DE3937318C1 - Force measuring unit with two concentric deformation rings - having electromechanical strain gauges on surface providing electrical values - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung mit wenigstens zwei Verformungsringen, die an einer inneren und einer äußeren Mantellinie jeweils mit einem Krafteinleitungselement zur Einlei­ tung einer Kraft oder einer Gegenkraft verbunden sind, wobei ein ringförmiges Krafteinleitungselement die Verformungsringe miteinander verbindet und die Verformungsringe an einer Fläche elektromechanische Wandlerelemente zur Umwandlung von Formänderun­ gen in elektrische Größen tragen.

Kraftmeßvorrichtungen dieser Art werden bevorzugt als Wägezellen verwendet. Sie wandeln unter der Einwirkung der zu messenden Kraft auftretende Verformungen in elektrische Größen um, die in einer Meßbrückenschaltung ausgewertet werden. Als besonders vorteilhaft werden bei derartigen Kraftmeßvorrichtungen vor allem ihre geringe Baugröße, ihre hohe Auflösung bei großen Meßbereichen und ihre li­ neare Charakteristik angesehen.

Eine Kraftmeßvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-37 36 154 A1 bekannt. Bei dieser Kraftmeßvorrichtung sind die beiden Verformungsringe derart miteinander verbunden, daß ihre in­ neren Krafteinleitungselemente miteinander zu einem gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper und ihre äußeren ringförmigen Krafteinleitungselemente zu einem gemeinsamen äußeren Krafteinlei­ tungsring verbunden sind und einen Ringhohlraum umschließen, wobei die Wandlerelemente nur an den im Ringhohlraum liegenden Oberflä­ chen der Verformungsringe angebracht sind. Auf diese Weise liegen alle Wandlerelemente in den von den Bauteilen der Kraftmeßvor­ richtung vollständig umschlossen Ringhohlraum und sind dort ge­ genüber mechanischen und sonstigen Umgebungseinflüssen vollständig geschützt. Gleichwohl können die Wandlerelemente in üblicher Weise zu einer Vollbrücke geschaltet werden, da die gleichen Verformungsverhältnisse vorliegen, wie bei einem einzigen Verformungsring, der die Wandlerelemente an seiner Oberseite und seiner Unterseite trägt. Als nachteilig wird bei dieser bekannten Kraftmeßvorrichtung angesehen, daß sie eine verhältnismäßig große Bauhöhe aufweist. Die notwendigerweise mehrteilige Ausbildung der Kraftmeßvor­ richtung macht auch einen erhöhten Fertigungsaufwand zur Eingrenzung von Fertigungstoleranzen erforderlich.

Es ist weiterhin eine Kraftmeßdose geringer Bauhöhe bekannt (DE-AS 11 29 317), bei der die zu einer Voll­ brücke geschalteten Dehnungsmeßelemente nur an der Unterseite eines Verformungskörpers in einem durch eine Membrane abgeschlossenen Hohlraum untergebracht sind. Hierbei ist der Verformungskörper aber als Kreisplatte ausgebildet, die an ihrer Unterseite in entgegengesetzte Richtungen verformbare Flächenabschnitte zur Aufnahme der Dehnungsmeßelemente aufweist. Verglichen mit der eingangs genannten Gattung von Kraftmeßvorrichtungen mit Verfor­ mungsring sind der Meßbereich und die Linearität der Meßcharakteristik bei einer Kraftmeßdose mit einer Kreisplatte als Verformungskörper jedoch gering.

Nach der DE-24 33 223 A1 ist eine Kraftmeßvorrichtung bekannt, die aus einem rechteckförmigen Ring besteht, der durch Meßzonen unterbrochen ist, die Teile mit verringer­ tem rechteckförmigen Querschnitt darstellen. Dabei stellen die Abschnitte zwischen den Meßzonen jeweils abwechselnd Krafteinleitungs- und Kraftaufnahmeelemente dar, die sich dadurch unterscheiden, daß sie gegenüber ihrer waagerech­ ten Ringfläche versetzt angeordnet sind. Auf den der Stirnfläche des Ringes zugeordneten Flächenteilen der Meßzonen sind auf einer Seite jeder Meßzone jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen angeordnet, die mit den Dehnungs­ meßstreifen anderer Meßzonen zu einer Vollbrücke geschal­ tet werden können. Durch die auf dem Kreisring in abwechselnder Folge angebrachten versetzen Krafteinlei­ tungs- und Kraftaufnahmeabschnitte ist es erforderlich, die zu messenden Kräfte über eine zusätzliche plattenför­ mige Abdeckung oberhalb und unterhalb der Kraftmeßeinrich­ tung einzuleiten. Durch eine derartige Abdeckung ist es aber ohne Kraftnebenschlüsse nicht möglich, für eine geschützte Anordnung der Dehnungsmeßstreifen zu sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeß­ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine geringe Bauhöhe, niedrige Herstellkosten und eine geschützte Anordnung der elektromechanischen Wandlerelemente auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verformungsringe und die Krafteinleitungselemente im wesentlichen in einer Ebene konzentrisch ineinander angeordnet sind, und daß die Verformungsringe jeweils nur auf der Fläche Wandlerelemente tragen, die innerhalb eines durch das äußerste, ringförmige Krafteinleitungsele­ ment umschlossenen Ringhohlraums liegt.

Die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung verbindet die meßtechnischen Vorteile der bekannten Verformungsringe mit den baulichen Vorteilen des bekannten, als Kreis­ platte ausgebildeten Verformungskörpers. Durch die konzentrische Anordnung von wenigstens zwei Verformungsringen, die zwischen wenigstens drei Krafteinleiltungselementen angeordnet sind, wobei eine über das mittlere Krafteinleitungselement eingeleitete Kraft von den über das innere und das äußere Krafteinleitungselement eingeleiteten Gegenkräften aufgenommen wird, wird eine flache, plattenförmige Kraftmeßvorrichtung geschaffen, die einfach und preisgünstig herstellbar ist und eine geschützte Anordnung der Wandlerelemente innerhalb des Ringhohlraums zwischen dem inneren und dem äußeren Krafteinleitungselement gewährleistet. Da die Verformungsrichtung der beiden, die Wandlerelemente tragenden Flächen bei beiden Verformungsringen entgegengesetzt ist, können die Wandlerelemente wie üblich zu einer Vollbrücke geschaltet und die Vorteile dieser Meßbrückenschaltung genutzt werden. Die Empfindlichkeit der Kraftmeßvorrichtung gegen mechanische Beeinflussungen und Querkräfte ist gering.

Von besonderem Vorteil ist es, daß bei der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung die Verformungsringe und die Krafteinleitungselemente einen einstückigen Meßkörper bilden können. Hierdurch wird die Herstellung vereinfacht und verbilligt und besondere Paßflächen zur gegenseitigen Ausrichtung der Verformungsringe werden entbehrlich. Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß das äußerste Krafteinleitungselement und die inneren, in gleicher Richtung beaufschlagten Krafteinleitungselemente auf einer gemeinsamen Platte aufliegen oder dort beispielsweise durch Verschrauben oder Verschweißen befestigt sind. Vor allem bei einer Befestigung der Krafteinleitungselemente an der Platte können radiale Kräfte und Kippkräfte zusätzlich von der Platte aufgenommen werden, wodurch die Krafteinleitungselemente selbst und damit der Meßkörper insgesamt in ihren Abmessungen kleiner bleiben können.

Zur Krafteinleitung auf der der Platte entgegengesetzten Seite des Meßkörpers kann erfindungsgemäß ein plattenförmiges Kraftübertragungselement vorgesehen sein. Die an dem Kraftübertragungselement anliegende, ringförmige Kontaktfläche eines oder mehrerer Krafteinleitungselemente kann eben, schneidenförmig oder ballig ausgebildet sein. Um Kippwirkungen und Störungen durch Querkräfte zu vermeiden, ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen, daß die Verformungsringe durch elastische Ringstege an die Krafteinleitungselemente angeschlossen sind, die in einer gemeinsamen radialen Ebene liegen. Weiterhin kann erfindungsgemäß die Dicke der bei Krafteinleitung gleichsinnig gebogenen Ringstege in einem durch die Formel

bestimmten Verhältnis bemessen sein, wobei

h₁ die Dicke des radial äußeren Ringstegs,
h₂ die Dicke des radial inneren Ringstegs,
b der Mittenabstand der Ringstege
R das arithmetische Mittel der Mittenradien beider Ringstege,

bezeichnen. Durch eine derartige Bemessung der Dicke der Ringstege werden radiale Bewegungen der Krafteinleitungselemente bei Belastung und damit Fugeneffekte an ihren Kontaktflächen vermieden.

Eine besonders große Unempfindlichkeit gegenüber Querkräften kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die Krafteinleitung in ein ringförmiges Krafteinleitungselement auf der der Platte abgekehrten Seite des Meßkörpers in der den Ringstegen gemeinsamen Mittelebene erfolgt. Die Querkräfte werden auf diese Weise von den Ringstegen aufge­ nommen und weitergeleitet, ohne eine die Kraftmessung verfälschende Verformung an den Verformungsringen hervorzurufen. Die Krafteinleitung in der Mittelebene der Ringstege kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß das ringförmige Krafteinleitungselement auf der der Platte abgekehrten Seite eine Ringnut aufweist, in die ein erhabener Ringbund eines plattenförmigen Kraftübertragungselements eingreift, wobei die Wand- und Bodenflächen der Nut oder des Ringbundes derart konvex gewölbt sind, daß die Krafteinleitung in radialer Richtung in der Mittelebene der Ringstege und in axialer Richtung in der Mitte zwischen den Ringstegen erfolgt. Der Meßkörper kann hierbei weiterhin in eine Bohrung in der Platte eingesetzt sein, sodaß über die Wandflächen der Bohrung Radialkräfte unmittelbar abgeleitet werden können.

Um eine Überlastung der Kraftmeßvorrichtung zu vermeiden, kann weiterhin vorgesehen sein, daß das zentrale, auf der Platte aufliegende Krafteinleitungselement einen Anschlag für das der Platte entgegengesetzte Kraftübertragungselement bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung mit zwei Verformungs­ ringen,

Fig. 2 einen vergrößerten Halbschnitt des Meßkörpers der Kraftmeßvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht und

Fig. 4 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung für hohe Nennlasten,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung für eine Einzellenwaage,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine gegen Horizon­ talkräfte besonders unempfindliche erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung und

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt des Kraftein­ leitungsbereichs der Kraftmeßvorrichtung gemäß Fig. 6.

Die in Fig. 1 gezeigte, beispielsweise als Wägezelle ein­ zusetzende Kraftmeßvorrichtung besteht aus einem Meßkörper 1, einem Kraftübertragungselement 2 und einer Platte 3, die als Rotationskörper ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind. Der Meßkörper 1 ist aus einem Stück hergestellt und weist zwei durch axiale Einstiche gebildete Verformungsringe 4, 5 auf, die einen etwa trapezförmigen Querschnitt gleicher Größe haben und in der gleichen radialen Ebene angeordnet sind. Die Ver­ formungsringe 4, 5 befinden sich in einem Abstand von der Platte 3, die an der Unterseite des Meßkörpers 1 einen Ringhohlraum 6 abschließt. An ihren der Platte 3 benachbarten Flächen tragen die Verformungsringe 4, 5 elektromechanische Dehnungsmeßelemente 7, 8. Die Verformungsringe 4, 5 sind an ihren inneren und äußeren Mantellinien über elastisch verformbare Ringstege 9 bis 12 mit Krafteinleitungselementen 13, 14, 15 verbunden. Die Krafteinleitungselemente 13, 15 sind in axialer Richtung dicker als die Verformungsringe 4, 5 und sind mit ihrer Unterseite auf der ebenen Oberfläche 16 der Platte 3 durch Schweißen oder Schrau­ ben befestigt. Das zwischen den Verformungsringen 4, 5 angeord­ nete, ringförmige Krafteinleitungselement 14 ragt nach oben über die Oberfläche der Verformungsringe 4, 5 hinaus und weist eine Kontaktfläche 17 auf, auf der das Kraftübertragungselement 2 aufliegt. Ein Bund 18 am Rand des Kraftübertragungselements 2 sichert dieses gegen ein seitliches Herabgleiten von dem Kraftein­ leitungselement 14. Die Kontaktfläche 17 des Krafteinleitungs­ elements 14 ist ebenso wie die benachbarte Fläche 19 am Kraftübertragungselement 2 eben ausgebildet. Bei manchen An­ wendungsfällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, die Kontaktfläche 17 ballig oder schneidenförmig auszubilden. Das zentrale Krafteinleitungselement 15 bildet mit seinem ebenfalls über die Oberfläche der Verformungsringe 4, 5 hinausragenden Teil einen Anschlag 20, der sich in einem Abstand von der Fläche 19 des Kraftübertragungselements 2 befindet und den Meßkörper 1 vor Überlastung schützt.

Bei Einleitung einer Kraft in das Kraftübertragungselement in Richtung des Pfeils 21 und einer entsprechenden Gegenkraft in die Platte 3 in Richtung der Pfeile 22 wird der Meßkörper 1 so verformt, daß die beiden Verformungsringe 4, 5 im entgegengesetzten Sinn verdreht werden. Die am Verformungsring 4 angebrachten Dehnungsmeßelemente 7 werden in tangentialer Richtung gedehnt, während die am Verformungsring 5 angebrachten Dehnungs­ meßelemente 8 in tangentialer Richtung gestaucht werden. Aufgrund dieser entgegengesetzt gerichteten Verformungen können die Dehnungsmeßelemente 7, 8 in herkömmlicher Weise in einer als Vollbrücke ausgeführten Meßbrückenschaltung geschaltet werden, wobei an der Meßbrücke ein der zu messenden Kraft proportionales Signal abgegriffen und einer Auswerteschaltung zugeführt werden kann.

Fig. 2 veranschaulicht die Dickenverhältnisse der Ringstege 9, 12 bzw. 10, 11. Die Dicke des Ringstegs 9 ist mit h₁, die des Ringstegs 12 mit h₂, die des Ringstegs 10 mit h₃ und die des Ringstegs 11 mit h₄ bezeichnet. Der radiale Abstand zwischen den Ringstegen 9 und 12 beträgt b, der zwischen den Ringstegen 10 und 11 beträgt a. R bezeichnet das arithmetische Mittel der Radien, die die Abstände b bzw. a definieren. Ein Kreisbogen im Radius R ist somit von den Ringstegen 9 und 12 bzw. 10 und 11 jeweils gleich weit entfernt. Wird das Verhältnis der Dicken der elastisch verformbaren Ringstege 9 und 12 bzw. 10 und 11 nach den folgenden Formeln

bestimmt, tritt an den Kontaktflächen 17, 19 zwischen dem Kraftübertragungselement 2 und dem Krafteinleitungselement 14 keine Relativbewegung auf.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen werden für einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie bisher verwendet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Kraftmeßvorrichtung entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau und in ihrer Wirkungsweise der Kraftmeßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2. Bei dieser Ausführungsvariante weist jedoch der Meßkörper 1 zusätzlich zu den Verformungsringen 4, 5 zwei weitere Verformungsringe 23, 24 auf, die sich radial nach außen an das Krafteinleitungselement 13 anschließen und sich zusätzlich über ein am Krafteinleitungselement 25 Kraftübertragungselement 2 und über ein Krafteinleitungselement 26 an der Platte 3 abstützen. Das Kraftübertragungselement 2 und die Platte 3 sind entsprechend größer ausgebildet. Zur Vermeidung von Fugeneffekten sind bei dieser Ausführungsform alle Krafteinleitungselemente mit dem Kraftübertragungselement 2 oder der Platte 3 fest verbunden. Diese Kraftmeßvorrichtung eignet sich vor allem für hohe Lasten und zeichnet sich durch eine vergleichsweise niedrige Bauhöhe aus.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Ver­ formungsringe 4, 5 am äußeren Rand eines Meßkörpers 1 von vergleichsweise großem Durchmesser angeordnet sind. Diese Ausführungen der Kraftmeßvorrichtung kann vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn die Krafteinleitung am Kraftüber­ tragungselement 2 gleichzeitig Wägebrücke ist.

In den Fig. 6 und 7 ist eine gegenüber Querkräften unempfindliche Kraftmeßvorrichtung gezeigt. Hierbei befindet sich der Meßkörper 1 in einer in der Platte 3 ausgebildeten Stufenbohrung 30, an deren Bohrungswand das Kraft­ einleitungselement 13 über eine in der Ebene der Ringstege 9 bis 12 liegende Rippe 31 radial abgestützt ist. Die Krafteinleitungselemente 13 und 15 sind durch Schrauben mit der Platte 3 fest verbunden. Das Krafteinleitungselement 14 weist eine nach oben offene Ringnut 32 mit zylindrischen Wandflächen 33 und einer konvex gewölbten Bodenfläche 34 auf. In die Ringnut 32 greift ein an der Unterseite des Kraftübertragungselements 2 vorspringender Ringbund 35 ein, der eine ebene Stirnfläche 36 und konvex gewölbte seitliche Mantelflächen 37 hat. Zwischen den Mantelflächen 37 und den Wandflächen 33 besteht eine Spielpassung. Der Ringbund 35 ist in der Ringnut 32 so positioniert, daß die Be­ rührungslinien zwischen den Wandflächen 33 und den Mantelflächen 37 sich in der den Ringstegen 9 bis 12 gemeinsamen Mittelebene befinden. Weiterhin liegt die Berührungslinie zwischen der Bodenfläche 34 und der Stirnfläche 36 in der Mitte zwischen den Ringstegen 10, 11, die das Krafteinleitungselement 14 mit den Verformungsringen 4, 5 verbinden.

Durch die beschriebene Ausgestaltung der Krafteinleitungsstellen des Meßkörpers 1 werden auftretende Horizontalkräfte in der Mittelebene der elastischen Ringstege in den Meßkörper 1 eingeleitet und in der gleichen Ebene radial auf die Platte 3 übertragen. Die Steifigkeit des Meßkörpers 1 ist in dieser Ebene am größten und die Messung von axial gerichteten Kräften wird durch Übertragung von Horizontalkräften nicht verfälscht.

Claims (11)

1. Kraftmeßvorrichtung mit wenigstens zwei Verformungsringen, die an einer inneren und einer äußeren Mantellinie jeweils mit einem Krafteinleitungselement zur Einleitung einer Kraft oder einer Gegenkraft verbunden sind wobei ein ringförmiges Krafteinleitungselement die Verformungsringe miteinander verbindet und die Verformungsringe an einer Fläche elektromechanische Wandlerelemente zur Umwandlung von Formänderungen in elektrische Größen tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsringe (4, 5, 23, 24) und die Krafteinleitungselemente (13, 14, 15, 25, 26) im wesentlichen in einer Ebene konzentrisch ineinander angeordnet sind, und daß die Verformungsringe (4, 5, 23, 24) jeweils nur auf der Fläche Wandlerelemente (7, 8) tragen, die innerhalb eines durch das äußerste, ringförmige Krafteinleitungselement (13, 26) umschlossenen Ringhohlraums (6) liegt.

2. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsringe (4, 5, 23, 24) und die Krafteinlei­ tungselemente (13, 14, 15, 25, 26) einen einstückigen Meßkör­ per (1) bilden.

3. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußerste Krafteinleitungsele­ ment (13, 26) und die inneren, in gleicher Richtung beauf­ schlagten Krafteinleitungselemente (15, 13) auf einer gemein­ samen Platte (3) aufliegen oder befestigt sind.

4. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Platte (3) entgegen­ gesetzten Seite des Meßkörpers (1) ein plattenförmiges Kraftübertragungselement (2) vorgesehen ist.

5.Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Kraftübertragungsele­ ment (2) anliegende, ringförmige Kontaktfläche (17) eines oder mehrerer Krafteinleitungselemente (14, 25) eben, schnei­ denförmig oder ballig ausgebildet ist.

6. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsringe (4, 5, 23, 24) durch elastische Ringstege (9-12), die in einer gemeinsa­ men radialen Ebene liegen, an die Krafteinleitungselemente (13, 14, 15, 25, 26) angeschlossen sind.

7. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der bei Krafteinleitung gleichsinnig gebogenen Ringstege (9-12) in einem durch die Formel bestimmten Verhältnis bemessen ist, wobei
h₁ die Dicke des radial äußeren Ringstegs (9 bzw. 10),
h₂ die Dicke des radial inneren Ringstegs (12 bzw. 11),
b der Mittenabstand der Ringstege (9, 12 bzw. 10, 11),
R das arithmetische Mittel der Mittenradien beider Ringstege (9, 12 bzw. 10, 11) bezeichnen.

8. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitung in ein ring­ förmiges Krafteinleitungselement (14) auf der der Platte (3) abgekehrten Seite des Meßkörpers (1) in der den Ringstegen (9-12) gemeinsamen Mittelebene erfolgt.

9. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Krafteinleitungs­ element (14) auf der der Platte (3) abgekehrten Seite eine Ringnut (32) aufweist, in die ein erhabener Ringbund (35) ei­ nes plattenförmigen Kraftübertragungselements (2) eingreift, wobei die Wand- und Bodenflächen der Ringnut (32) oder des Ringbundes (35) derart konvex gewölbt sind, daß die Kraft­ einleitung in radialer Richtung in der Mittelebene der Ring­ stege (9-12) und in axialer Richtung in der Mitte zwischen den Ringstegen (9-12) erfolgt.

10. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (1) in eine Bohrung (30) in der Platte (3) eingesetzt ist.

11. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale, auf der Platte auf­ liegende Krafteinleitungselement (15) einen Anschlag (20) für das der Platte entgegengesetzte Kraftübertragungselement bil­ det.