch in Form einer Brücke zusammengeschaltet sind, w\ so daß die im Verformungsteil 13 hervorgerufenen Beanspruchungen Änderungen des Brückenwiderstandes erzeugen, was wiederum eine entsprechende Änderung eines elektrischen Ausgangssignals gegenüber einem konstanten elektrischen Eingangssignal bewirkt; hierbei können Spannung oder Stromstärke des Eingangssignals verändert werden. Das Verformungsteil selbst muß aus einem Material bestehen, das gute Federeigenschaften aufweist und mit dem Material des Dünnschichtwiderstandes verträglich ist; ein geeignetes Material ist rostfreier Stahl, beispielsweise Stahl der US-Sortenbezeichnung 17-4.

Das Verformungsteil bzw. der Biegestab 13 besteht in einem Stück aus einem plattenähnlichen Körper mit vorzugsweise einheitlicher Dicke d und rechteckiger Gestalt Andererseits kann auch eine Platte verwendet werden, deren Dicke und Breite sich von einem Ende zum anderen Ende verjüngt, solange eine zweizählige Symmetrie relativ zur vertikalen Mittellinie des Körpers gewährleistet ist, wie das mit F i g. 4 dargestellt ist An einem Ende weist das Verformungsteil eine ebene Stirnfläche auf, so daß der Beanspruchungsmesser 14 anliegen kann, wie das am besten der Fig.4 zu entnehmen ist. Quer zu den beiden vertikalen Hauptflächen des Verformungsteils 13 ist eine durchgehende, geschlossene, im wesentlichen gewöhnlich Z-förmige Öffnung 15 ausgespart mit zwei im Abstand zueinander angeordneten Querbalken. Der Diagonalabschnitt der Z-förmigen Öffnung unterteilt das Verformungsteil weitgehend in zwei Hälften. Wenigstens einer der beiden Z-Querbalken ist unmittelbar benachbart zu dem gegenüberliegenden Ende des Verformungsteils 13 angeordnet und verläuft vorzugsweise parallel zur Stirnfläche dieses Endes; diese parallele Anordnung ist jedoch nicht zwingend. Zu der Z-förmigen öffnung gehören auch erweiterte Aussparungen 16 an den Enden der Querbalken, um die erforderliche Biegsamkeit und Spannungskonzentration zu gewährleisten; weiterhin ist in der Mitte des Diagonalabschnittes der Z-förmigen öffnung eine mittige Erweiterung 16 ausgespart, welche zur Unterbindung einer zu s'.arken Schwingung bzw. Auslenkung vorgesehen ist. Die an die Erweiterung 16 anschließenden Teile 17 des Diagonalabschnittes der Z-förmigen öffnung verlaufen eine Strecke lang in Richtung der Verformungsleil-Längsmittellinie des Biegestabes. Diese Ausrichtung der Teile 17 gewährleistet, daß die eine Verformungsteil-Hälfte sich mehr oder weniger gleichmäßig nach oben und unten verschieben kann, ohne an der anderen Verformungsteil-Hälfte anzustoßen. Bei einer diagonalen Ausrichtung der Teile 17 würde sich der Diagonalschnitt der Z-förmigen Öffnung bei einer öffnung bei einer Druckbeanspruchung schneller schließen.

Die Z-förmige öffnung 15 und die damit in Verbindung stehenden Erweiterungen/Aussparungen 16 unterteilen das Verformungsteil wirksam in zwei Verformungsteil-Hälften, nämlich in einen ersten, feststehenden, am Kraftmeßdosengehäuse fest eingespannten Abschnitt 18, dem gegenüber ein zweiter, beweglicher Abschnitt 19 abgebogen und verschoben werden kann. Der Beanspruchungsmesser 14 liegt folglich an der Stirnfläche des verformbaren Abschnittes 19 an. Die unterhalb des Beanspruchungsmessers 14 gelegenen Aussparungen 16 haben solche Abmessunger., daß ein angestrebtes Ausmaß an Biegsamkeit und Spannungskonzentration für die Beanspruchungsmesser gewährleistet ist; üblicherweise haben diese Aussparungen 16 bei allen Ausführungsformen die gleichen Abmessungen. Die Aussparungen 16 am gegenüberliegenden Ende des Verformungsteils 13

können unterschiedliche Abmessungen haben, um damit die Gesamtfederkraft des Verformungsteils einzustellen, was erforderlich sein kann, um die Brauchbarkeit der Kraftmeßdose an verschiedene Kraftbereiche anzupassen. Die zur Unterkante benachbarten Ausspa- ^r> rungen 16 können näher an dieser Unterkante als an der Seitenkante angeordnet sein, so daß eine deutlich sich verjüngende, einseitig eingespannte Halterung für den beweglichen Abschnitt 19 erhalten wird, welche bei einer Abbiegung recht einheitliche Spannungen in u> Längsrichtung erzeugt. Da die beiden Abschnitte 18 und 19 jeweils einen Teil der am Verformungsteil auftretenden Verformung aufnehmen, können größere Beanspruchungen gemessen werden, als dies mit bekannten Kraftwandlern möglich ist, ohne daß die Beanspru- '^ chungsgrenzen der Meßeinrichtung 14 überschritten werden.

In dem feststehenden Abschnitt 18 sind zwei Befestigungslöcher 20 und 21 ausgespart. Ein weiteres Bcfestigungsloch 22 ist in dem beweglichen Abschnitt 19 ausgespart; die beiden Löcher 21 und 22 liegen auf der Längsmittellinie des Verformungsteils, wie das aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das Befestigungsloch 20 ist mit einem Innengewinde versehen und kann, ohne zwingend festgelegt zu sein, an einer geeigneten Stelle im 2^r> feststehenden Abschnitt 18 ausgespart sein. Zur Befestigung des beweglichen Abschnittes 18 am Meßdosengehäuse 23 greift in das Befestigungsloch 21 der Glattstift 43 ein und in das Befestigungsloch 20 die Maschinenschraube 17 ein (die letztere ist in Fig. 2 so nicht dargestellt, da sie nicht vom Schnitt längs der Linie 2-2 von F i g. 1 erfaßt ist). Zur Verbindung des beweglichen Abschnittes 19 mit dem Kraftübertragungsglied 31 greift der Stift 39 in das Befestigungsloch 22 ein. : j

Wie insbesondere aus F i g. 2 ersichtlich, besteht das Gehäuse 23 der Kraftmeßdose hauptsächlich aus einem Hohlzylinder mit einer durchgehenden zylindrischen Bohrung 24. Das untere Ende ist mittels einer Abdeckplatte 25 verschlossen, die mittels Schrauben 26 arn Gehäuse 23 befestigt ist. Zwischen der Abdeckplatte 25 und dem Gehäuse 23 ist der Außenrand einer kreisförmigen Blattfeder 27 der mit F i g. 3 dargestellten Art eingespannt, so daß das Federzentrum Schwingbewegungen durchführen kann. Im Federzentrum ist eine -^ Öffnung 28 ausgespart, durch welche ein Einsatz 30 und innerhalb dieses Einsatzes eine Zylinderschraube 29 hindurchragen. Der Einsatz 30 liegt am Fußende eines Kraftübertragungsgliedes 31 an und ist über die Zylinderschraube 29 mit diesem verbunden. Das Kraftübertragungsglied 31 erstreckt sich in vertikaler Richtung über die volle Länge der Bohrung 24 und ist somit von der Feder 27 flexibel gehalten, so daß bei einer Längsverschiebung des Kraftübertragungsgliedes

31 die Federkraft der Feder 27 überwunden werden muß, während seitliche Verschiebungen des Kraftübertragungsgliedes 31 weitgehend unterbunden sind.

Das obere Ende des Kraftübertragungsgliedes 31 ist als Gewindering 32 ausgebildet Eine kreisförmige Blattfeder 33 ruht auf der Oberseite des Gewinderinges

32 und liegt mit ihrem Außenrand an der Oberseite des zylindrischen Gehäuses 23 an. Auf der Feder 33 liegt eine ringförmige Beilagscheibe 34 auf, die ihrerseits von einer ringförmigen Kappe 35 abgedeckt ist Ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 36 ist in den b5 Gewindering 32 des Kraftübertragungsgliedes 3t" eingeschraubt wobei um den Schaft des Verbindungsstückes 36 herum eine Buchse oder ein Abstandhalter 37 angeordnet ist. Eine Ringdichtung 38 aus Gummi oder Kunststoff verhindert das Eindringen von Verunreinigungen zwischen dem Abstandhalter 37 und der Gehäusewand. An dem Kraftübertragungsglied 31 ist ein Stift 39 in solcher Lage befestigt, daß der Stift 39 in das Befestigungsloch 22 in dem beweglichen Al^hnitt 19 hineinragt.

Die Längsachsen der Zylinderschraube 29 und des Gewinderinges 32 sind übereinstimmend mit der Längsmittellinie des Verformungsteils ausgerichtet. Da diese Längsmittellinien fluchten, verlaufen die über das Verbindungsstück 36 übertragenen Kräfte lediglich in Längsrichtung, ohne daß es zu einer nennenswerten Verdrehung oder Pendelbewegung des Kraftübertragungsgliedes .31 kommt. Die Blattfedern 27 und 33 lassen in beide Richtungen der Längsmittellinie eine Verschiebung des Kraftübertragungsgliedes 31 zu, so daß entweder nach unten oder nach oben gerichtete Kräfte gemessen werden können.

Innerhalb der Bohrung 24 ist eine zumeist halbzylindrische Befestigungsplatte 40 angebracht. Der feststehende Abschnitt 19 des Verformungsteils 13 ist an der flachen Seite der Platte 40 mittels einer Maschinenschraube 41 befestigt, welche in das mit Gewinde versehene Befestigungsloch 20 hineinragt; eine Beilagscheibe 42 gewährleistet einen geringen Abstand zwischen diesen Teilen (vgl. Fig. 5). Ein Glattstift 43 (vgl. F i g. 2) befindet sich sowohl innerhalb des Befestigungsloches 21 in dem feststehenden Abschnitt 19 wie in der passenden Bohrung 44 in der Halteplatte 40, um das Verformungsteil 13 an der Platte 40 zu halten und eine Verformungsteildrehung um die Schraube 41 herum zu verhindern. Weiterhin befindet sich frei beweglich der zylindrische Stift 47 innerhalb der mittigen Erweiterung 16 zwischen den Teilen des Diagonalabschnittes der Z-förmigen öffnung 15; hierbei ist der Durchmesser des Stiftes 47 kleiner als der Durchmesser der Erweiterung 16. Benachbart zur einen Stirnfläche des Stiftes 47 befindet sich das Kraftübertragungsglied 31 und benachbart zur anderen Stirnfläche das Ende der in die Halteplatte 40 eingeschraubten Schraube 45, so daß der in der Erweiterung 16 frei bewegliche Stift 47 wirksam vor einem Herausrutschen aus dieser Erweiterung 16 geschützt ist Um zu gewährleisten, daß auf den Stift 47 hauptsächlich Axialkräfte einwirken, sollen die Teile 17 so eng sein wie das die Praxis zuläßt

Die Halteplatte 40 mit dem vorher daran befestigten Verformungsteil 13 wird mittels der Schraube 45 am Gehäuse 23 befestigt; zusätzlich ist zur Abdichtung die Beilagscheibe 46 vorgesehen. In üblicher Weise erfolgen die elektrischen Verbindungen von den Widerstands schichten des Beanspruchungsmessers 14 zu dem Anschluß 12 über die Leitungen 48 (vgL F i g. 5).

Wie aus der gemeinsamen Betrachtung der Fig.2 und 4 ersichtlich ist bewirkt die Einwirkung einer nach unten gerichteten Kraft auf das Verbindungsstück 3€ eine Verschiebung des Kraftübertragungsgliedes 31 nach unten; weiterhin wird durch die mechanische Verbindung über den Stift 39 der bewegliche Abschniti 19 des Verformungsteils 13 nach unten abgebogen. Ds der feststehende Abschnitt 18 über die Maschinenschraube 41 und den Glattstift 43 an der Halteplatte 4C und damit am Meßdosengehause festgelegt und damil gegen eine Verschiebung in dieser Richtung gestehen ist tritt in dem Verformungsteil 13 eine Verformung auf Diese Verformung verursacht eine entsprechende Beanspruchung in dem Beanspruchungsmesser 14, was

zu einem Ausgangssignal am Anschluß 12 führt, das wiederum ein Äquivalent zu der gemessenen Kraft darstellt. Sofern auf den Kraftwandler eine zu große Belastung einwirkt, verhindert der Stift 47 eine übermäßige Abbiegung oder Verbiegung des Verformungsteils 13.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kraftmeßdose

zur Erzeugung eines einer angreifenden Kraft entsprechenden elektrischen Signals,
mit einem plattenförmigen, im wesentlichen rechtekkigen Verformungsteil mit einander gegenüberliegenden Stirnflächen, in dem eine durchgehende, geschlossene, im wesentlichen Z-förmige öffnung mit zwei im Abstand zueinander angeordneten Querbalken und einem diese verbindenden, das Verformungsteil weitgehend in zwei Hälften unterteilenden Diagonalabschnitt ausgespart ist, und
mit einem am Verformungsteil anliegenden Beanspruchungsmesser innerhalb des Dosengehäuses,
wobei einp Verformungsteil Hälfte fest am Dosengehäuse angebracht ist und

an der anderen Verformungsteil-Hälfte die Kraft parallel zur Verformungsteil-Längsmittellinie angreift,

dadurch gekennzeichnet, daß der Beanspruchungsmesser (14) auf einem ebenen, quer zur Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufenden Abschnitt einer Stirnfläche, also nahe benachbart zu einem Z-Querbalken angeordnet ist.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diagonalabschnitt eine mittige Erweiterung (16) aufweist, in welche ein gegenüber dem Dosengehäuse (23) und gegenüber dem Verformungsteil (13) frei beweglicher Stift (47) hineinragt.

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Erweiterung (16) anschließenden Teile (17) des Z-Diagonalabschnittes eine Strecke lang in Richtung der Verformungsteil-Längsmittellinie verlaufen.

4. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verformungsteil-Hälfte (18,19) senkrecht zui Hauptfläche durchgehende Löcher (20, 21,22) ausgespart sind, in welche die Mittel zur Befestigung bzw. Kraftübertragung eingreifen.

5. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (39) zur Kraftübertragung an der Verformungsteil-Hälfte (19) an einem Punkt auf der Verformungsteil-Längsmittellinie unterhajb der Erweiterung (16) angreift.

6. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (31, 39) zur Kraftübertragung innerhalb des Dosengehäuses (23) federnd gelagert ist.

7. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beanspruchungsmesser (14) aus einer Anzahl Dünnschichtwiderstände besteht.