-
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Ermittlung von Zug- und Druckkräften, insbesondere eine Wägezelle, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Messvorrichtungen der eingangs beschriebenen Art werden unter anderem beim Bau von Waagen und Prüfständen eingesetzt, wo sie Kräfte im Bereich von einigen bis mehrere Hundert Tonnen mit hoher Genauigkeit ermitteln. Das Messprinzip beruht dabei auf der Erfassung der Verformungen, die unter Einwirkung der zu messenden Kraft auftreten und die mittels mechanisch-elektrischer Wandlerelemente in der Kraft proportionale elektrische Messsignale umgewandelt und elektronisch ausgewertet werden.
-
So ist beispielsweise in der
DE 10 2006 034 086 A1 eine aus Ober- und Unterteil zusammengesetzte Wägezelle offenbart. Das Oberteil umfasst ein massives zur Wägezellenachse zentrisch gelegenes Krafteinleitungsteil, das radial nach außen von einer kreisförmigen Platte geringerer Dicke umgeben ist. Umfangsseitig schließt an die Platte eine sich axial erstreckende Kraftausleitungsschürze an, mit der das Oberteil auf dem als Kraftausleitungsplatte ausgebildetem Unterteil steht und dabei einen hermetisch verschlossenen Innenraum zur Aufnahme eines Verformungsrings bildet. Der Verformungsring besteht im Wesentlichen aus einem aus der Unterseite der Platte axial hervorstehenden, die Achse konzentrisch umlaufenden Ansatz, auf dessen dem Unterteil zugewandten Ringfläche Dehnungsmessstreifen appliziert sind. Die unter Lasteinwirkung auftretende Verdrehung des Verformungsrings führt zu einer Stauchung oder Dehnung der Ringfläche, die eine der zu messenden Kraft proportionale Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen bewirkt. Damit einhergehende Hystereseeffekte beeinträchtigen jedoch die Messgenauigkeit und führen zu Linearitätsfehler.
-
Eine demgegenüber verbesserte Wägezelle mit axial zusammengefügtem Ober- und Unterteil ist aus der
WO 2016/034283 A1 bekannt. Das Oberteil umfasst einen der Kraft zugewandten Krafteinleitungskörper, der in Kraftrichtung in einen Krafteinleitungsring übergeht, welcher sich auf einem ringförmigen Messkörper abstützt. Der Messkörper setzt sich im Querschnitt zusammen aus einer Ringscheibe mit einem den Außenumfang umlaufenden äußeren Kraftübertragungsring und einem den Innenumfang umlaufenden inneren Kraftübertragungsring, die zusammen mit dem Unterteil einen Ringraum begrenzen. Zwischen den beiden Kraftübertragungsringen erstrecken sich aus der Ringscheibe in den Ringraum zwei konzentrische Verformungsringe, an deren planen Unterseite jeweils Dehnungsmesselemente angebracht sind. Die Krafteinleitung in den Messkörper erfolgt entlang einer Kreislinie, die radial zwischen den beiden Verformungsringen liegt, so dass sich die beiden Verformungsringe bei Belastung entgegengesetzt zueinander verdrehen. Die damit einhergehende Stauchung des einen Verformungsrings und Dehnung des anderen Verformungsrings wird von den Dehnungsmesselementen erfasst und in elektrische Ausgangsgrößen umgewandelt, die den Formänderungen und damit der Kraft proportional sind. Diese Konstruktionsart zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus und eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen in der Höhe ausreichend Raum zum Einbau der Wägezelle zur Verfügung steht.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Messvorrichtung anzugeben, die sich durch einen kompakten Aufbau bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Den eingangs erwähnten Messvorrichtungen ist gemein, dass die zu messende Kraft ohne Unterbrechung entlang einer radial inneren Kreislinie in und entlang einer radial äußeren konzentrischen Kreislinie aus einem ringförmigen Verformungskörper geleitet wird. Durch unterschiedliche Radien der beiden Kreislinien wird ein auf den Verformungskörper einwirkendes Moment erzeugt, das eine Formänderung des Verformungskörpers durch Verdrehen um seine auf den Querschnitt bezogene Mittelachse hervorruft. Damit einhergehende Dehnungen oder Stauchungen der Oberseite und/oder Unterseite des Verformungskörpers führen zu Normalspannungen im Verformungskörper und können mittels Dehnmesselemente der Größe nach erfasst werden.
-
Die Erfindung löst sich von diesem an sich bewährten Funktionsprinzip, indem die zu messende Kraft über örtlich begrenzte Krafteinleitungsbereiche vom Krafteinleitungsteil in den Verformungsring eingetragen und über dazu in Umfangsrichtung versetzte, örtlich begrenzte Kraftausleitungsbereiche vom Verformungsring in das Kraftausleitungsteil ausgetragen wird. Die Krafteinleitungsbereiche und Kraftausleitungsbereiche stellen also die kraftübertragende Verbindung zwischen Verformungskörpers und Krafteinleitungsteil einerseits und Verformungskörper und Kraftausleitungsteil andererseits dar. Da die Krafteinleitungsbereiche und Kraftausleitungsbereiche über den Umfang des Verformungskörpers jeweils in lichtem Abstand zueinander angeordnet sind, kommt es zu einer Lastkonzentration in den Krafteinleitungsbereichen und Kraftausleitungsbereichen. In Verbindung mit dem Umfangsversatz der Krafteinleitungsbereiche zu den Kraftausleitungsbereichen erfährt der Verformungsring auf diese Weise im Wesentlichen eine Schubbeanspruchung, die im Verformungsring eine Formänderung durch Scherung hervorruft. Deren Größe ist wiederum mittels Dehnmesselemente erfassbar.
-
In dieser für die Erfindung charakteristischen Geometrie einer Messvorrichtung kommt ein statisches Konzept zum Ausdruck, das sich hinsichtlich des Kraftflusses durch die Vorrichtung und der Art der Formänderung des Verformungskörpers vollständig von bekannten unterscheidet. Ein erster sich daraus ergebenden Vorteil liegt in der hohen Messgenauigkeit erfindungsgemäßer Messvorrichtung, so dass diese selbst die hohen Anforderungen für eichfähige Anwendungen problemlos erfüllen.
-
Das Messergebnis verfälschende Hystereseeffekte treten bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen kaum auf, da sich die in den Kraftausleitungsbereichen diagonal aufeinandertreffenden Kräfte in tangentialer Richtung kompensieren. An das Kraftausleitungsteil werden im Wesentlichen nur axial gerichtete Kräfte weitergeben, wodurch Scherverformungen im Übergangsbereich zum Kraftausleitungsteil weitestgehend vermieden werden.
-
Darüber hinaus zeichnet sich eine erfindungsgemäße Messvorrichtung durch eine hohe Linearität über einen weiten Messbereich aus. Zurückzuführen ist dieser Vorteil unter anderem auf die erfindungsgemäße Geometrie der Messvorrichtung und deren Art der Lastabtragung, bei der die unter Krafteinwirkung wirksamen Hebelverhältnisse nahezu unverändert erhalten bleiben.
-
Ein weiterer Grund für die hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse liegt in der Unempfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gegenüber Störeinflüssen wie zum Beispiel Kräften quer zur Vorrichtungslängsachse oder temperaturbedingten Formänderungen. Der Einfluss solcher Störeinflüsse ist dank der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verformungsrings äußerst gering, so dass diese das Messergebnis nicht nennenswert verfälschen.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich in dem einfachen und kompakten Aufbau der Messvorrichtung. Der einfache Aufbau führt zu einer robusten Konstruktion, die auch bei rauem Betrieb weitestgehend wartungsfrei arbeitet. Der kompakte Aufbau erlaubt zudem den Einsatz erfindungsgemäßer Vorrichtungen auch unter beengten Einbauverhältnissen.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Für gleiche oder funktionsgleiche Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen werden soweit möglich gleichlautende Bezugszeichen verwendet.
-
Es zeigt
- 1 eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in Form einer Wägezelle,
- 2 einen Vertikalschnitt durch die Messvorrichtung entlang der in 4 dargestellten Linie II - II,
- 3a, 3b Vertikalschnitte durch die Messvorrichtung entlang der in 4 und 5 dargestellten Linie IIIa - IIIa bzw. IIIb - IIIb,
- 4 einen Horizontalschnitt durch die Messvorrichtung entlang der in 2 dargestellten Linie IV - IV,
- 5 einen Horizontalschnitt durch die Messvorrichtung entlang der in 2 dargestellten Linie V - V,
- 6 einen vertikal geführten Teilschnitt durch den Verformungskörper der Messvorrichtung,
- 7 eine Schrägansicht auf den Verformungskörper einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
- 8 einen Schnitt durch den in 7 dargestellten Verformungskörper entlang der dort dargestellten Linie VII - VII.
-
Die 1 bis 6 zeigen in unterschiedlichen Ansichten und Schnitten eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 in Form einer Wägezelle, die zur Messung einer Kraft 2 bestimmt ist, beispielsweise der Radlast eines Transportfahrzeugs. Die Messvorrichtung 1 besitzt rotationssymmetrische Gestalt mit einer Untergliederung in Richtung ihrer Achse 3 in ein plattenförmiges Krafteinleitungsteil 4, einen ringförmigen Verformungskörper 5 und ein plattenförmiges Kraftausleitungsteil 6, die alle konzentrisch zur Achse 3 und planparallel in Ebenen senkrecht zu dieser angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Messvorrichtung 1 monolithisch ausgebildet, das heißt Krafteinleitungsteil 4, Verformungskörper 5 und Kraftausleitungsteil 6 sind aus einem Stück herausgearbeitet. Im Rahmen der Erfindung liegen aber auch Ausführungsformen, bei denen diese Teile als Einzelteile gefertigt sind und die Messvorrichtung 1 durch deren nachträgliches Zusammenfügen hergestellt wird.
-
Die 1 bis 3 offenbaren eine kreisförmige Kontur des Krafteinleitungsteils 4. Die der Kraft 2 zugewandten Oberseite 7 des Krafteinleitungsteils 4 weist einen ersten Ringansatz 8 auf, der die Achse 3 in einem vorbestimmten radialen Abstand R konzentrisch umläuft. Im Bereich des ersten Ringansatzes 8 sind axial gerichtete Gewindebohrungen 9 (vgl. 3a und 4) in einheitlichem Umfangsabstand in das Krafteinleitungsteil 4 eingebracht, die der Befestigung anwendungsspezifischer Bauteile zur Integration der Messvorrichtung 1 in beliebige Konstruktionen dienen, beispielsweise in eine Waage oder einen Prüfstand. Durch den ersten Ringansatz 8 ist gewährleistet, dass die Kraft 2 konzentrisch zur Achse 3 und verteilt über den gesamten Umfang des Ringansatzes 8 in das Krafteinleitungsteil 4 eingetragen wird.
-
Das Kraftausleitungsteil 6 besteht ebenfalls aus einer Kreisscheibe mit gleich großem Außendurchmesser wie das Krafteinleitungsteil 4. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich geht aus der Unterseite 11 des Kraftausleitungsteils 6 ein zweiter Ringansatz 12 hervor, der die Achse 3 in demselben radialen Abstand R konzentrisch umläuft wie der erste Ringansatz 8 und der in seiner radialen Breite und axialen Höhe dem ersten Ringansatz 8 entspricht. Folglich liegen sich erster Ringansatz 8 und zweiter Ringansatz 12 spiegelbildlich zu einer Normalebene auf die Achse 3 gegenüber. Die Kraft 2, die verteilt über den Umfang des ersten Ringansatz 8 axial in das Krafteinleitungsteil 4 eingetragen wird, wird nach erfindungsgemäßer Umlenkung im Verformungsring 5 über den gesamten Umfang des zweiten Ringansatz 12 axial aus dem Kraftausleitungsteil 6 in den Untergrund abgetragen.
-
Im Bereich des zweiten Ringansatzes 12 weist das Krafteinleitungsteil 6 eine Anzahl einheitlich beabstandeter Gewindebohrungen 10 auf (vgl. 3a und 5), die zur Aufnahme nicht dargestellter Befestigungsmittel zum Anschluss der Messvorrichtung 1 an eine tragfähige Unterkonstruktion bestimmt sind. Zudem sind Krafteinleitungsteil 4 und Kraftausleitungsteil 6 jeweils von einer koaxial zur Achse 3 verlaufenden Durchgangsbohrung 27 durchsetzt.
-
Der ringförmige Verformungskörper 5 erstreckt sich zwischen Unterseite 13 des Krafteinleitungsteils 4 und Oberseite 14 des Kraftausleitungsteils 6, aus denen er einstückig hervorgeht. Die lediglich in den 4 und 5 dargestellte mittlere Kreislinie 15 des Verformungskörpers 5 umgibt dabei konzentrisch die Achse 3 in demselben radialen Abstand R wie der erste Ringansatz 8 und zweite Ringansatz 12.
-
Aus den Schnittdarstellungen der 2 und 3 und insbesondere 6 geht hervor, dass der Verformungskörper 5 einen mittleren Längsabschnitt 16 besitzt, der über seine axiale Höhe eine einheitliche radiale Breite aufweist. Der mittlere Längsabschnitt 16 schließt über einen oberen Längsabschnitt 17 an die Unterseite 13 des Krafteinleitungsteils 4 an und über einen unteren Längsabschnitt 18 an die Oberseite 14 des Kraftausleitungsteils 6.
-
Zur Bildung von Krafteinleitungsbereichen 19 besitzt der Verformungskörper 5 im Bereich des oberen Längsabschnitts 17 mehrere sich axial erstreckende Ansätze, die mit einheitlichem Umfangsabstand derart zueinander angeordnet sind, dass sich zwischen den Ansätzen freie Zwischenräumen 20 ergeben (vgl. 4).
-
Analog besitzt der Verformungskörper 5 zur Bildung von Kraftausleitungsbereichen 21 im Bereich des unteren Längsabschnitts 18 mehrere sich axial erstreckende Ansätze, die ebenfalls mit einheitlichem Umfangsabstand derart zueinander angeordnet sind, dass sich zwischen den Ansätzen freie Zwischenräumen 22 ergeben (vgl. 5).
-
Die 4 und 5 verdeutlichen, dass alle Krafteinleitungsbereiche 19 und Zwischenräume 20 des oberen Längsabschnitts 17 des Verformungsrings 5 und alle Kraftausleitungsbereiche 21 und Zwischenräume 22 des unteren Längsanschnitts 18 einen sektorförmigen Umriss aufweisen, wobei sowohl die Krafteinleitungsbereiche 19 untereinander identisch ausgebildet sind als auch die Kraftausleitungsbereiche 21 untereinander.
-
Daraus ergibt sich, dass der Verformungsring 5 zum Krafteinleitungsteil 4 hin aus einer alternierenden Abfolge von Krafteinleitungsbereichen 19 und Zwischenräumen 20 besteht; analog ergibt sich zum Kraftausleitungsteil 5 hin eine alternierende Abfolge von Kraftausleitungsbereichen 21 und Zwischenräumen 22. Dabei ist die relative Lage der Krafteinleitungsbereiche 19 zu den Kraftausleitungsbereichen 21 derart, dass in einer achsparallelen Projektion jeweils ein Krafteinleitungsbereich 19 mittig zwischen zwei benachbarten Kraftausleitungsbereichen 21 angeordnet ist (vgl. 4). Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Umfangslängen der Krafteinleitungsbereiche 19 und Kraftausleitungsbereiche 21 kleiner sind als die Umfangslängen der Zwischenräume 20 und 22, überlappen in einer achsparallelen Projektion die Enden eines Zwischenraums 20 zwischen zwei Krafteinleitungsbereich 19 in Umfangsrichtung mit den Enden benachbarter Zwischenräume 22 zwischen zwei Kraftausleitungsbereichen 21 (vgl. 4).
-
Diese Geometrie des Verformungskörpers 5 führt zu einem Kraftfluss durch einen erfindungsgemäßen Verformungskörper 5, der in 1 mit den Pfeilen 23 vereinfacht wiedergegeben ist. Aufgrund des Umfangsversatzes zwischen den Krafteinleitungsbereichen 19 und Kraftausleitungsbereichen 21 wird die in einem Krafteinleitungsbereich 19 ankommende Kraft in zwei diagonal auseinanderlaufende Kraftanteile 23 aufgeteilt, die den mittleren Längsabschnitt 16 des Verformungskörpers 5 im Winkel α von vorzugsweise 45° queren. In den Kraftausleitungsbereichen 21 treffen jeweils zwei diagonal verlaufende Kraftanteile 23 aufeinander, deren horizontale Komponenten sich kompensieren und deren vertikale Komponenten in die tragfähige Unterkonstruktion eingeleitet werden.
-
Unter Einwirkung der Kraft 2 erfährt der erfindungsgemäße Verformungskörper 5 eine Formänderung, die unter anderem Scherspannungen im Verformungskörper 5 hervorruft. Die maximalen Scherspannungen treten dabei im mittleren Längsabschnitt 16 mittig zwischen den Krafteinleitungsbereichen 19 und Kraftausleitungsbereichen 21 auf. Diese Umfangsabschnitte des Verformungskörpers 5 bilden Verformungsbereiche 24, deren Verformung von dort am Außenumfang und/oder Innenumfang des Verformungskörpers 5 applizierten Dehnmesselementen 25 in Größe und Richtung bestimmt und in einer nicht dargestellten Messbrückenschaltung elektronisch ausgewertet wird.
-
Gegenstand der 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, von der lediglich der Verformungskörper 5` dargestellt ist. Krafteinleitungsteil und Krafthausleitungsteil entsprechen denen der vorbeschriebenen Messvorrichtung 1, mit dem Unterschied, dass das Krafteinleitungsteil und Kraftausleitungsteil nicht einstückig mit dem Verformungskörper 5' sondern getrennt gefertigt sind. Ansonsten gelten die dortigen Ausführungen entsprechend.
-
Der Verformungsring 5' ist in axialer Richtung unterteilt in einen oberen Längsabschnitt 17 mit in Umfangsrichtung einheitlich beabstandeten Krafteinleitungsbereichen 19, die von axialen Ansätzen gebildet sind, einen mittleren Längsabschnitt 16 mit von Umfangsabschnitten gebildeten Verformungsbereichen 24 und eine unteren Längsabschnitt 18 mit in Umfangsrichtung einheitlich beabstandeten Kraftausleitungsbereichen 21, gebildet von axialen Ansätzen. Durch einen Umfangsversatz der Krafteinleitungsbereiche 19 gegenüber den Kraftausleitungsbereichen 21 stellt sich wiederum der unter den 1 bis 6 beschriebene Kraftfluss 23 durch den Verformungsring 5' ein.
-
Wesentlich für diese Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung von Ausnehmungen 26, die sich in den Verformungsbereichen 24 vom Außenumfang des Verformungskörpers 5` in radialer Richtung sacklochartig in den Verformungskörper 5` erstrecken. Am Grund einer Ausnehmung 26 ist ein Dehnmesselement 25 zur Erfassung lastbedingter Formänderungen appliziert.
-
Nicht dargestellt aber dennoch von der Erfindung umfasst können die sacklochartigen Ausnehmungen mit Dehnmesselementen alternativ oder kumulativ auch am Innenumfang des Verformungskörpers angeordnet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Messvorrichtung
- 2
- Kraft
- 3
- Achse
- 4
- Krafteinleitungsteil
- 5, 5'
- Verformungskörper
- 6
- Kraftausleitungsteil
- 7
- Oberseite Krafteinleitungsteil
- 8
- Erster Ringsansatz
- 9
- Gewindebohrung
- 10
- Gewindebohrung
- 11
- Unterseite Kraftausleitungsteil
- 12
- Zweiter Ringansatz
- 13
- Unterseite Krafteinleitungsteil
- 14
- Oberseite Kraftausleitungsteil
- 15
- Mittlere Kreislinie Verformungskörper
- 16
- Mittlerer Längsabschnitt
- 17
- Oberer Längsabschnitt
- 18
- Unterer Längsabschnitt
- 19
- Krafteinleitungsbereich
- 20
- Zwischenraum
- 21
- Kraftausleitungsbereich
- 22
- Zwischenraum
- 23
- Kraftfluss
- 24
- Verformungsbereich
- 25
- Dehnmesselement
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Durchgangsbohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006034086 A1 [0003]
- WO 2016/034283 A1 [0004]
