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Kraftmesseinrichtung mit einem Biegebalken
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung mit einem Biegebalken, welcher an einem Ende befestigt ist und dessen anderer Endteil steif und hakenförmig umgebogen ist und über dem Mittelteil des Balkens liegt, einem an diesem starren Endteil angreifenden Kraftübertragungsglied, welches längs einer quer zum Balkenmittelteil verlaufenden Linie eine Kraft ausübt, und mit mindestens einem mit dem Balken im Bereich einer halsartigen Verengung verbundenen Dehnungsmesselement.
Bei bekannten Messeinrichtungen dieser Art wird als nachteilig empfunden, dass entweder die Herstellung kompliziert und teuer ist oder zufolge der Anordnung des Biegebalkens Verfälschungen des Messergebnisses auftreten können, die durch Momente verursacht werden.
Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile dieser bekannten Kraftmesseinrichtungen zu vermeiden, und erreicht dies erfindungsgemäss dadurch, dass die besagte Linie durch die halsartige Verengung verläuft und der Balken als Auslegerbalken nur an dem einen Ende befestigt ist.
Durch Verwendung eines Auslegerbalkens wird eine relativ billig herstellbare Kraftmesseinrichtung erhalten. Da die zu messende Kraft längs einer durch die halsartige Verengung verlaufenden Linie einwirkt, werden im Balkenmittelteil auf der einen Seite der halsartigen Verengung nur Druckspannungen und auf der andern Seite nur Zugspannungen auftreten. Wirkt die zu messende Kraft im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Balkenmittelteiles, wie dies bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Fall ist, treten keine Biegemomente auf, so dass das Messergebnis durch Querkräfte nicht verfälscht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sämtliche Dehnungsmesselemente auf einer Seite des Balkens angeordnet werden können. Bei Verwendung einer Wheatstone-Brücke als Messwandler werden je zwei Messelemente, wie etwa Dehnungsmessstreifen, zu beiden Seiten der halsartigen Verengung aufgebracht, wobei jeder Dehnungsmessstreifen einem Brückenarm als aktives Element zugeordnet ist. Bei Einwirken einer Kraft verändern die Dehnungsmessstreifen ihren Widerstand, wobei zwei von ihnen ihren Widerstand vergrössern und die beiden andern ihren Widerstand um einen gleichen Betrag vermindern. Es ist daher sehr leicht, aus der Verstimmung der Messbrücke die Messgrösse zu ermitteln.
Vorzugsweise ist der Balkenmittelteil so ausgeführt, dass er die Form von zwei divergierenden keilförmigen Abschnitten besitzt, deren geringster Querschnitt die halsartige Verengung bildet, wobei die Dehnungsmesseinrichtung in unmittelbarer Nähe der halsartigen Verengung angeordnet ist, wodurch die Empfindlichkeit erheblich vergrössert wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die symmetrische Anordnung der zu beiden Seiten der halsartigen Verengung liegenden Balkenabschnitte hinsichtlich des Kraftübertragungsgliedes eine sehr kompakte Messeinrichtung erhalten wird.
Durch ein der zu messenden Kraft entgegenwirkendes Federelement, etwa eine Membran oder einen Balg, ist es leicht möglich, den Messbereich der Kraftmesseinrichtung zu vergrössern. Dies kann jedoch auch durch eine entsprechende Vergrösserung der Abstände zwischen den auf der Balkenfläche angeordneten Dehnungsmesselementen erfolgen.
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Die Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt ; Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 der Fig. l ; Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 1 und die Fig. 4, 5 und 6 eine teilweise geschnittene Ansicht anderer Ausführungsformen der Erfindung.
In den Fig. 1, 2 und 3 trägt ein feststehender Befestigungsteil-l-eine mit diesem eine Einheit bildende starre Plattform-2--. An die Plattform --2-- schliesst sich ein mit dieser aus einem Stück bestehender Auslegebalken-3-an. Der Balken --3-- besteht aus einem annähernd parallel zum Befestigungsteil --1-- verlaufenden Mittelteil --4,4'--, welcher über einen hakenförmigen Abschnitt --6-- in einen'über dem Balkenmittelteil liegenden Endteil --7-- übergegt, Der Befestigungsteil-l-, die Plattform --2-- und die einzelnen Abschnitte des Balkens bestehen aus einem Stück.
Der Mittelteil des Balkens besteht aus zwei sich keilförmig zu einer halsartigen Verengung --5-- verjüngenden Abschnitten --4,4'-- welche an den Fusspunkten --4a und 4a'--in den einen Endteil bzw. in den hakenförmigen Abschnitt--6--übergehen. Der andere Endteil-7-ist mit einer als Kraftübertragungsglied wirkenden Stange --8-- verbunden. Die Stange --8-- ist durch eine Bohrung im Befestigungsteil-l-geführt, m welchem ein durch eine Mutter --22-- in seiner Lage gehaltener anschlagteil --21-- eingeschraubt ist.
Die Stange --8-- ist mit einem Ansatz --9-- an einer Membran --10-- befestigt. Die Verlängerung der Achse der Stange-8-verläuft durch die halsartige Verengung --5-- des aus den beiden keilförmigen Abschnitten-4 und 4'-gebildeten Balkenmittelteiles. Die Membran ist am Umfang --11-- starr mit dem Befestigungsteil - verbunden. Der Ansatz --9-- ist vom Ende des Anschlagteils --21-- im Abstand angeordnet, wie dies durch das Spiel --23-- angedeutet ist, welches gleich ist den zulässigen
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--9-- ist- 15-führt durch eine geeignete Bohrung in einer Deckplatte--13-.
Ein Anschlagteil-14in der Bohrung der Platte --13-- sieht ebenfalls ein Spiel --24-- von derselben axialen Erstreckung wie das Spiel --23-- vor.
An der Rückseite des Balkenmittelteiles sind zu beiden Seiten der halsartigen Verengung-5vier Dehnungsmesselemente angeordnet. Es handelt sich dabei beispielsweise um zwei Paare von Dehnungsmessstreifen --16 und 16'bzw. 17 und 17'--, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Messstreifen - 16 und 16'bzw. 17 und 17'-- sind zu beiden Seiten der Verengung --5-- symmetrisch und im gleichen Abstand am Balkenmittelteil befestigt. Die Messstreifen sind über Drähte (nicht gezeigt) mit Isolierklemmen --19-- verbunden, welche in einem Teil --18-- des den Balken umgebenden Gehäuses angeordnet sind. Die Klemmen --19-- sind dann elektrisch mit einer Messvorrichtung verbunden.
Die Achsen der Stangen-15 und 8-- verlaufen durch die Verengung --5-- und liegen senkrecht zum Balkenmittelteil. Die keilförmigen Abschnitte-4 und 4'-- zu beiden Seiten der Verengung --5-- werden bei Anliegen einer Kraft an der Stange --15-- abgelenkt. Die Verengung --5-- besitzt die halbe Dicke des Balkenabschnittes an den Fusspunkten --4a und 4a'--. Die keilförmigen Abschnitte-4 und 4'-weisen dieselbe Breite, Länge und Winkellage auf. Die Teile des Balkens zwischen dem Fusspunkt --4a'-- und der Stange --8-- sind starr, verglichen mit den Biegeabschnitten bei --4' und 4--. Die Abschnitte--1, 2, 3, 4, 6 und 7-- können in einem Stück oder aus mehreren Teilen, etwa durch Verschweissen oder durch eine andere starre Verbindung, hergestellt werden.
Es ist jedoch vorteilhaft, die Abschnitte --4' und 4-- aus einem Metallstück von entsprechenden Eigenschaften zu erzeugen, selbst dann, wenn der gesamte Aufbau durch Verschweissen hergestellt wird.
Die keilförmigen Abschnitte-4 und 4'-sind symmetrisch zur Achse der Stange --8-- und
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räumlichen Abmessungen der Messeinrichtung relativ klein gehalten werden können.
In der in Fig. l gezeigten Ausführungsform handelt es sich um ein Dynamometer. Die Stange --15-- kann an jede beliebige Kraftquelle angeschlossen werden, welche von der zu messenden Grösse abhängig ist und eine Verstellung der Stange --15-- bewirkt.
Wirkt auf die Stange --8-- keine Kraft ein, treten in den Abschnitten-4 und 4'-keine Spannungen auf. Unter der Annahme einer Verschiebung der mit dem Endteil-7-des Balkens verbundenen Stange --8-- nach links wird diese Verschiebung der Stange --8-- beim Fusspunkt --4a'-- auf die keilförmigen Abschnitte-4 und 4'-übertragen. Dabei werden auf das Ende der Stange-8-im Verbindungsbereich mit dem Endteil-7-keine senkrecht zur Achse der Stange
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- 8-- gerichteten Kräfte ausgeübt. Es wird daher kein Biegemoment vom Balken auf die Stange - übertragen, weshalb die Stange keine axiale Führung benötigt. Verfälschungen der Messergebnisse auf Grund von Querkräften treten dadurch nicht auf.
Die Oberfläche des keilförmigen Abschnittes --4'-- wird auf Zug und die Oberfläche des keilförmigen Abschnittes --4-- auf Druck
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--5-- auftritt.- 16 und 16'--abnimmt. Bilden die Messstreifen aktive Elemente einer Wheatstone-Brücke, so kann aus der Verstimmung der Brücke die Grösse der stattgefundenen Verschiebung der Stange --8-- bzw. der auf sie einwirkenden Kraft ermittelt werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen von erfindungsgemässen Druckmesseinrichtungen. Die gewellte Membran --10-- in Fig. 4 ist ein Kraftkollektor, welcher auf den auf den Druckadapter --25-- ausgeübten Druck anspricht. Bei der Ausführungsform gemäss der Fig. 5 ist die Stange-8- an einer Membran --28-- befestigt, welche mit einem Membranring--27-eine Einheit bildet.
Zwischen der Membran --28-- und dem Anschlagteil --21-- ist ein Spiel --29-- vorgesehen.
Alle andern Teile der Kraftmesseinrichtung haben denselben Aufbau wie die mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Teile in Fig. 1.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau ist im wesentlichen derselbe wie in den Fig. 1 bis 5, jedoch mit der Ausnahme, dass an Stelle der Stange-8-, der Stange --15-- und der Membran --10-- ein Tragbolzen --101-- in einer Öffnung im Endteil-7des Balkens --3-- angeordnet ist, wobei die Achse des Bolzens--101--senkrecht zur Mittelebene des Balkenmittelteils-4, 4'-- liegt und sich durch die halsartige Verengung --5-- erstreckt. Eine Kette --102-- oder ein anderes flexibles Glied ist mit dem Tragbolzen --101-- verbunden und ein Gewicht --103-- an die Kette-102-angehängt.
Die angreifende Kraft verläuft in Richtung der Kette und in Richtung der Achse des Tragbolzens --101-- und der Bohrung, in welcher der Bolzen angeordnet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kraftmesseinrichtung mit einem Biegebalken, welcher an einem Ende befestigt ist und dessen anderer Endteil steif und hakenförmig umgebogen ist und über dem Mittelteil des Balkens liegt, einem an diesem starren Endteil angreifenden Kraftübertragungsglied, welches längs einer quer zum Balkenmittelteil verlaufenden Linie eine Kraft ausübt, und mit mindestens einem mit dem Balken im
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