DE1648692B1

DE1648692B1 - Vorrichtung zum messen von kraeften

Info

Publication number: DE1648692B1
Application number: DE19671648692
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl-Phys Dehnert; Hermann Steiert
Original assignee: Hugo Sachs Elektronik KG
Current assignee: Hugo Sachs Elektronik KG
Priority date: 1967-06-05
Filing date: 1967-06-05
Publication date: 1971-03-18
Also published as: AT283012B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kräften unter Verwendung eines ersten einseitig eingespannten Biegestabes mit einem elektrischen Wegaufnehmer zur Messung seiner Durchbiegung und eines zweiten dazu parallelen, ebenfalls einseitig eingespannten Biegestabes, wobei beide Biegestäbe über ihre freien Enden mechanisch miteinander verbunden sind.
Es sind bereits Vorrichtungen zum Messen von Kräften unter Verwendung eines einseitig eingespannten Biegestabes bekannt, wobei die am freien Ende des Stabes wirkende Kraft zu einer Durchbiegung des Stabes führt, dessen Durchbiegung über Dehnungsmeßstreifen abgenommen wird. Das Maß der Durchbiegung entspricht der auf den Stab wirkenden Kraft.
Mit einer solchen Vorrichtung kann nur ein Meßbereich erfaßt werden, der bestimmt ist durch die Abmessung des Stabes und die maximal zulässige Durchbiegung bzw. Ausschlag. Um mehrere Meßbereiche erfassen zu können, wurde bei einem Meßwertgeber dieser Art bereits venvirklicht, daß am freien Ende des Stabes einander gegenüberliegende Wendelfedern angeordnet sind, durch die es möglich wird, mit dem gleichen Biegestab höhere Kräfte zu messen. Der jeweilige Meßbereich ist dann bestimmt durch die Stärke dieser Zusatzfedern.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß für jeden Meßbereich die Zusatzfedern ausgetauscht werden müssen. Außerdem können die Meßbereiche nicht stufenlos eingestellt werden. Es treten Meßfehler auf, wenn die beiden Zusatzfedern nicht genau die gleichen Kennwerte aufweisen.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art trägt ein erster der Feinmessung dienender Biegestab einen Dehnmeßstreifen zur Messung seiner Durchbiegung. Der zweite Biegestab, an dem die zu messende Kraft angreift, muß bis zu einer vorgegebenen Kraft belastet werden, bis er mit dem ersten Biegestab in Kontakt tritt und eine Messung vorgenommen werden kann. Es ist also ein erster Lastbereich, in dem nur der zweite Biegestab zur Wirkung kommt, und ein sich daran anschließender zweiter Lastbereich vorhanden, bei dem eine Kraftmessung erfolgt. Eine stufenlose Einstellung des Meßbereichs ist nicht möglich, d. h., es können nur Kräfte von einer bestimmten Mindestkraft bis zu einer Maximalkraft erfaßt werden.
Bei einer anderen Vorrichtung zur Ermittlung des Spannungsdehnungszusammenhangs bei einem Faden ist der Faden zwischen zwei einseitig eingespannten Biegestäben gespannt, von denen einer durch ein Gewicht belastet wird. Der eine Biegestab dient hierbei der Messung der am Faden angreifenden Kraft und der andere, an welchem das Gewicht angreift, der Messung der durch die Kraft bewirkten Längung des Fadens. Auch hier ist eine stufenlose Einstellung des Kraftmeßbereiches nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese vorgenannten Nachteile zu beseitigen. Insbesondere sollen die Meßbereiche stufenlos eingestellt werden können, wobei weiterhin die Forderung besteht, daß in allen Meßbereichen bei der jeweiligen Maximalkraft die Krümmung des den Wegaufnehmer tragenden Biegestabs stets die gleiche ist.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einspannstelle des zweiten Biegestabes in an sich bekannter Weise stufenlos in Längsrichtung des Stabes veränderbar ist und die beiden freien Enden der Stäbe mit einem sie verbindenden Querstab verbunden sind.
Bei einem einseitig eingespannten Biegestab ist es an sich bekannt, zum Zwecke der Veränderung des Meßbereichs die Einspannstelle stufenlos zu verändern. Hierbei läßt sich jedoch nicht verwirklichen, daß in allen Meßbereichen bei der jeweiligen Maximalkraft die Krümmung des Stabes stets die gleiche ist, so daß bei einer Abnahme mittels Dehnmeßstreifen für jeden Meßbereich eine andere Kennlinie gültig wäre.
Die variable Einspannstelle bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung des zweiten Biegestabes wird vorzugsweise durch längsverschiebbare Klemmbacken gebildet. Der zweite Biegestab besteht hierbei vorzugsweise aus einem Federblatt, dessen Breite über seine Länge veränderlich ist. Auf diese Weise ist es möglich, der Meßbereichsskala die gewünschte Einteilung zu geben. So kann beispielsweise die Meßbereichsskala im Bereich kleiner Kräfte stark gedehnt werden. Es ist jedoch auch möglich, der Skala durch entsprechende Formgebung des Federblattes einen linearen Verlauf zu geben. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, dem Federblatt die Form eines Rhombus zu geben. Damit die Bereichswerte im Bereich hoher Kräfte nicht zu nahe beieinanderliegen, ist es möglich, die das freie Ende des rhombischen Federblattes bildenden Seiten konkav zu krümmen, vorzugsweise nach einer Parabelfunktion.
Die freien Enden der Biegestäbe sind über einen Querstab miteinander verbunden. Hierbei ist zu beachten, daß die Verbindungsstellen spielfreie Gelenke darstellen. Bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen kann der erste Biegestab einen den Biegebereich darstellenden geschwächten Querschnitt aufweisen, an dem die Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind, während der übrige Teil des Stabes gegen Biegung starr ausgebildet ist.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
F i g. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht den Aufbau der Meßvorrichtung; F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele des zweiten Biegestabes und der Meßbereichseinteilung.
In F i g. 1 ist Teil 1 der erste Biegestab, der bei 3 einseitig eingespannt ist. An seinem freien Ende trägt er eine Einhängevorrichtung 5. Parallel zu diesem ersten Biegestab ist ein zweiter Biegestab 2 angeordnet, dessen Einspannstelle durch die Klemmbacken 8 gebildet wird. Die freien Enden der beiden Biegestäbe sind über einen Querstab 7 miteinander verbunden.
Die Gelenke 9 dieser Verbindungsstellen müssen spielfrei ausgeführt sein. Die Angriffsrichtung der zu messenden Kräfte ist durch die Pfeile 6 dargestellt.
Die Klemmbacken 8 sind in Längsrichtung des Biegestabes 2 verstellbar. Entsprechend der geklemmten Stellung ist die zu messende Maximalkraft bestimmt. Der Aufbau sollte so ausgeführt sein, daß die Durchbiegung des Gebildes 1, 2 in erster Linie bestimmt ist durch den Biegestab 2. Der Anteil des Biegestabes 1 am Gesamtbiegeträgheitsmoment ist also auch bei der Messung kleiner Kräfte geringer als der Anteil des Biegestabes 2. Der Biegestab 1 weist einen geschwächten Querschnitt 10 auf, welcher den Biegebereich darstellt, und an dem die Dehnungsmeßstreifen 4 aufgeklebt sind. Der übrige Teil des Biegestabes 1 ist durch Sickenl2 oder durch Umbiegen seiner Ränder 11 versteift und so gegen Biegung starr ausgebildet.
Durch geeignete Wahl des Biege-Trägheitsmomentes des Biegestabes 2 kann die Einteilung der Meßbereiche entsprechend gewählt werden. Durch eine Einstellmarke an den Klemmbacken kann der eingestellte Meßbereich an einer Skala 9 abgelesen werden. Bei der Verwendung eines Federblattes als Biegestab kann das Federblatt die Form eines Rhombus aufweisen, wodurch sich etwa eine Skaleneinteilung ergibt, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist. Eine Spreizung der Skala im Bereich der hohen Meßwerte läßt sich erreichen, wenn die das freie Ende des rhombischen Federblattes bildenden Seiten konkav gekrümmt sind, wie dies die Form III in F i g. 3 zeigt.
Die Meßwertsbereiche im Bereich hoher Meßwerte liegen um so enger beieinander, je mehr sich das freie Ende einer Rechtecksform annähert. In jedem Fall sollte das Federblatt 2 sich in Richtung auf die Einspannstelle im Gehäuse zu verjüngen, damit die Skala im Bereich kleiner Meßwerte nicht zu stark gedehnt wird.
Zur Festlegung der Skala bedient man sich der Durchbiegeformel für den einseitig eingespannten Träger. Diese lautet fma. r = PmaX I. 3/3 EJ.
Falls der Träger Rechtecksform aufweist, verläuft die Skala nach der Formel PP = const.
Die Form dieses Trägers ist in Fig.3 mit I bezeichnet und der Skalenverlauf inF i g. 2 ebenfalls mit I.
Falls ein dreiecksförmiger Träger verwendet wird, folgt die Skala der Formel pl2 = const.
In F i g. 2 und 3 ist dies mit II bezeichnet.
Für die Skala gilt allgemein Pl3/J= const., wobei bei veränderlichem Querschnitt J=J(b)=J(i) ist.
Für die Arbeitsweise erweist es sich als vorteilhaft, wenn das die Meßvorrichtung aufnehmende Gehäuse gleichzeitig die Abgleichelemente für den elektrischen Nullpunkt des Meßwertgebers enthält. rBei einer praktisch ausgeführten Vorrichtung der vorgenannten Art kann ohne weiteres ein kontinuierlicher Verstellbereich von etwa 1 : 100 erfaßt werden. Die zu messenden Kräfte werden wegarm erfaßt, d. h., die Durchbiegung beträgt bei jedem Meßbereich etwa + 2 mm bei jeweils maximaler Belastung in diesem Bereich.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen von Kräften unter Verwendung eines ersten, einseitig eingespannten Biegestabes mit einem elektrischen Wegaufnehmer zur Messung seiner Durchbiegung und eines zweiten dazu parallelen, ebenfalls einseitig eingespannten Biegestabes, wobei beide Biegestäbe über ihre freien Enden mechanisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichn e t, daß die Einspannstelle des zweiten Biegestabes (2) in an sich bekannter Weise stufenlos in Längsrichtung des Stabes veränderbar ist und die beiden freien Enden der Stäbe (1, 2) über spielfreie Gelenke (9) mit einem sie verbindenden Querstab (7) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einspannstelle des zweiten Biegestabes (2) längsverschiebbare Klemmbacken (8) dienen, die mit der Einspannstelle (3) des ersten Biegestabes (1) starr verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Biegestab (2) ein über seine Länge veränderliches Biege-Trägheitsmoment aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Biegestab (2) ein Federblatt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Federblattes (2) über seine Länge veränderlich ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federblatt (2) die Form eines Rhombus aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das freie Ende des rhombischen Federblattes bildenden Seiten konkav gekrümmt sind, vorzugsweise nach einer Parabelfunktion.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Wegaufnehmer ein Dehnmeßstreifen (4) dient.
9 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegänderung des ersten Biegestabes (1) induktiv oder kapazitiv abgetastet wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Biegestab (1) einen den Biegebereich darstellenden geschwächten Querschnitt aufweist, an dem die Dehnungsmeßstreifen (4) angeordnet sind, während der übrige Teil des Stabes gegen Biegung starr ausgebildet ist.