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Dokumentenidentifikation DE3837776A1 10.05.1990
Titel Kraftmeßfeder niedriger Bauhöhe
Anmelder Bran & Luebbe Industrie Automation GmbH & Co, 6900 Heidelberg, DE
Erfinder Horn, Klaus, Prof. Dr.-Ing., 3300 Braunschweig, DE
Vertreter Riecke, M., Dipl.-Ing., 6333 Braunfels
DE-Anmeldedatum 08.11.1988
DE-Aktenzeichen 3837776
Offenlegungstag 10.05.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.1990
IPC-Hauptklasse G01G 3/08
IPC-Nebenklasse G01G 3/14   G01L 1/22   G01B 7/18   
Zusammenfassung Es wird ein Federkörper für Kraftmeßdosen, Wägezellen und ähnliche Kraftaufnehmer beschrieben, der vorzugsweise nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeitet, und an dem entweder Biege- oder Scherdehnungen abgegriffen werden. Der erfundene Federkörper zeichnet sich dadurch aus, daß er als Meßfeder einen Biegebalken aufweist, der an seinen Enden in Lasteinleitungswinkel und Lastausleitungswinkel übergeht, die als ein Paar spiegelbildlich zur Längsachse des Biegebalkens geformte Teilwinkelelemente ausgebildet sind, die außerdem ineinander geschachtelt in einer Ebene senkrecht zur Meßkraftrichtung angeordnet sind. Die Federkörper sind einfach in ihrer Herstellung und können durch Ausarbeiten von Trenn- und Begrenzungsschlitzen aus einem Blech einstückig hergestellt werden. Sie können aber auch als Scheiben von entsprechend vorgeformtem, stranggepreßten Material abgeschnitten werden. Bei Verwendung von Hohlkörpern als Biegebalken können die verwendeten Dehnungsmeßstreifen auf den Innenwandungen des Hohlkörpers angebracht werden. Der Hohlkörper kann durch Verschlußstopfen hermetisch gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet werden, und es können in einfacher Weise Überlastsicherungen in Form von Paßstiften angebracht werden, die in konzentrischen Paßbohrungen jeweils durch benachbarte Lastwinkelelemente verlaufen, in deren einem Element sie mit einem Preßsitz fest sitzen, während sie in dem anderen Element ein Spiel aufweisen, das dem zulässigen Federweg entspricht.

Beschreibung[de]

In [1] werden Grundformen von Biegebalkenmeßfedern beschrieben, die vorzugsweise für kleinere Kraftmeßbereiche sowie als Wägezellen in elektro-mechanischen Waagen eingesetzt werden können. Besonders die in Bild 7 von [1] wiedergegebene Ausführungsvariante des einseitig eingespannten Doppelbiegebalkens hat in der Praxis eine außergewöhnliche Verbreitung gefunden, vorzugsweise unter Benutzung des Dehnungsmeßstreifens (DMS)-Prinzips, wobei sowohl Ausführungen bekanntgeworden sind, bei denen Biegedehnungen abgegriffen werden als auch solche, die Scherdehnungen nutzen. Kommt dabei gemäß Bild 1 ein Biegebalken mit über seiner Länge L konstantem Querschnitt zum Einsatz, ist die Forderung nach exakt zentralen Angriff von F bei x = L/2 nicht gegeben, wenn die DMS gleichempfindlich und paarweise spiegelsymmetrisch zur Mittellinie bei x = L/2 appliziert sind. Dann wird sogar die Wirkung einer bei E ebenfalls angreifenden Querkraft Q in ihrer fehlerhaften Auswirkung auf das Ausgangssignal der DMS- Meßbrücke hochgradig eliminiert. Aber sogar Fehler höherer Ordnung durch derartige Querkrafteinflüsse können darüber hinaus wirkungsvoll unterdrückt werden, wenn man gemäß DGM 80 08 017 den Lastangriffspunkt E durch eine mechanische Rückführung R vom starren Lasteinleitungswinkel LW exakt nach E&min; in den Schwerpunkt der reinen Biegefeder B und damit in deren neutrale Faser N verlegt. Die Biegefeder muß zu diesem Zweck dann aber einen Ausschnitt Au aufweisen.

Der erste wesentliche Nachteil aller dieser Balkanausführungen besteht aber darin, daß bei ihnen durch eine in E angreifende Kraft F ein Drehmoment F × L/2 auf ihr Widerlager W ausgeübt und somit für dieses eine materialvolumen-, gewichts- und kostenintensive Konstruktion vorausgesetzt wird, wenn von dieser Einspannstelle durch Lagernachgiebigkeiten keine nennenswerten Meßfehler ausgehen sollen.

Wie [1] zeigte, (Bild 9), lassen sich solche Einspannfehler jedoch vermeiden, wenn man zwei derartige Doppelbiegebalken mechanisch hintereinander schaltet und zusätzlich auch noch die Ausleitungsstelle A der Meßkraft in das Widerlager W durch einen weiteren Lastwinkel LW&min; in die Wirkungslinie der Meßkraft F bei x = L/2 nach W&min; verlegt.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darüber hinaus darin, daß der Lastangriffspunkt E der Meßkraft bei einer solchen Federform bei Federauslenkungen streng gerade geführt wird und somit bei ihrem Einbau in Waagenkonstruktionen durch Lasteinwirkungen keine störenden Querkräfte Q aufgebaut werden. Ihr Nachteil besteht aber neben dem größeren baulichen Aufwand vor allem in der Verdopplung sowohl des Meßweges als auch der Bauhöhe H der Meßfederanordnung, vergleicht man beides mit dem Einfachbiegebalken von Bild 1.

Eine zwar nicht geradlinige Federauslenkung jedoch ohne Momentbelastung des Widerlagers erhält man aber, wenn man gemäß Bild 2 an beiden Enden des Biegebalkens B je einen Lastwinkel LW mit E bzw. LW&min; mit A anordnet und das Widerlager W&min; in der Wirkungsrichtung der Meßkraft F anordnet.

Gemäß Bild 2 erhält man dabei eine in der Seitenprojektion im wesentlichen S-förmige Federgeometrie, wie sie heute vorzugsweise in monolithischer Form, d. h. aus einem Materialblock in einem zusammenhängenden Teil herausgearbeitet, von verschiedenen Herstellern entweder als Biege- oder als Scherkraft- Wägezellen auf den Markt gebracht werden.

Der Nachteil der relaitv großen Bauhöhe H bleibt hier aber in vollem Umfange bestehen. Sieht man von der Variante gemäß DGM 80 08 017 einmal ab, haben alle bisher beschriebenen Meßfederformen den gravierenden weiteren Nachteil gemeinsam, daß Lasteinleitungspunkt E und Lastausleitungspunkt A in Meßkraftrichtung z recht weit auseinander und weit ab von der neutralen Faser N der Biegefeder liegen.

Schon kleine überlagerte Querkräfte Q in x oder y-Richtung im Krafteinleitungspunkt E führen daher zu Kippmomenten auf die Meßfeder und daraus resultierenden zusätzlichen Verwindungen und Verformungen der Biegefeder B, die sich notwendigerweise in Verfälschungen des Meßsignales höherer Fehleranordnung auswirken.

Außerdem haben alle diese Federformen aufgrund dieses Verhaltens in Querrichtung x und y nur eine sehr kleine Federsteifigkeit und weisen daher nur bescheidene Führungseigenschaften in Meßkraftrichtung z auf.

Alle beschriebenen Nachteile bei außerdem noch gegenüber der Grundform nach Bild 1 entscheidend reduzierter Bauhöhe Hw lassen sich erfindungsgemäß vermeiden, wenn man die Lastwinkel LW und LW&min; in jeweils ein Paar spiegelbildlich zur x- Achse geformter Teilwinkel LW1 und LW2 sowie LW&min;1 und LW&min;2 aufgliedert und diese alle, in der x-y--Ebene ineinandergeschachtelt, symmetrisch zur neutralen Faser N der Biegefeder anordnet (Bild 3).

Um mit einer derartigen Kraftmeßfeder Messungen durchführen zu können, wird vor Einleitung der Meßkraft F diese (z. B. über ein gesondertes, nicht zur Meßfeder gehörendes Lastteilerelement LE,) in zwei etwa gleiche Teilkräfte F1 = F2 = F/2 aufgeteilt und bei E1 und E2 mit spiegelbildlich gleichem y- Abstand von der neutralen Faser N in die Meßfeder eingeleitet und bei A1 bzw. A2 wieder ausgeleitet.

Optimale Ergebnisse sind nach einem Untergedanken erzielbar, wenn durch Ausbrüche AB1 bis AB4 in den Lastwinkelhälften dafür gesorgt wird, daß die Ein- und/oder Ausleitung exakt in z-Höhe der neutralen Faser N der Biegefeder erfolgt. Auf der Ausleitungsseite dienen dazu die Stützelemente S1 und S2.

Die Hilfsstützelemente SH1 und SH2 dienen lediglich dazu, ein von eventuellen Querkräften Q1 = Q2 = Q/2 hervorgerufenes Kippmoment auf die montierte Meßfeder aufzunehmen und auszuleiten.

Die Meßfeder kann vorteilhaft durch Ausfräsen (oder Sägen, Ätzen, Schneiden etc.) der Begrenzungsschlitze BS1 und BS2 der Biegefeder B sowie der Trennschlitze TS1 und TS2 zwischen LW1 und LW&min;1 bzw. zwischen LW2 und LW&min;2 monolithisch aus einem einzigen ebenen Blech in den Außenabmessungen der fertigen Meßfeder ohne großen fertigungstechnischen Aufwand hergestellt werden.

Nach einem weiteren Untergedanken kann aber auch vorteilhaft auf stranggepreßtes Stangenmaterial zurückgegriffen werden, in dem die Begrenzungs- und Trennschlitze freigearbeitet sind und durch Absägen von Scheiben der Höhe Hw Meßfederrohkörper erzeugt werden.

Bei beiden Herstellverfahren genügt es, beim Rohkörper allseitig lediglich das zentral gelegene Biegefederelement B z. B. durch Fräsen präzise auf seine Sollabmessungen fein nachzuarbeiten. Alle übrigen Bearbeitungsflächen können im Rohzustand belassen werden.

Bei Verwendung des DMS-Prinzips können durch Aufbringen von mindestens 4 DMS symmetrisch zur x- und y-Achse auf der Biegebalkenoberfläche in bekannter Weise gemäß Bild 4 Biegespannungs- und gemäß Bild 5 Scherspannungs-Meßfedern dimensioniert werden. Bei letzteren wird sehr häufig am Orte der DMS-Applikation auf einen I-förmigen Querschnitt des Biegebalkens zurückgegriffen.

Da die solchermaßen applizierten DMS bei dem späteren Meßfederkörper ohne Gegenmaßnahmen der freien Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sind und sich nur technologisch schwierig und unter großem Aufwand (z. B. durch Faltenbälge, Wellbleche etc.), und dazu meist nur unter Inkaufnahme von Genauigkeitseinbußen hermetisch abkapseln lassen, werden die Biegemeßfedern entsprechend einem weiteren Untergedanken vorteilhaft in an sich bekannter Weise als Hohlkörper ausgebildet und die mindestens 4 DMS auf dessen Innenwandungen appliziert. Für diese Ausführungsvariante eignet sich besonders das in Bild 6 wiedergegebene Scherspannungsprinzip.

Der Innenraum des Hohlkörpers kann dann durch metallische Verschraubungselemente V1 und V2, die vorteilhaft eingeschmolzene Elektrodendurchführungen DE aufweisen, verschlossen werden, so daß die DMS und ihre Brückenverdrahtung auf diese Weise hermetisch gegen die Außenatmosphäre abgekapselt werden können.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß die Meßfedern entsprechend Anspruch 1 in hervorragendem Maße dafür geeignet sind, durch bolzenförmige Überlastsicherungen ÜS in allen drei Raumrichtungen gegen Überlastungen sowohl durch unzulässige positive als auch negative Kraft- und Drehmoment- Einwirkungen geschützt zu werden.

Derartige bolzenförmige Überlastsicherungen werden in einer besonderen Schutzrechtsanmeldung (als gesonderte Erfindungsbeschreibung beigefügt) beschrieben. Sie bestehen aus Paßstiften PS, deren Durchmesser am freien Ende z. B. auf einer Rundschleifmaschine hochpräzise gerade um den Betrag des zulässigen Meßweges ≙zul der Meßfeder vermindert wurde und die in eine gemeinsam gebohrte und gemeinsam ausgeriebene Preßpaßbohrung PB eingepreßt werden, die sich jeweils sowohl über die widerlagerseitigen als auch die lasteinleitungsseitigen Lastwinkel LW&min;1 und LW1 bzw. LW&min;2 und LW2 erstreckt.

Das gemeinsame Merkmal der erfindungsgemäßen Meßfederausführungen besteht darin, daß sie in Meßkraftrichtung Bauhöhen Hw aufweisen können, die nur geringfügig größer sein müssen als die Höhe h in der reinen Biegemeßfeder, die man aus Festigkeitsgründen in Funktion von der Höchstkraft dimensionieren muß. Hw ist somit wesentlich niedriger als die Bauhöhe vergleichbarer Meßfedern der bekannten Bauformen.

Das besondere Merkmal der Ausführungsvariante nach Bild 6 besteht zusätzlich darin, daß durch die Verwendung eines Hohlkörperprofiles der Biegemeßfeder B bei vorgegebener Höchstkraft des Aufnehmers eine maximale Torsionssteifigkeit um die x-Achse gegeben werden kann.

Bei sorgfältigem Applizieren der DMS und präziser mechanischer Fertigung können auf diese Weise relativ große Exzentrizitäten für den Angriff der Meßkraft sowohl in x- als auch in y-Richtung zugelassen werden, ohne daß größere Signalfehler in Kauf zu nehmen sind, da diese a priore nur Fehler höherer Ordnung sind.

Erfindungsansprüche
  • 1. Federkörper für die Herstellung von Kraftaufnehmern und Wägezellen, vorzugsweise nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeitend und entweder auf dem Abgriff von Biege- oder von Scherdehnungen beruhend, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkörper als Meßfeder einen Biegebalken aufweist, der an seinen Enden jeweils in Lasteinleitungswinkel LW und Lastausleitungswinkel LW&min; übergeht, wobei letztere jeweils als ein Paar spiegelbildlich zur Längsachse des Biegebalkens geformter Teilwinkelelemente LW1/LW2 sowie LW&min;1/LW&min;2 ausgebildet und außerdem diese Teilwinkelelemente ineinander geschachelt in einer Ebene senkrecht zur Meßkraftrichtung angeordnet sind.
  • 2. Federkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser lediglich durch Begrenzungsschlitze BS und Trennschlitze TS aus einem ebenen Halbfertigteil (Blech) monolithisch (aus einem Stück) herausgearbeitet wird.
  • 3. Federkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfederkraft F durch ein Kraftteilerelement LE in zwei etwa gleichgroße Teilkräfte F1 und F2(F1F2 = F/2) aufgeteilt wird und diese Teilkräfte symmetrisch zur Längsachse der Biegefeder in den Federkörper ein- und widerlagerseitig ausgeleitet werden, wobei Ein- und Ausleitung vorzugsweise in der zur Längsachse senkrechten Symmetrieebene der Biegefeder B erfolgt.
  • 4. Federkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftein- und/oder -ausleitung über Ausbrüche AB1- AB4 in den Lastwinkeln LW/LW&min; in der Ebene erfolgt, die durch die neutralen Fasern der Biegefeder B festgelegt ist.
  • 5. Federkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Biegemeßfeder ein Hohlkörper verwendet wird und die DMS auf den Innenwandungen dieses Hohlkörpers appliziert werden.
  • 6. Federkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum der Hohlkörperbiegefeder beidseitig durch vorzugsweise metallische Verschlußstopfen VS hermetisch gegen die Außenatmosphäre abgeschlossen ist und die Elektrodenzuführung zu den DMS vorzugsweise über in diese Verschlußstopfen eingeschmolzenen Glasdurchführungen erfolgt.
  • 7. Federkörper nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dreidimensional wirkende Sicherung gegen unzulässige Überlastungen durch Kräfte und Drehmomente mit Hilfe von Paßstiften erfolgt, die in konzentrischen Paßbohrungen jeweils durch benachbarte Lastwinkelelemente LW1/LW&min;1 bzw. LW2/LW&min;2 verlaufen und die in jeweils einem dieser Lastwinkelelemente einen Paßsitz und in dem anderen Winkel ein Spiel aufweisen, das dem jeweils bis zur Überlastung zulässigen Federweg entspricht.

Anspruch[de]
  1. 1. Federkörper für Kraftmeßdosen, Wägezellen und ähnliche Kraftaufnehmer, die vorzugsweise nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeiten und entweder auf dem Abgriff von Biege- oder von Scherdrehungen beruhen, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkörper als Meßfeder einen Biegebalken (B) aufweist, der an seinen Enden jeweils in Lasteinleitungswinkel (LW) und Lastausleitungswinkel (LW&min;) übergeht, wobei letztere jeweils als ein Paar spiegelbildlich zur Längsachse des Biegebalkens (B) geformter Teilwinkelelemente (LW1; LW2) sowie (LW&min;1; LW&min;2) ausgebildet und außerdem diese Teilwinkelelemente ineinander geschachtelt in einer Ebene senkrecht zur Meßkraftrichtung angeordnet sind.
  2. 2. Federkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser lediglich durch Begrenzungsschlitze (BS) und Trennschlitze (TS) aus einem ebenen Halbfertigteil (Blech) monolithisch (aus einem Stück) herausgearbeitet ist.
  3. 3. Federkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraftfeder (F) durch ein Kraftteilerelement (LE) in zwei etwa gleich große Teilkräfte (F1; F2) aufgeteilt wird und diese Teilkräfte symmetrisch zur Längsachse des Biegebalkens (B) in den Federkörper ein- und widerlagerseitig ausgeleitet werden, wobei Ein- und Ausleitung vorzugsweise in der zur Längsachse senkrechten Symmetrieebene des Biegebalkens (B) erfolgt.
  4. 4. Federkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftein- und/oder -ausleitung über Ausbrüche (AB1-AB4) in den Lastwinkeln (LW; LW&min;) in derjenigen Ebene erfolgt, die durch die neutralen Fasern (N) des Biegebalkens (B) festgelegt ist.
  5. 5. Federkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Biegebalken (B) ein Hohlkörper verwendet wird und auf den Innenwandungen dieses Hohlkörpers Dehnungsmeßstreifen (DMS) appliziert sind.
  6. 6. Federkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum des Hohlkörpers beidseitig durch vorzugsweise metallische Verschlußstopfen (VS) hermetisch gegen die Außenatmosphäre abgeschlossen ist und die Elektrodenzuführung zu den DMS vorzugsweise über in diese Verschlußstopfen eingeschmolzene Glasdurchführungen erfolgt.
  7. 7. Federkörper nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dreidimensional wirkende Sicherung gegen unzulässige Überlastungen durch Kräfte und Drehmomente mit Hilfe von Paßstiften erfolgt, die in konzentrischen Paßbohrungen jeweils durch benachbarte Lastwinkelelemente (LW1; LW&min;1 bzw. LW2; LW&min;2) verlaufen und die in jeweils einem dieser Lastwinkelelemente einen Preßsitz und in dem anderen Winkel ein Spiel aufweisen, das dem jeweils bis zur Überlastung zulässigen Federweg entspricht.






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