Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Massen- und Kraftmessgeräte mit elastischer Kraftuntersetzung über zwei parallelgeschaltete, elasti- sehe Kraftübertragungsketten, gegliedert in Primär- und Sekundärfeder. Geräte dieser Gattung sind bekannt, so beispielsweise aus den EP-Bl 16 238, EP-Bl 25 807 und dem DE Gb . G 86 33 612.6. Bei den bekannten Gerä¬ ten wird die zu messende Gesamtkraft verteilt auf zwei parallelgeschal¬ tete Federn. Diese Parallelschaltung besteht aus der Hauptfeder, die im Regelfall den grössten Teil der Eingangskraft F.* direkt an das Gestell des Gerätes ableitet (Primärfeder) und einer Nebenfeder. In Serie zur Nebenfeder ist der Kraftaufnehmer eingebaut, der - als Messwandler - die auf ihn einwirkende Kraft in eine elektrische Grosse umsetzt. Da alle bekannten Messwandler eine bestimmte elastische Nachgiebigkeit aufwei- sen, ist auch der Kraftaufnehmer als Feder aufzufassen, die also in Serie zur Nebenfeder geschaltet ist. Nebenfeder und Kraftaufnehmer bil¬ den so zusammen die Sekundärfeder.

Im einfachsten Fall weisen Primär- und Sekundärfeder gemeinsame An¬ schlüsse auf, so dass die Eingangskraft F-j bei beiden zur gleichen Ein- federung führt. Die Eingangskraft verteilt sich auf die beiden Federn nach Massgabe von deren Härten. Sind k,* die Härten der beiden Federn, c*

1 die Nachgiebigkeiten (c = r—) und F ₀ der auf den Kraftaufnehmer wirken¬ de Kraftanteil, so gilt für das Untersetzungsverhältnis jJ:

Bezeichnet man ferner die Nachgiebigkeit der Nebenfeder mit C2* _| und jene des Kraftaufnehmers (Messfeder) mit C 2 _» so ist auch

U = - (2) c ^* | + C2i + C 2

In aufwendigeren Konstruktionen sind die Anschlüsse von Primär- und Se¬ kundärfeder getrennt ausgeführt, jedoch so miteinander gekoppelt, dass die beiden Einfederungen zueinander proportional sind. Reduziert man rechnerisch alle Nachgiebigkeiten und Kräfte auf gemeinsame Anschlüsse,

so gelten Gl . (1) und (2) nach wie vor.

Alle in den Gl . (1) und (2) enthaltenen Nachgiebigkeiten sind nach dem

Hookeschen Gesetz Konstanten, sofern ihre Temperaturabhängigkeit ausser

Betracht bleibt. Tatsächlich ist das Hookesche Gesetz mit _λ ,

-~ = c = const

C41 ist die Verlängerung oder Einfederung eines elastischen Körpers, _4F die dazu aufgebrachte Kraft) lediglich eine gute Näherung. Abweichungen von dieser Näherung sind mehrere bekannt; eine davon ist beispielsweise die verzögerte Elastizität des Federmaterials, die zu einer zeitabhängi¬ gen, verzögerten Einfederung des daraus gefertigten Federkörpers führt. Diese Erscheinung wird "Kriechen" (eng!, creep) genannt und ist in der Literatur beschrieben (so beispielsweise bei A.S. Nowick, B.S. Berry: Anelastic Relaxion in Crystalline Solids, Academic Press, New York und London, 1972).

Nennt man das Verhältnis von zeitabhängiger und zeitunabhängiger Nach¬ giebigkeit "relatives Kriechen" (dimensionslose Zahl), so ist diese Grosse materialabhängig und für ein bestimmtes Material abhängig sowohl von seiner Temperatur, als auch von der Art der Beanspruchung, also un- terschiedlich bei Zug/Druck-Spannung einerseits und Schubspannung ande¬ rerseits. Im Temperaturbereich von 0°C bis 40°C wurden Werte des relati¬ ven Kriechens einzelner Materialien von über 1/1000 gemessen. Da die Erscheinung des Kriechens die Genauigkeit von Massen- und Kraft¬ messern beeinträchtigt, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen zur Kompensation und/oder Reduktion des Einflusses der Kriecherscheinungen auf die Wäge- und Messresultate, so z.B. in der CH-A5 656 225. Die darin aufgezeigte Lösung vermag nicht allgemein zu befriedigen. Einerseits liegt dort die Lösung darin, alle Biegestellen aus dem gleichen Material zu fertigen, anderseits soll die Biegespannungsänderung überall gleich sein. Die Gleichheit der Materialien kann ohnehin kaum erfüllt werden, da das Messyste in der Regel nicht aus dem gleichen Material gefertigt ist, wie die Biegefedern des Kraftteilers. Ferner wird bei der vorge¬ schlagenen Lösung davon ausgegangen, dass der Kriecheffekt unlinear mit der Biegespannung verläuft, was innerhalb der vorgesehenen Beanspru- chungsgrenzen nicht notwendigerweise der Fall ist.

Die mit der vorliegenden Erfindung zu lösende Aufgabe besteht in der Schaffung eines Massen- oder Kraftmessers mit elastischer Untersetzung, bei dem die Kriecheigenschaften der einzelnen Bauteile so aufeinander abgestimmt sind, dass das Kriechen insgesamt kompensiert oder mindestens stark reduziert ist.

Die Lösung der vorstehenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 wiedergege¬ ben.

Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend in allgemeiner Weise und anhand der beigefügten Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen näher er- läutert.

Es zeigen dabei

Fig. la,b ein erstes Ausführungsbeispiel in Aufriss und Grundriss,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel an einer bekannten Vorrichtung,

Fig. 4 ein Detail von Fig. 3, Fig. 5 eine Variante zu Fig 4,

Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel an einer bekannten Vorrichtung, Fig. 7 eine Variante zu Fig. 6.

Betrachtet man die Gl(2), so ist leicht zu erkennen, dass das Unterset¬ zungsverhältnis _U und somit das Messresultat des Massen- oder Kraftmes¬ sers nicht im gleichen Ausmasse zu kriechen braucht, wie die einzelnen Federn des Kraftteilers. Sind alle beteiligten Federn gleich hinsicht¬ lich Betrag und Zeitkonstante des relativen Kriechens, so ist JJ konstant und von Kriechen nicht behaftet. Da der Kraftaufnehmer Teil ist der, Se¬ kundärfeder, gehen mit Sicherheit verschiedene Materialien mit ihren Nachgiebigkeiten und ihren Kriecheigenschaften in JJ ein. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich daher dadurch aus, dass auch unter diesen Vor¬ aussetzungen das "Kriechen" des Resultates stark reduziert, wenn nicht völlig kompensiert werden kann.

Die folgenden Gleichungen wollen den Erfindungsgedanken plausibilisie- ren:

Jede der beteiligten Nachgiebigkeiten kann dargestellt werden durch ei ^¬ nen konstanten und einen zeitabhängigen Teil: ^c j = ^c jo + Cj(t), (3) oder mit dem relativen Kriechen als

e- flÜi (4)

Cjo

^C = ^C o ( l+ «j) (5 )

Dies i n Gl . ( 1 ) eingesetzt, ergibt

und unter Berücksichtigung von Gl . (2):

- - = ^c 2 21100 - ε. -i +. _ ^c _ ₂ 2__22__0 r~n ^~ 2

C20 ^ά 21 2 (7) ^l C20 Setzt man ferner

U ₀ = ^C1 ° (8) o cio + 0 so erhält Gl (6) unter der Voraussetzung, die hier ohnehin zu gelten hat, dass t<_C 1,die Form

Da für die unter den Oberbegriff fal lenden Massen- und Kraftmesser gene¬ rel l o $:C2θ gilt, darf Gl (9) mit guter Näherung geschrieben werden zu U = U ₀ jj + ( ε-, - ε ₂ )] ( 10 )

Da die ε.* der verschiedenen, in Betracht fallenden, Materialien je nach Beanspruchungstyp (Zug/Druck-Beanspruchung (σ) oder Schubbeanspruchung (τ) unterschiedlich sind, besteht der in den Ausführungsbeispielen rea¬ lisierte Erfindungsgedanke darin, dass mindestens ein Teil einer der Federn (Haupt-, Neben-, Messfeder) als Torsionsfeder ausgebildet und beansprucht ist. Damit gelingt es, die Differenz ~ ] - £2 in weiten Gren¬ zen zu variieren, d.h. t - - £2-50 zu machen, was auch den Fall '] - ^~ 2= 0 einschliesst. In Fig. 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel im Aufriss dargestellt. Ein starres Gestell 1 trägt an seinem linken Ende einen mit ihm fest

verbundenen elastischen Arm 2. Dieser ist gegliedert in einen im wesent¬ lichen parallelepipedischen Abschnitt 3, der direkt mit dem Gestell 1 verbunden ist, und einen - ebenfalls im wesentlichen parallelepipedi¬ schen - Abschnitt 4, der an den Abschnitt 3 anschliesst. Der Abschnitt 4 ist wesentlich dünner als der Abschnitt 3. An seinem rechten Ende trägt der Abschnitt 3 eine Bohrung 5,in die ein Befestigungsstück 6 eines Zug¬ drahtes 7 eingesetzt ist. Der Zugdraht 7, dessen weitere Führungsmittel nicht gezeichnet sind, weist senkrecht zur Ebene des Armes 2 nach oben. Am rechten Ende des Abschnittes 4 ist - mittels eines Befestigungsstük- kes 8 - ein weiterer, nun senkrecht nach unten weisender, Zugdraht 9 befestigt. An seinem unteren Ende ist der Zugdraht 9 am Krafteingang eines direkt mit dem Gestell 1 verbundenen Kraftaufnehmers 10 ange¬ schlossen.

Nahe seinem linken Ende trägt der Abschnitt 3 zwei - senkrecht zur Achse des Armes 2 verlaufende - entgegengesetzte und versetzte Schlitze 11,12. Zwischen den Schlitzen verbleibt ein punktiert umrandeter Stab 13. Ueber den Draht 7 wird die zu bestimmende Eingangskraft eingeleitet und zwischen den Abschnitten 3 und 4 nach Massgabe vor deren Härten ver¬ teilt. Der Abschnitt 3 wirkt teils als Blattbiegefeder, teils als Schub- (Tor¬ sions-) Feder, da der Stab 13 auf Torsion beansprucht wird und auf diese Beanspruchung weich ist. Wegen seiner Dicke übernimmt der Abschnitt 3 den Hauptteil der Eingangskraft. Unter ihrer Wirkung erfährt das rechte Ende des Abschnittes 3 eine Verschiebung nach oben und eine Verdrehung im Gegenuhrzeigersinn bezüglich der Darstellung von Fig. la. Das mit dem Abschnitt 3 fest verbundene linke Ende des Abschnittes 4 erfährt die gleichen Lageänderungen.

Da das rechte Ende des Abschnittes 4 wegen der Fesselung durch den Zug¬ draht 9 die entsprechenden Lageänderungen nicht mitmachen kann, uss sich der Abschnitt 4 als Biegefeder verformen und einen Teil der Ein¬ gangskraft übernehmen. Wegen der Nachgiebigkeit des Kraftaufnehmers 10 verschiebt sich das rechte Ende des Abschnittes 4 etwas nach oben; seine Verdrehung wird durch den Zugdraht 9 aufgenommen.

Gemäss der allgemeinen Beschreibung ist der Abschnitt 3 die Hauptfeder, der Abschnitt 4 die Nebenfeder, der Kraftaufnehmer 10, der in Serie ge-

schaltet ist zur Nebenfeder, die Messfeder. Diese Serieschaltung ist die Sekundärfeder.

Das relative Kriechen bei Zug/Druck-Beanspruchung der Abschnitte 3,4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels - die aus einem Stück gefertigt sind, also aus dem selben Material bestehen - ist niedriger, als jene des Kraftaufnehmers 10. Ferner liegt das relative Kriechen der Sekundärfeder zwischen jenem ihrer Komponenten (dem Abschnitt 4 und dem Kraftaufnehmer 10); daher liegt es auch höher, als jenes des Abschnittes 3 in Bezug auf seine Beanspruchung als Biegefeder; die Sekundärfeder (4,10) würde die Hauptfeder (Abschnitt 3) überkompensieren.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist das relative Kriechen des Mate¬ rials, aus dem der Arm 2 gefertigt ist, kleiner für Zug/Druck-Beanspru¬ chung als für Schub. Der durch die Schlitze 11,12 gebildete Stab 13 wird auf Torsion beansprucht. Die erfindungsgemässe Konstruktion der Primär- feder bildet somit eine Serieschaltung einer Biegefeder (Abschnitt 3 von der Bohrung 5 bis zum Schlitz 12) und einer Torsionsfeder (Stab 13). Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen Biege- und Torsionsnach¬ giebigkeit der Primärfeder, kann ihr relatives Kriechen gleich jenem der Sekundärfeder gemacht werden. Dies wird durch die Lage, die Breite und die Tiefe der Schlitze 11,12 im Verhältnis zu Länge, Breite und Dicke des Abschnittes 3 bewirkt.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2, das in der gleichen Lage gezeich¬ net ist, wie jenes von Fig. 1b, ist das relative Kriechen des Kraftauf¬ nehmers 10 kleiner als jenes des Materials, aus dem der Arm 2 gefertigt ist, bezüglich Zug/Druck-Beanspruchung. Ferner ist das relative Kriechen bei Schubbeanspruchung dieses Materials nach wie vor höher, als jenes bei Zug/Druck-Beanspruchung. -Der Abschnitt 3 wird erfindungsgemäss als reine Biegefeder gestaltet, der Abschnitt 4 als Serieschaltung einer Biegefeder mit einer Torsionsfeder. Letztere wird gebildet durch einen Stab 16, der durch zwei Schlitze 14,15 nahe am linken Ende des Abschnit¬ tes 4, analog zu den Schlitzen 11,12 von Fig. 1 zustandekommt. Damit wird wiederum das relative Kriechen von Primär- und Sekundärfeder kom¬ pensiert, und die Untersetzung U_ - damit auch das Messresultat - frei von Kriechen. Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 beruht auf einem Ausführungsbei-

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spiel aus dem DE Gbm G 86 33 612.6: Ein Gestell 21, das auf einer nicht gezeichneten Plattform befestigt ist, trägt zwei Biegefedern 22, die Hauptfedern; zwei ebenfalls vom Gestell 21 ausgehende Biegefedern 23 tragen über je eine Stütze 24 je einen Befestigungskopf 25 für eine Mess-Saite 26, die grösstenteils von einem Anregungssystem 27 verdeckt ist. Die Biegefedern 22, 23 sind an einem zentralen Block 20 befestigt, auf den die zu messende Kraft über eine Stelze 19 aufgebracht wird. Die Biegefedern 23 zusammen mit den Nachgiebigkeiten der Stützen 24 und der Befestigungsköpfe 25 bilden die Nebenfeder, die in Serie geschaltet ist zur Nachgiebigkeit der Messfeder, gebildet durch die Mess-Saite 26. Ana¬ log zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 tragen hier beide Biegefedern 22 je zwei Schlitze 11,12.

In Fig. 4a,b ist die linke Biegefeder 22 allein dargestellt; in Fig. 4a in Seitenansicht, in Fig. 4b in Aufsicht. Zwischen den Schlitzen 11,12 entsteht wiederum ein auf Torsion beanspruchter Stab 13. Variation der Breite, der Tiefe und der Abstände der Schlitze 11,12 können die Anteile des relativen Kriechens durch Schub und Zug/Druckspannung von Primär- und Sekundärfeder zum Ausgleich gebracht werden.

Fig. 5 zeigt eine Variante zu Fig. 4. Hier sind zwei breite, weit von- einander entfernte Schlitze 28, 29 angebracht. Die beiden Biegefeder- Paare 22,23 sind Bestandteile eines Parallelführungssystems. ^" Dies bedeu¬ tet, dass das Gestell 21 und der zentrale Block 20 sich nur parallel zu¬ einander versetzen, nicht jedoch verdrehen können. Diese Parallelverset¬ zung bewirkt nun im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 insgesamt eine Torsionsbeanspruchung der Biegefeder 22, die sich nach Massgabe der Tie¬ fe, der Breite und des gegenseitigen Abstaήdes der Schlitze 28,29 auf die mit 30,31 bezeichneten Partien verteilt. Sowohl die Biegestäbe 30 als auch der Stab 31 sind sowohl auf Biegung als auch auf Torsion bean¬ sprucht. In Fig. 6a,b ist ein Befestigungskopf 25 mit seiner Stütze 24 aus Fig. 3 dargestellt. Fig. 6a zeigt das Ausführungsbeispiel in der gleichen Sicht, wie Fig. 3, Fig. 6b von der Mess-Saite 26 her, die geschnitten dargestellt ist. Während die Stütze 24 in Fig. 3 nur auf Biegung bean¬ sprucht ist, wird sie in der erfindungsge ässen Ausführung nach Fig. 6 sowohl auf Biegung als auch auf Torsion beansprucht. Zu diesem Zwecke

trägt die Stütze 24 zwei seitliche Schlitze 32,33. Dadurch werden wieder sowohl auf Biegung als auch auf Torsion beanspruchte Stäbe 34 gebildet. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, auch der Sekundärfeder einen Kriechanteil aus Torsionsbeanspruchung zuzuteilen. Die Variante gemäss Fig. 7a,b zeigt einen Befestigungskopf 25, der an¬ stelle der Stütze 24 aus Fig. 6 zwei Stützen 35,36 aufweist. Sie sind analog zu Fig. 6 mit Schlitzen 32,33 versehen, die in gleicher Art je drei Stäbe 34 bewirken, die sowohl auf Biegung als auch auf Torsion be¬ ansprucht sind und auch den diesbezüglichen Kriechanteil liefern.