DE102020109799A1

DE102020109799A1 - Kraftmessdose

Info

Publication number: DE102020109799A1
Application number: DE102020109799.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Neumann
Original assignee: Imes Intelligent Measuring Systems GmbH
Current assignee: Imes Intelligent Measuring Systems GmbH
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-10-14
Also published as: CH717316B1; AT523702B1; CH717316A2; AT523702A2; AT523702A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften, umfassend: einen elastisch deformierbaren Frontkörper zum Kontaktieren einer zu bestimmenden Kraft an einer Außenseite des Frontkörpers, eine Übertragungshülse, die mit einer zum Frontkörper zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Bereich an einer zur Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Frontkörpers, vorzugsweise einem umlaufenden Randbereich an der Innenseite des Frontkörpers, kontaktiert, und einen elastisch deformierbaren Messkörper, der an einer zum Frontkörper abgewandten Stirnseite der Übertragungshülse angeordnet ist, wobei die Innenseite des Frontkörpers und/oder die dem Frontkörper zugewandte Innenseite des Messkörpers derart ausgestaltet ist/sind, dass die beiden Innenseiten von Front- und Messkörper einander berühren. Die Kraftmessdose ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungshülse einen sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngenden Querschnitt aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften. Die Kraftmessdose der Erfindung kommt beispielsweise beim Wiegen von Gegenständen, in Prüfanlagen oder in Drehmomentstützen zum Einsatz.
Die zunehmende Automatisierung von Prozessen und komplexen vollautomatischen Vorgängen erfordert eine entsprechend angepasste Sensorik zur zuverlässigen Durchführung einer damit einhergehenden Prozesskontrolle. Besondere Bedeutung kommt hier Kraftsensoren, bspw. in Form einer Kraftmessdose zuteil. Hohe Anforderungen werden dabei an die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit einer Messung gestellt, so dass diese Kraftmessdosen auch für den Einsatz in chemischen Prozessen oder im Lebensmittelbereich genutzt werden können. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine solche Kraftmessdose eine möglichst flache Bauform besitzt und zudem besonders leicht gereinigt werden kann.
Darüber hinaus wird bei dem nicht zu vermeidenden Eingriff in den Messraum, in dem bspw. das gewichtsmäßig zu bestimmende Gut angeordnet ist, bei einer der Messung der Kraft oder Flächenkraft eine zunehmende Miniaturisierung gefordert, um den Platzbedarf für die Montage der Kraftmessdose klein zu halten.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Kraftmessdosen bekannt, die unterschiedliche Bauformen aufweisen. Die bekannteste Bauform ist dabei der sogenannte Ringtorsionsaufnehmer, wie er bspw. in der DE 3 924 629 C2 , der EP 1 181 514 B1 , der DE 10 2016 109 292 A1 oder der DE 3 837 683 A1 in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt ist. Eine andere bekannte Bauform stellen die sogenannten stabförmige Aufnehmer dar (vgl. DE 19 537 288 A1 ).
Jede dieser Bauformen hat ihre individuellen Vor- und Nachteile, so weisen Ringtorsionsaufnehmer eine relativ flache Bauhöhe auf während stabförmige Aufnehmer Vorteile bei einer nicht zentrischen Krafteinleitung besitzen. Prinzipbedingt erfolgt der elektrische Anschluss bei beiden Typen radial, was hinsichtlich der Kompaktheit der Kraftmessdose von Nachteil ist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Kraftmessdose zu schaffen, die die jeweiligen Vorteile der beiden bisher am Markt befindlichen Bauformen kombiniert. Zudem soll die erfindungsgemäße Kraftmessdose auch bei sehr beengten Platzverhältnissen einsetzbar sein, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Umsetzungen nicht verwendet werden können. Insbesondere ist eine Kraftmessdose vorzusehen, die einfacher herzustellen ist und bei der die Kraftmesssensoren einfacher anzubringen und zu verschalten sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Kraftmessdose nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Demnach umfasst eine erfindungsgemäße Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften einen elastisch deformierbaren Frontkörper zum Kontaktieren einer zu bestimmenden Kraft an einer Außenseite des Frontkörpers, eine Übertragungshülse, die mit einer zum Frontkörper zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Bereich an einer zur Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Frontkörpers, vorzugsweise einem umlaufenden Randbereich an der Innenseite des Frontkörpers, kontaktiert, und einen elastisch deformierbaren Messkörper, der an einer zum Frontkörper abgewandten Stirnseite der Übertragungshülse angeordnet ist, wobei die Innenseite des Frontkörpers und/oder die dem Frontkörper zugewandte Innenseite des Messkörpers derart ausgestaltet ist/sind, dass die beiden Innenseiten von Front- und Messkörper einander berühren. Die Kraftmessdose ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungshülse einen sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngenden Querschnitt aufweist.
Aufgrund der Querschnittsverringerung der Übertragungshülse vom Frontkörper hin zum Messkörper ist es möglich, die durch die Kraftmessdose vorzunehmende Kraftmessung auf einfache Art und Weise in einem Messraum anzuordnen. Dabei ist lediglich eine Bohrung vorzusehen, in die die miteinander verbundene Struktur aus Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper einzubringen ist. Die Querschnittsverringerung der Übertragungshülse sorgt dann dafür, dass der Messkörpers ausreichend Platz bei einer während der Kraftmessung erfolgenden Verformung aufweist
Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Querschnittsfläche der Übertragungshülse im Verlauf von dem Frontkörper hin zum Messkörper gleich bleibt oder verringert, sich jedoch nicht mehr vergrößert.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Messkörper sich so an die Querschnittsfläche der ihm zugewandten Stirnseite der Übertragungshülse anschließt, dass er in Querschnittsrichtung nicht über die Übertragungshülse hinausgeht.
Die Querschnittsfläche des Messkörpers (bei einer Längsrichtung, die sich vom Frontkörper hin zum Messkörper erstreckt) ist dabei gleich oder kleiner als die größte oder kleinste Querschnittsfläche der Übertragungshülse.
Nach dem grundlegenden Funktionsprinzip der Kraftmessdose führt eine Krafteinwirkung auf den Frontkörper zu einer entsprechenden elastischen Verformung des Frontkörpers. Da die Innenseite des Frontkörpers mit der Innenseite des Messkörpers in Berührung steht, wird diese elastische Verformung über die sich berührenden Elemente von Front- und Messkörper weitergegeben, so dass es zu einer entsprechenden Verformung des Messkörpers kommt. Diese Verformung kann dann über eine Kraftmesseinrichtung gemessen werden, so dass die auf die Kraftmessdose einwirkende Kraft bestimmbar ist.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Übertragungshülse an seinem zum Frontkörper gewandten stirnseitigen Endabschnitt einen radial nach außen auskragenden Flansch aufweist, der vorzugsweise durchgehend in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
Zudem kann vorgesehen sein, dass auch die Übertragungshülse aus einem elastisch deformierbaren Material besteht.
An dem von der Übertragungshülse abgewandten Flanschkragen kann dabei ein Verbindungsbereich mit dem Frontköper ausgebildet sein. Der zur Übertragungshülse zugewandte Flanschkragen kann zum Auflegen auf eine komplementär ausgebildete Stufe eines Gehäuses oder einer entsprechend ausgeformten Bohrung genutzt werden.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Übertragungshülse zwischen seinen beiden stirnseitigen Endabschnitten einen radial nach innen verlaufenden Übergangsbereich aufweist, der vorzugsweise in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet ist. Dieses zusätzlich zu dem nach außen abkragenden Flansch vorsehbare Merkmal beschreibt also eine Querschnittsverminderung in einem von den beiden stirnseitigen Endabschnitten umfassten mittleren Abschnitt. Steckt man also die Übertragungshülse in eine entsprechend dimensionierte zylindrische Ausnehmung (bspw. eine Bohrung oder ein Gehäuse), so kann der nicht querschnittsverminderte Bereich der Übertragungshülse zur Fixierung und Stabilisierung genutzt werden, wohingegen der dazu nach innen abgesetzte Bereich einen (vorzugsweise umlaufenden) Spalt gegenüber der zylindrischen Ausnehmung aufweist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmessdose mit einer mehrere Dehnungsmesssensoren umfassenden Kraftmesseinrichtung versehen, wobei die Dehnungsmesssensoren an der zum Frontkörper abgewandten Außenseite des Messkörpers angeordnet sind, vorzugsweise wobei die Dehnungsmesssensoren Dehnungsmessstreifen sind, die einen hohen k-Faktor von 4,5 bis 5,5 aufweisen und/oder aus Titanoxynitrid (TiON) bestehen.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die mehreren Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verschaltet sind. Eine besonders genaue Bestimmung der Kraft erhält man, wenn in der Wheatstoneschen Vollbrücke pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet ist, wodurch sich eine maximale Empfindlichkeit auf Krafteinwirkung erzielen lässt.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Kraftmessdose ferner einen temperaturabhängigen Widerstand an der Außenseite des Messkörpers zur Kompensation eines Temperatureinflusses der durch die Kraftmesseinrichtung ausgeführten Messung. Der temperaturabhängige Widerstand wird dann dazu genutzt, die temperaturinduzierte Dehnung bzw. Stauchung des Messkörpers zu kompensieren, da diese auch von der Kraftmesseinrichtung erfasst und bei der Ermittlung einer einwirkenden Kraft herangezogen wird. Diesen Effekt gilt es zu kompensieren, wozu nun der temperaturabhängige Widerstand herangezogen wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Frontkörper, Übertagungshülse und Messkörper zu einer gemeinsamen Achse dreh- oder rotationssymmetrisch sind, vorzugsweise zu dieser Achse jeweils koaxial angeordnet sind. Der mechanische Aufbau dieser Teile und auch deren zusammengefügte Struktur kann hierbei radial symmetrisch sein, wobei insbesondere die Krafteinleitungsachse einer zu bestimmenden Kraft mit der Symmetrieachse zusammenfällt, also identisch zu ihr sein kann.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Krafteinleitung einer Kraft hin zum Messkörper über die sich berührenden Innenseiten von Frontkörper und Messkörper erfolgt. Dazu kann die Innenseite des Frontkörpers eine sich hin zum Messkörpers erstreckenden Ausgestaltung aufweisen. Vorzugsweise besitzt dabei die Innenseite eine kreisförmige Grundfläche, die sich ausgehend von einem Rand der Grundfläche immer weiter hin zum Messkörper erstreckt. Selbiges kann dabei auch für die Innenseite des Messkörpers gelten, wobei der Kontaktabschnitt der beiden Innenseite natürlich unterschiedlich ausgebildet sein kann, so eine der beiden Innenseiten spitz zuläuft und in eine entsprechende Ausnehmung der anderen Innenseite aufgenommen ist oder diese gar durchstößt. Beide Innenseiten können dabei von einem Rand zu ihrer Mitte hin kontinuierlich ansteigen.
Die sich in Richtung des Messkörpers hin erstreckende Innenseite des Frontkörpers kann dabei eine in etwa trichterförmige Grundstruktur aufweisen, die unter Umständen einen bogenartigen Anstieg besitzt und um ihren Mittelpunkt eine Ausnehmung zum Einführen eines Messkörperbestandteils aufweist. Diese Struktur der Innenseite des Frontkörpers wird in der Fachsprache auch Kraftflusskonzentrator genannt, da damit eine auf den Frontkörper einwirkende Kraft auf eine geringe Fläche fokussiert bzw. konzentriert wird.
Vorzugsweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Außenseite des Frontköpers und/oder die Außenseite des Messkörpers eben ausgebildet ist/sind.
Diese Ausgestaltungen sind besonders vorteilhaft, da eine ebene Außenseite des Frontkörpers eine einfache Reinigung zulässt, die ohne viel Aufwand durchführbar ist und zudem das Anlagern von Fremdpartikeln im Gegensatz zu einer mit Kanten versehenen oder nicht ebenen Ausführung erleichtert.
Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenseite des Frontkörpers sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Messkörper erhebt und/oder die Innenseite des Messkörpers sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Frontkörper erhebt, wobei ein radialer Zwischenraum zwischen der Übertragungshülse und den einander kontaktierenden Innenseiten verbleibt, vorzugsweise wobei die Innenseite des Messkörpers in eine mittige Ausnehmung des Frontkörpers eindringt oder diese durchdringt.
Vorzugsweise umfasst die Kraftmessdose darüber hinaus einen Aufnahmekörper, insbesondere eine Bohrung, zum Aufnehmen der miteinander verbundenen Bauteile umfassend Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper, wobei der sich vom Frontkörper hin zum Messkörper verjüngende Querschnitt der Übertragungshülse in seinem noch nicht verjüngten Bereich für eine Befestigung und Zentrierung und in seinem verjüngten Bereich für einen radialen Abstand der Übertragungshülse und des Messkörpers zum Aufnahmekörper sorgt, wobei vorzugsweise der Aufnahmekörper eine zylindrische Grundform aufweist, die im Bereich des Frontkörpers einen stufenartig nach innen gerichteten Auflageflansch besitzt, um einen ebenen oder nahezu ebenen Abschluss von Frontkörper im Aufnahmekörper bei einer Kraftmessdose, deren Übertragungshülse an der frontkörperseitigen Stirnseite eine Flanschauskragung aufweist, zu ermöglichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens ein elektrischer Anschluss zu der Kraftmesseinrichtung axial erfolgen kann, vorzugsweise über an der zur Innenseite gegenüberliegenden Außenseite des Messkörpers angeordnete Kontaktierungsflächen. Vorteilhaft hieran ist, dass im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Kraftmessdosen eine axiale Anschlussführung der Kraftmessdose möglich ist. Eine einfache Bohrung kann demnach bereits als Aufnahmekörper bzw. als Aufnahme ausreichend sein, so dass die Verwirklichung der vorliegenden Kraftmessdose sehr kostenschonend und bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzbar ist.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Frontkörper, die Übertragungshülse und/oder der Messkörper aus einem Metall ist, vorzugsweise einem hochfesten Metall, bevorzugterweise aus dem martensitischen Stahl 1.4542 oder 1.4548 und/oder der Nickelbasislegierung Inconel 718, deren chemische Zusammensetzung aus 50,0 -5 5,0% Ni, 17,0 - 21,0% Cr, 4,75 - 5,50% TA+Nb, 2,80 - 3,30% Mo, 0,65 - 1,15% Ti, 0,20 - 0,80% Al, ≤ 0,3% Cu, ≤ 0,08% C, ≤ 0,35% Si und ≤ 1,0% Co besteht.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper identisch ist oder um weniger als 5% vom nominal größten Koeffizient abweicht. Dadurch wird erreicht, dass ungewünschte, asymmetrische bzw. inhomogene Deformationen bedingt durch die thermische Ausdehnung des Materials vermieden werden.
Ferner kann nach einer optionalen Modifikation vorgesehen sein, dass eine Anschlussplatine vorgesehen ist, die an der Außenseite des Messkörpers angeordnet ist, vorzugsweise wobei die Anschlussplatine stoffschlüssig mit der Außenseite des Messkörpers verbunden ist. Die Anschlussplatine kann zum elektrischen Anschluss der Kraftmesseinrichtung vorgesehen sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftmessdose, deren Dehnungsmesssensoren und/oder deren temperaturabhängiger Widerstand mittels Dünnschichttechnologie auf den Messkörper aufbringbar ist oder aufgebracht worden ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der gesamte Aufbau aus Frontkörper, Übertragungshülse und Messkörper eine so geringe Dicke in axialer Richtung aufweist, dass dieser mittels verfügbaren Dünnschicht-Beschichtungsanlagen beschichtet werden kann. So ist dann bspw. das Aufbringen der Dehnungsmesssensoren einfach zu bewerkstelligen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: zeigt eine Schnittansicht der wichtigsten Bestandteile der erfindungsgemäßen Kraftmessdose,
2: zeigt eine weitere Schnittansicht der aus der 1 bekannten Struktur, die in eine Aufnahmeöffnung eingesteckt ist und darüber hinaus mit weiteren Bestandteilen versehen ist,
3: zeigt das Schaltbild einer Wheatstoneschen Vollbrücke, und
4: zeigt eine Draufsicht auf die Außenseite des Messkörpers.

1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kraftmessdose, bei der ein elastisch deformierbarer Frontkörper 1 zum Kontaktieren einer Kraft F ausgebildet ist. Dieser Frontkörper 1 weist eine in etwa eben ausgebildete Außenseite auf, die dazu geeignet ist, eine darauf einwirkende Kraft F zu bestimmen. Die zur Außenseite des Frontkörpers 1 abgewandte Innenseite weist einen sich zu dessen Mitte sich hin erhebenden Kraftflusskonzentrator 4 auf. Dieser Kraftflusskonzentrator 4 bewirkt, dass eine von der Außenseite des Frontkörpers einwirkende Kraft F auf einen bestimmten Bereich auf der Innenseite konzentriert wird. Eine mögliche Ausgestaltung des Kraftflusskonzentrators 4 ist dabei eine trichterförmige oder winklig zur ebenen Fläche der Außenseite verlaufende Erhöhung an der Innenseite, die sich in etwa senkrecht zu der durch die ebene Außenseite des Frontkörpers 1 gebildeten Ebene erhebt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Frontkörper eine Scheibe ist, bei der eine erste flächige Seite die Außenseite und die zweite flächige Seite die Innenseite darstellt.
In einem Randbereich des Frontkörpers 1 schließt sich dabei eine Übertragungshülse 2 an, die über eine flanschartige Auskragung 7 von dem Kontaktbereich zu dem Frontkörper nach innen hin versetzt ausgeformt ist, und dann im Wesentlichen parallel zu der Krafteinleitungsachse 19, bzw. in Normalenrichtung zur ebenen Außenseite des Frontkörpers 1 weg von dem Frontkörper 1 verläuft. Diese Übertragungshülse berührt an ihrem von dem Frontkörper 1 angewandten stirnseitigen Ende einen Messkörper 3, der die durch die Übertragungshülse 2 definierte Öffnung abschließt. Der Messkörper 3 besitzt dabei eine zum Frontkörper 1 gewandte Innenfläche, sowie eine vom Frontkörper 1 abgewandte Außenfläche. Die Innenfläche besitzt ähnlich wie die Innenfläche des Frontkörpers einen sich parallel zur Krafteinleitungsachse 19 erstreckenden Abschnitt, der den Kraftflusskonzentrator 4 kontaktiert.
Wie in der 1 dargestellt, kann sogar vorgesehen sein, dass der Kraftflusskonzentrator 4 radial zur Krafteinleitungsachse 19 eine Ausnehmung oder eine gar durchgehende Ausnehmung aufweist, in die das dazu parallel verlaufende Gegenstück des Messkörpers 3 eindringt. So kann auch ein Teil dieses in die Ausnehmung des Kraftflusskonzentrators 4 eindringenden Elements des Messkörpers 3 hin zur Außenseite des Frontkörpers 1 verlaufen. Dem Fachmann is dabei bewusst, dass dies nicht für jede von der Erfindung umfasste Kraftmessdose der Fall sein muss, sondern dass auch ein normaler Eingriff oder das plane Anliegen zweier geradliniger Ebenen der beiden sich berührenden Kontaktstücke das Wirkprinzip der Erfindung verwirklicht.
Die Übertragungshülse 2 ist dabei so ausgelegt, dass zwischen den sich parallel zur Krafteinleitungsachse 19 ausgeführten und sich einander berührenden Bestandteilen der jeweiligen Innenseiten von Frontkörper 1 und Messkörper 3 ein radialer Freiraum 5 ausgebildet ist, der den Kontaktabschnitt von Frontkörper 1 und Messkörper 3 umlaufend umgibt. Ferner erkennt man, dass die Übertragungshülse 2 neben ihrer flanschartigen Auskragung 7 im Kontaktbereich mit dem Frontkörper 1 eine Querschnittsverringerung (nahe dem Bezugszeichen 8) besitzt, die ein besonders einfaches Montieren der Kraftmessdose in einen Aufnahmekörper, wie beispielsweise einem Gehäuse oder einer entsprechend dimensionierten Bohrung 18 ermöglicht. Wichtig ist dabei, dass diese Querschnittsverminderung die Bewegbarkeit des Messkörpers 3 bei einem Einwirken einer Kraft F ermöglicht, so dass das grundlegende Wirkprinzip der Kraftmessung beibehalten werden kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass an der zum Frontkörper 1 abgewandten Außenseite des Messkörpers 3 eine Kraftmesseinrichtung angegeben ist, welche eine Dehnung der Außenseite des Messkörpers 3 erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Dazu können mehrere Dehnungsmesssensoren in Form von Dehnungsmessstreifen miteinander verschaltet sein, vorzugsweise entsprechend einer Wheatstoneschen Brücke, so dass eine durch das Einwirken der Kraft F bedingte Ausdehnung der Außenseite erfasst und in ein elektrisches Signal entsprechend zu einer einwirkenden Kraft umgewandelt wird. Das Anbringen an der Außenseite des Messkörpers 3 ist ausreichend weit vom Messraum 13 entfernt, so dass die typischerweise dort herrschenden rauen Bedingungen nicht auf die Kraftmesseinheit wirken können.
Vorteilhaft an der in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, dass der Aufbau aus dem flachen, elastisch deformierbaren Frontkörper, beispielsweise in Form einer Scheibenfeder, der Übertragungshülse 2 und dem Messkörper 3, der mittig zur Krafteinleitungsachse einen Kontakt mit dem Frontkörper 1 aufweist, eine besonders geschickte Krafteinleitung einer zu messenden Kraft aufweist. So ist der axiale Abstand 15 von Krafteinleitung zu Kraftausleitung sehr gering, was einen vereinfachten Einbau und eine besonders wirkungsvolle Messung anhand einer durch Biegung des Messkörpers 3 ermöglicht. Die Krafteinleitung erfolgt dabei über den Frontkörper, der über den Kraftflusskonzentrator 4 die einwirkende Kraft an den Messkörper 3 weitergibt. Dort wird der Kraftfluss umgelenkt, so dass sie über die Übertragungshülse aus dem Flansch 7 ausgeleitet wird. Da der Flansch 7 und der Frontkörper 1 aneinander anliegen, ist der axiale Abstand 15 von Krafteinleitung und Kraftausleitung sehr gering, so dass sehr kompakte und strukturell vorteilhafte Anordnungen von Kraftmessdosen umsetzbar sind.
2 zeigt dabei die Bauteile aus 1 in einem eingesteckten Zustand eines Aufnahmekörpers, beispielsweise einer Bohrung 18. Man erkennt, dass die flanschartige Auskragung 7 an dem zum Frontkörper 1 gewandten Endbereich der Übertragungshülse 2 mit einem Auflageflansch 12 zusammenwirkt bzw. darauf aufliegen, so dass eine mittig auf die Kraftmessdose einwirkende Kraft F über den Frontkörper 1 in den Messkörper 3 eingebracht wird und über die Übertragungshülse in Richtung zum Frontkörper 1 aus dem Flansch 7 in den Aufnahmekörper 16 eingeleitet wird. Erstellt man nun eine entsprechend abgestufte Bohrung, deren Auflagefläche 12 für den Flansch 7 der Übertragungshülse im Wesentlichen so tief gelegt ist, wie eine Summe der Dicken von dem Randbereich des Frontkörpers 1 und dem Flansch 7 der Übertragungshülse 2, kann auf einfache Art und Weise eine fast eben oder eben ausgeführte Kraftmessdose vorgesehen sein. Dies erleichtert das Reinigen einer solchen Kraftmessdose erheblich, da aus der Außenseite des Frontkörpers 1 vorspringenden oder zurückversetzten Elemente vorgesehen sind.
Ist der Innendurchmesser der Bohrung 18 auf den Außendurchmesser der Übertragungshülse in einem von dem Flansch beabstandeten Bereich abgestimmt, der jedoch noch keiner Querschnittsverringerung unterzogen ist, so dient dieser Bereich zu einem Zentrieren und Befestigen der miteinander verbundenen Bauteile Frontkörper 1 Übertragungshülse 2 und Messkörper 3. Dieser Befestigungs- und Zentrierungsbereich 8 der Übertragungshülse kontaktiert im Wesentlichen eine Innenwand der Bohrung 18, so dass ein Einstecken in die Bohrung 18 auch eine fixierende und gegenüber dem Messraum 13 abdichtende Wirkung besitzt. So kann ein Einpressen auch zu einer abdichtenden Verbindung führen, bei dem der Messraum 13 von dem Anbringungsort der Kraftmesseinrichtung dichtend getrennt ist.
Zudem erkennt man, dass an der von dem Frontkörper 1 abgewandten Außenseite des Messkörpers 3 eine Anschlussplatine 14 angeordnet ist, die axial an die Außenseite des Messkörpers 3 durch Sintern oder Aufpressen stoffschlüssig verbunden ist. Diese Anschlussplatine 14, die vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Leiterkartenmaterial oder einer Keramik sein kann, ermöglicht das axiale Heranführen von elektrischen Anschlüssen für die Kraftmesseinrichtung. Somit ist es möglich, einen in Radialrichtung gesehen sehr kompakten Aufbau zu erzeugen, der auch das Einschieben der Kraftmessdose in eine Bohrung ermöglicht. Von einer zum Messraum 13 gegenüberliegenden Seite kann demnach die Anschlussplatine besonders leicht verkabelt werden.
Die bei der Kraftmessvorrichtung vorzusehenden Dehnmessstreifen 9 können mittels Dünnschichttechnologie auf den Messkörper 3 aufgebracht werden. Dabei gewährt die den Messraum 13 gegenüberliegende Anordnungsposition einen optimalen Schutz gegenüber vom Messraum 13 ausgehenden Beschädigungen. Ferner kann auch an der Außengeräte des Messkörpers 3 ein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen sein, der das Ausdehnen und das Zusammenziehen des Messkörpers 3, der nur aufgrund einer Temperaturschwankung erfolgt und nichts mit einer Kraftmessung zu tun hat, herausgerechnet bzw. kompensiert werden.
3 zeigt ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brücke, die jeweils vier Dehnmessstreifen aufweist. Ein Dehnmessstreifen 9 ist dabei ein von einer Dehnung bzw. einer Stauchung des Messkörpers 3 abhängiger Widerstand, so dass bei einer entsprechenden Brückenverschaltung, wie sie in 3 gezeigt ist, die Ausgangsspannung UAB in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U₀ einen Rückschluss auf den aktuellen Dehn- oder Stauchungszustand des Messkörpers 3 zulässt. Damit kann pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet sein, was aus der 4 durch die unterschiedlichen Pfeilrichtungen der jeweils links neben dem Dehnmessstreifen dargestellten Pfeile erkennbar ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit auf eine Krafteinwirkung des Messkörpers 3. Zudem sind die Dehnmessstreifen 9 mit gleicher Belastungsart in den beiden Halbbrücken jeweils diagonal gegenüber zueinander angeordnet. Hieraus ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit auf die Krafteinleitung von $U_{A} = B^{+} \frac{U_{0}}{4} \cdot k (ε_{1} - ε_{2} + ε_{3} - ε_{4}),$
wobei k der Verstärkungskoeffizient der Dehnungsmessstreifen 9 ist.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass nicht nur die Dehnungsmessstreifen 9 mithilfe eines generativen Verfahrens, bspw. der Dünnschichttechnologie auf die Außenseite des Messkörpers 3 aufgebracht worden sind, sondern dass sowohl der Frontkörper 1, die Übertragungshülse 2 und auch der Messkörper 3 mithilfe eines generativen Fertigungsverfahrens erzeugt worden sind.
4 ist eine Draufsicht auf die Außenseite des Messkörpers 3, so dass man die mehreren Dehnungsmessstreifen 9, die Kontaktierungsflächen 11 und den temperaturabhängigen Widerstand 10 gut erkennen kann. Zudem erkennt man die sich im Querschnitt vergrößernde Übertragungshülse 2 und den sich nach außen erstreckenden Flanschabschnitt 7, der bündig mit dem Frontkörper 1 abschließt.
Bezugszeichenliste

1: Frontkörper
2: Übertragungshülse
3: Messkörper
4: Kraftflusskonzentrator
5: Radialer Zwischenraum
6: Krafteinleitung
7: Flansch
8: Befestigungs- und Zentrierungsbereich
9: Dehnungsmesssensoren
10: Temperaturabhängiger Widerstand
11: Kontaktierungsflächen
12: Auflageflansch
13: Messraum
14: Anschlussplatine
15: Axialer Abstand zwischen Kraftein- und -ausleitung
16: Aufnahmekörper
17: Radialer Abstand
18: Befestigungsbohrung
19: Symmetrie- / Krafteinleitungsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3924629 C2 [0004]
EP 1181514 B1 [0004]
DE 102016109292 A1 [0004]
DE 3837683 A1 [0004]
DE 19537288 A1 [0004]

Claims

Kraftmessdose zur Ermittlung von Punkt- und/oder Flächenkräften, umfassend: einen elastisch deformierbaren Frontkörper (1) zum Kontaktieren einer zu bestimmenden Kraft an einer Außenseite des Frontkörpers (1), eine Übertragungshülse (2), die mit einer zum Frontkörper (1) zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Bereich an einer zur Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Frontkörpers (1), vorzugsweise einem umlaufenden Randbereich an der Innenseite des Frontkörpers (1), kontaktiert, und einen elastisch deformierbaren Messkörper (3), der an einer zum Frontkörper (1) abgewandten Stirnseite der Übertragungshülse (2) angeordnet ist, wobei die Innenseite des Frontkörpers (1) und/oder die dem Frontkörper (1) zugewandte Innenseite des Messkörpers (3) derart ausgestaltet ist/sind, dass die beiden Innenseiten von Front- und Messkörper (3) einander berühren, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungshülse (2) einen sich vom Frontkörper (1) hin zum Messkörper (3) verjüngenden Querschnitt aufweist.
Kraftmessdose nach Anspruch 1, wobei die Übertragungshülse (2) an seinem zum Frontkörper (1) gewandten stirnseitigen Endabschnitt einen radial nach außen auskragenden Flansch (7) aufweist, der vorzugsweise durchgehend in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungshülse (2) zwischen seinen beiden stirnseitigen Endabschnitten einen radial nach innen verlaufenden Übergangsbereich aufweist, der vorzugsweise durchgehend in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer mehrere Dehnungsmesssensoren (9) umfassenden Kraftmesseinrichtung, wobei die Dehnungsmesssensoren (9) an der zum Frontkörper (1) abgewandten Außenseite des Messkörpers (3) angeordnet sind, vorzugsweise wobei die Dehnungsmesssensoren (9) Dehnungsmessstreifen sind, die einen hohen k-Faktor von 4,5 bis 5,5 aufweisen und/oder aus Titanoxynitrid bestehen.
Kraftmessdose nach Anspruch 4, ferner mit einem temperaturabhängigen Widerstand (10) an der Außenseite des Messkörpers (3) zur Kompensation eines Temperatureinflusses der durch die Kraftmesseinrichtung ausgeführten Messung.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Frontkörper (1), Übertragungshülse (2) und Messkörper (3) zu einer gemeinsamen Achse (19) dreh- oder rotationssymmetrisch sind, vorzugsweise zu dieser Achse (19) jeweils koaxial angeordnet sind.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Krafteinleitung einer Kraft hin zum Messkörper (3) über die sich berührenden Innenseiten von Frontkörper (1) und Messkörper (3) erfolgt.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenseite des Frontköpers und/oder die Außenseite des Messkörpers (3) eben ausgebildet ist/sind.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenseite des Frontkörpers (1) sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Messkörper (3) erhebt und/oder die Innenseite des Messkörpers (3) sich zu ihrer Mitte hin in Richtung Frontkörper (1) erhebt, wobei ein radialer Zwischenraum (5) zwischen der Übertragungshülse (2) und den einander kontaktierenden Innenseiten verbleibt, vorzugsweise wobei die Innenseite des Messkörpers (3) in eine mittige Ausnehmung des Frontkörpers (1) eindringt und/oder diese durchdringt.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Aufnahmekörper (16), insbesondere einer Bohrung, zum Aufnehmen der miteinander verbundenen Bauteile von Frontkörper (1), Übertragungshülse (2) und Messkörper (3), wobei der sich vom Frontkörper (1) hin zum Messkörper (3) verjüngende Querschnitt der Übertragungshülse (2) in seinem noch nicht verjüngten Bereich (8) für eine Befestigung und Zentrierung und in seinem verjüngten Bereich für einen radialen Abstand (17) der Übertragungshülse (2) und des Messkörpers (3) zum Aufnahmekörper (16) sorgt, wobei vorzugsweise der Aufnahmekörper (16) eine zylindrische Grundform aufweist, die im Bereich des Frontkörpers (1) einen stufenartig nach innen gerichteten Auflageflansch (12) besitzt, um einen ebenen oder nahezu ebenen Abschluss von Frontkörper (1) im Aufnahmekörper (16) bei einer nach Anspruch 2 fortgebildeten Kraftmessdose zu ermöglichen.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Fortbildungen des Anspruchs 4, wobei mindestens ein elektrischer Anschluss zu der Kraftmesseinrichtung axial erfolgen kann, vorzugsweise über an der Außenseite des Messkörpers (3) angeordnete Kontaktierungsflächen (11).
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Frontkörper (1), die Übertragungshülse (2) und/oder der Messkörper (3) aus einem Metall ist, vorzugsweise einem hochfesten Metall, bevorzugterweise aus dem martensitischen Stahl 1.4542 oder 1.4548 oder der Nickelbasislegierung Inconel 718, deren chemische Zusammensetzung aus 50,0 -5 5,0% Ni, 17,0 - 21,0% Cr, 4,75 - 5,50% TA+Nb, 2,80 - 3,30% Mo, 0,65 - 1,15% Ti, 0,20 - 0,80% Al, ≤ 0,3% Cu, ≤ 0,08% C, ≤ 0,35% Si und ≤ 1,0% Co besteht.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient von Frontkörper (1), Übertragungshülse (2) und Messkörper (3) identisch ist oder um weniger als 5% vom nominal größten Ausdehnungskoeffizient abweicht.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Anschlussplatine (14), die an der Außenseite des Messkörpers (3) angeordnet ist, vorzugsweise wobei die Anschlussplatine (14) stoffschlüssig mit der Außenseite des Messkörpers (3) verbunden ist.
Kraftmessdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsmesssensoren (9) nach dem Anspruch 4 und/oder der temperaturabhängige Widerstand (10) nach dem Anspruch 5 mittels Dünnschichttechnologie auf den Messkörper (3) aufbringbar ist oder aufgebracht worden ist.