DE102006020438A1

DE102006020438A1 - Axialkraftaufnehmer

Info

Publication number: DE102006020438A1
Application number: DE102006020438A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hose Von Wolfframsdorff; Oliver Jost
Original assignee: Tecsis GmbH
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-05-04
Also published as: US7832290B2; CN101432609B; CN101432609A; DE102006020438B4; US20090308180A1; WO2007124947A2; WO2007124947A3

Abstract

Ein Axialkraftaufnehmer weist einen zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskörper (1) und paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordnete, zu einer elektrischen Widerstandsbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen (15, 18) auf. Der Verformungskörper (1) hat eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung (8), deren Bohrungsrand (12) über eine Ringzarge (10) mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung (8) angeordneten Verformungsscheibe (13) verbunden ist. Deren Scheibenrand (14) springt über die Ringzarge (10) radial vor. Die Dehnungsmessstreifen (15, 18) sind stirnseitig auf der Verformungsscheibe (13) paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge (10) appliziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkraftaufnehmer mit einem zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskörper und mit paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordneten, zu einer elektrischen Widerstandsbrücke geschalteten Dehnungsmessstreifen.
Derartige Axialkraftaufnehmer, die auch als Kraftmessdosen bezeichnet werden, wandeln die der zu messenden Axialkraft proportionale Dehnung in Bereichen des die Messfeder bildenden Verformungskörpers mittels einer elektrischen Widerstandsbrücke in ein elektrisches Signal um. Die elektrische Widerstandsbrücke ist üblicherweise als Wheatstone'sche Vollbrücke mit vier messenden Widerständen ausgeführt.
Für diese Brückenschaltung müssen die von den Dehnungsmessstreifen gebildeten Widerstände der elektrischen Widerstandsbrücke bei der Belastung des Verformungskörpers jeweils paarweise mit entgegengesetzt gerichteten Dehnungen (Dehnungen mit unterschiedlichen Vorzeichen) beaufschlagt werden. Bei den herkömmlichen Axialkraftaufnehmern liegen die Bereiche des Verformungskörpers, die diesen Bedingungen entsprechen und deshalb zur Aufnahme der Dehnungsmessstreifen geeignet sind, üblicherweise räumlich weit auseinander, so dass der Einsatz eines kompakten kraftmessenden Elements praktisch ausgeschlossen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Axialkraftaufnehmer der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass die den entgegengesetzt gerichteten Dehnungen ausgesetzten Dehnungsmessstreifen räumlich nahe beieinander angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verformungskörper eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung aufweist, deren Bohrungsrand über eine Ringzarge mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung angeordneten Verformungsscheibe verbunden ist, deren Scheibenrand über die Ringzarge radial vorspringt, und dass die Dehnungsmessstreifen stirnseitig auf der Verformungsscheibe paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge appliziert sind.
Die am Bohrungsrand der Aufnahmebohrung bei axialer Druckbelastung des Verformungskörpers auftretende, über den Umfang gleichmäßig verteilte radiale Dehnung bewirkt eine Verformung der Verformungsscheibe in der Weise, dass ein innerhalb des Durchmessers der Ringzarge liegender, das eine Paar von Dehnungsmessstreifen tragender Bereich eine negative Dehnung (Stauchung) erfährt, während gleichzeitig ein außerhalb des Durchmessers der Ringzarge liegender Bereich des Scheibenrandes, der das andere Paar von Dehnungsmessstreifen trägt, eine positive Dehnung erfährt.
Wird statt der Druckkraft eine Zugkraft auf den Verformungskörper ausgeübt, beispielsweise über ein Anschlussgewinde, so kehren sich die beschriebenen Dehnungsverhältnisse um. Im Bereich innerhalb des Durchmessers der Ringzarge kommt es zu einer positiven Dehnung, während am Scheibenrand eine negative Dehnung (Stauchung) auftritt. Der Axialkraftaufnehmer kann daher als Druck- und/oder Zugkraftaufnehmer ausgeführt werden. Somit werden aus der durch die Belastung verursachten, gleichgerichteten Dehnung des Bohrungsrandes des die Messfeder bildenden Verformungskörpers zwei Zonen mit entgegengesetzt gerichteten Dehnungen erzeugt. Hierbei können radiale oder tangentiale Dehnungen von den mit entsprechender Messrichtung applizierten Dehnungsmessstreifen erfasst werden. Damit wird in optimaler Weise die mechanische Voraussetzung für eine Wheatstone'sche Vollbrücke geschaffen.
Vorzugsweise sind die beiden Paare von Dehnungsmessstreifen in angenähert gleichem radialem Abstand zum mittleren Durchmesser der Ringzarge angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Dehnungsmessstreifen in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Ringzarge und die Verformungsscheibe einen einstückigen Sensorkörper bilden, der mit dem Bohrungsrand des die Messfeder bildenden Verformungskörpers verbunden ist. Der mit den Dehnungsmessstreifen bestückte Sensorkörper bildet ein kompaktes Messelement zur Erfassung der lastproportionalen Verformung des Bohrungsrandes der Messfeder. Dieser Sensorkörper kann in Messfedern unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Gestaltung eingesetzt werden, wobei an die Messfedern nur die Anforderung zu stellen ist, dass sie eine Aufnahmebohrung für den Sensorkörper aufweisen, deren Bohrungsrand lastabhängig verformt wird.
Da der Sensorkörper nicht im Kraftfluss der zu messenden Axialkraft liegt, kann er unabhängig von der jeweils vorgesehenen Nennlast des Axialkraftaufnehmers mit sehr geringer Eigensteifigkeit ausgeführt werden und kann deshalb auch in Messfedern für kleine Lasten eingebaut werden.
Der in die Aufnahmebohrung der Messfeder des Axialkraftaufnehmers eingesetzte Sensorkörper teilt die Radialverformung der Aufnahmebohrung in entgegengesetzte Dehnungen auf und bildet damit die Grundlage für die optimale Dehnungserfassung durch eine Vollbrückenschaltung.
Besonders vorteilhaft ist, dass außer den die Brückenschaltung bildenden Dehnungsmessstreifen auch Kompensationswiderstände und Elemente für den Nullpunktabgleich auf kleinster Fläche auf dem Sensorkörper angebracht werden können. Der so geschaffene Sensor ist daher für Störungseinflüsse besonders unanfällig. Insbesondere werden Störungen des Messvorgangs durch Temperaturunterschiede an räumlich weiter voneinander entfernten Dehnungsmessstreifen weitestgehend ausgeschlossen.
Die die Vollbrücke bildenden Dehnungsmessstreifen, die Kompensationswiderstände und Widerstände zum Nullpunktabgleich können gemeinsam an einem am Sensorkörper zu applizierenden Träger ausgebildet werden, so dass eine weitere Applikation des Sensorkörpers mit Dehnungsmessstreifen, Lötstützpunkten und dergleichen hinfällig ist. Mit dem so geschaffenen Sensor ist es somit möglich, Axialkraftaufnehmer mit einer standardisierten Sensorik kostengünstig auszustatten.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigt:
1 einen Axialkraftaufnehmer im Axialschnitt in unbelastetem Zustand,
2 den Axialkraftaufnehmer nach 1 im belasteten, verformten Zustand, wobei die Verformung der deutlicheren Darstellung halber übersteigert dargestellt ist,
3 den Sensorkörper des in den 1 und 2 dargestellten Axialkraftaufnehmers mit den daran applizierten Dehnungsmessstreifen, wobei in einem Diagramm die Dehnungen über den Durchmesser der Verformungsscheibe des Sensorkörpers aufgetragen sind, und
4 eine Ansicht des Sensorkörpers in Richtung des Pfeiles IV in 3, wobei die Zusammenschaltung der Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke schematisch dargestellt ist.
Der in den 1 und 2 dargestellte Axialkraftaufnehmer weist einen eine Messfeder bildenden Verformungskörper 1 auf, der im Wesentlichen napfförmig ausgebildet ist. Ein zylindrischer Ring 2 des Verformungskörpers 1 ist mit einem Napfboden 3 einstückig verbunden, der einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring 4 aufweist. Wie in 2 schematisch angedeutet, wird die zu messende Druckkraft F auf den Krafteinleitungsring 4 aufgebracht und über einen Stützring 5 auf eine Stützfläche 6 abgetragen.
Der Napfboden 3 ist in seinem zentralen Bereich als ein im Wesentlichen biegeweicher Membranring 7 ausgeführt, der eine Aufnahmebohrung 8 umgibt.
In der Aufnahmebohrung 8 ist vorzugsweise durch stoffschlüssige Verbindung ein einstückiger Sensorkörper 9 angebracht.
Der Sensorkörper 9 weist eine Ringzarge 10 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist. Die Ringzarge 10 ist über einen radial vorspringenden Krafteinleitungsflansch 11 mit dem Bohrungsrand 12 der Aufnahmebohrung 8 verbunden.
Die Ringzarge 10 ist mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung 8 angeordneten, verhältnismäßig dünnen Verformungsscheibe 13 verbunden, deren Scheibenrand 14 über die Ringzarge 10 radial vorspringt.
Einzelheiten des in der Aufnahmebohrung 8 angebrachten Sensorkörpers 9 und der darauf applizierten Dehnungsmessstreifen sind in den 3 und 4 dargestellt.
Die Verformungsscheibe 13 trägt auf ihrer Stirnseite (in den 1–3 unten liegend) vier Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18. Obwohl diese Dehnungsmessstreifen 15–18 tatsächlich in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind, wie man aus 4 erkennt, sind diese Dehnungsmessstreifen 15–18 der deutlicheren Darstellung halber in 3 in der Schnittebene dargestellt.
Man erkennt, dass bei der Verformung der Messfeder unter Axialkraft im Bereich innerhalb des Durchmessers der Ringzarge 10 an der Stirnseite 13a der Verformungsscheibe 13 eine Stauchung (negative radiale oder tangentiale Dehnung) auftritt, die durch die dort applizierten Dehnungsmessstreifen 17 und 18 erfasst wird.
Am Scheibenrand 14 tritt gleichzeitig eine positive radiale oder tangentiale Dehnung auf, die von den dort stirnseitig applizierten Dehnungsmessstreifen 15 bis 18 erfasst wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dehnungsmessstreifen 15, 16 mit radialer Messrichtung ausgeführt. Statt dessen können die Dehnungsmessstreifen auch mit tangentialer Messrichtung ausgeführt sein, um die dort gleichzeitig in Umfangsrichtung auftretende Dehnung zu erfassen.
Der Axialkraftaufnehmer wurde als Druckkraftaufnehmer beschrieben. Wenn der Verformungskörper 1 so gestaltet wird, dass auch die Aufnahme von Zugkräften möglich ist, beispielsweise über ein (nicht dargestelltes) Anschlussgewinde, dann ist die Ausführung als Druck- und/oder Zugkraftaufnehmer möglich.
Wie in 4 dargestellt, sind die Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18 zu einer elektrischen Widerstandsvollbrücke zusammengeschaltet, deren Spannungsversorgung V und Signalausgang S angedeutet sind. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der absoluten Dehnungsgrößen an den Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18 etwa 1:4.

Claims

Axialkraftaufnehmer mit einem zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskörper und mit paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordneten, zu einer elektrischen Widerstandsbrücke geschalteten Dehnungsmessstreifen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (1) eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung (8) aufweist, deren Bohrungsrand (12) über eine Ringzarge (10) mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung (8) angeordneten Verformungsscheibe (13) verbunden ist, deren Scheibenrand (14) über die Ringzarge (10) radial vorspringt, und dass die Dehnungsmessstreifen (15–18) stirnseitig auf der Verformungsscheibe (13) paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge (10) appliziert sind.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15–18) mit radialer Messrichtung appliziert sind.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15–18) mit tangentialer Messrichtung appliziert sind.
Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Paare von Dehnungsmessstreifen (15 und 16; 17 und 18) in angenähert gleichem radialem Abstand zum mittleren Durchmesser der Ringzarge (10) angeordnet sind.
Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15–18) in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) und die Verformungsscheibe (13) einen einstückigen Sensorkörper (9) bilden, der mit dem Bohrungsrand (12) des die Messfeder bildenden Verformungskörpers (1) verbunden ist.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) einen radial vorspringenden Krafteinleitungsflansch (11) aufweist, der mit dem Bohrungsrand (12) verbunden ist.
Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (1) angenähert napfförmig ausgebildet ist und dass sein Napfboden (3) die den Sensorkörper (9) aufnehmende Aufnahmebohrung (8) aufweist.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Napfboden (3) in seinem die Aufnahmebohrung (8) umgebenden Bereich als im Wesentlichen biegeweicher Membranring (7) ausgeführt ist.
Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Napfboden (3) einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring (4) aufweist.