DE19826629A1 - Kraftmeßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Kraftmeßvorrichtung, bestehend aus Krafteinleitungselementen (11, 20), Kraftaufnahmeelementen (7) und einem dazwischen angeordneten zylinderförmigen rotationssymmetrischen plattenartigen Verformungskörper, in den von mindestens einer Plattenfläche mindestens je eine Gruppe von Einsenkungen (8) vorgesehen sind, durch die radial beabstandete Stege (9, 9a) gebildet werden, an denen Dehnungsmeßstreifen (4, 6) appliziert sind. Dabei sind im Bereich des Krafteinleitungselements (11, 20) und der Stege (9, 9a) in axialer Richtung eine ringförmige Aussparung (5, 26) vorgesehen, die symmetrisch zur Mittelachse (23) angeordnet ist. Es kann aber auch im Bereich des Kraftaufnahmeelements (7) in axialer Richtung eine ringförmige Nut (3, 25) angeordnet sein, wodurch der Gesamtfehler der Kraftmeßvorrichtung minimierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Derartige Kraftaufnehmer sind bereits aus der DE-AS 21 32 012 bekannt. Diese Kraftaufnehmer stellen im Prinzip einen rota­ tionssymmetrischen Einfach- oder Doppelbiegebalken dar. Der­ artige Kraftaufnehmer zeichnen sich durch eine hohe Meßgenau­ igkeit aus und können für hohe Nennlasten mit verhältnismäßig geringen Abmessungen hergestellt werden. Eine wesentliche Ei­ genschaft dieser Kraftaufnehmer nach dem rotationssymmetri­ schen Einfach- oder Doppelbiegebalken-Prinzip ist die verhält­ nismäßig geringe Hysterese und hohe Linearität. Als Hysterese wird die Differenz der bei gleicher Last bei Belastung bzw. Entlastung erhaltenen Signale bezeichnet. Wobei der Lineari­ tätsfehler durch eine unterschiedliche Belastungsdehnung der mit den Dehnungsmeßstreifen applizierten Bereiche entsteht. Dabei ist bei der Kraftmeßvorrichtung nach dem rotationssymme­ trischen Einfach- oder Doppelbiegebalken-Prinzip eine Wechsel­ wirkung beider Fehler immanent, so daß die Schwierigkeit darin besteht, solche Maßnahmen zu treffen, die den Gesamtfehler verbessern. So sind verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Hystereseeigenschaften bei Biegeringwägezellen bekannt, die aber meist nicht übertragbar sind, da die Biegespannungs­ verhältnisse und Linearitätsbeeinflussungen unterschiedlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei Kraftaufnehmern nach dem rotationssymmetrischen Einfach- oder Doppelbiege­ balken-Prinzip eine Verringerung der Meßfehler zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2 angegebenen Erfindungen gelöst. Weiterbildungen und vorteil­ hafte Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindungen haben den Vorteil, daß durch die axiale Aus­ sparung im Bereich des Krafteinleitungselementes eine erhebli­ che Verbesserung zumindest des Linearitätsfehlers erreicht wird, da hierdurch insbesondere die unterschiedliche Bela­ stungsdehnung in den Stegen ausgeglichen wird.

Durch die erfinderische axiale Nut im Bereich des Kraftauf­ nahmeelements wird auf einfache Art und Weise auch der Einfluß der Reibdehnung verringert, so daß hierdurch in erster Linie die reibungsbedingte Hysterese in vorteilhafter Weise mini­ mierbar ist. Gleichzeitig ist durch diese Nut auch die Linea­ rität beeinflußbar, so daß auf diese vorteilhafte Weise in gewissen Grenzen eine Restnichtlinearität kompensierbar ist.

In einer besonderen Ausführungsart werden durch Einsenkungen von jeder Plattenseite her axial versetzte Stege geschaffen, durch die in vorteilhafter Weise eine rotationssymmetrische Kraftmeßvorrichtung nach dem Doppelbiegebalken-Prinzip her­ stellbar ist, durch die auch Fertigungsungenauigkeiten und thermische Beeinflussungen kompensiert werden.

In einer anderen besonderen Ausführungsart kann in Kombination der axialen Aussparung bzw. Nut mit tangentialen Aussparungen am Kraftaufnahmering der reibungsbehaftete Fehler mit dem Li­ nearitätsfehler so abgestimmt werden, daß sich diese nahezu aufheben und damit in vorteilhafter Weise eine Optimierung des Gesamtfehlers erreicht wird. Dies kann in einer weiteren Aus­ führungsart noch dadurch verbessert werden, daß der Auflage­ ring nur eine kleine Auflagefläche mit nach innen gezogenem Auflagepunkt aufweist, so daß in vorteilhafter Weise eine Mi­ nimierung der reibungsbedingten Hysterese erreichbar ist.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Draufsicht einer Kraftmeß­ vorrichtung nach dem Prinzip eines rotations­ symmetrischen Mehrfachdoppelbiegebalkens,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Seitenansicht einer Kraftmeßvorrichtung nach dem Prinzip eines ro­ tationssymmetrischen Mehrfachdoppelbiegebal­ kens, und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Seitenansicht einer Kraftmeßvorrichtung mit innenliegendem Gewinde als Krafteinleitungselement.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Kraftmeßvorrichtung nach dem Prinzip eines rotationssymmetrischen Mehrfachdoppelbiege­ balkens mit Krafteinleitungselement 11 und Kraftaufnahmeele­ ment 7 und einem dazwischen angeordneten Verformungskörper 1, der im wesentlichen aus mit Dehnungsmeßelementen 4, 6 versehe­ nen biegeelastischen Stegen 9, 9a besteht.

Das Ausführungsbeispiel ist als kreisrunde Platte ausgebildet, das im Zentrum ein bolzenartiges Krafteinleitungselement 11 besitzt. Um dieses Krafteinleitungselement 11 sind auf einem Teilkreis 10 acht Bohrungen 8 als Einsenkungen angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Plattenfläche sind auf dem gleichen Teilkreis 10 ebenfalls acht Bohrungen 8 mit gleichem Durch­ messer angebracht, die allerdings um einen Winkel α=22,5° gegenüber den gegenüberliegenden Bohrungen versetzt sind. Hierdurch entstehen axial und radial versetzte Stege 9, 9a, die das Krafteinleitungselement 11 mit einem am äußeren Durch­ messer angeordneten Kraftaufnahmeelement 7 verbinden. Das Kraftaufnahmeelement 7 besteht aus dem äußeren Randbereich der Kraftmeßvorrichtung, der an die Stege 9, 9a angrenzt. Der Randbereich ist als Außenring 2 ausgebildet, der sich mit ei­ ner ebenfalls ringförmigen Aufstandsfläche 18 auf einer Unter­ lage 17 abstützt. In der Regel wird der Außenring 2 mit der Unterlage 17 beispielsweise über eine Schraubverbindung fest verbunden.

Bei den Einsenkungen 8 können auch eine größere Anzahl kleine­ rer Bohrungen oder eine kleinere Anzahl größerer Bohrungen vorgesehen werden, woraus sich auch andere Versetzwinkel α ergeben. Die Anzahl der Bohrungen wird sowohl nach der Anzahl der vorgesehenen Dehnungsmeßstreifen 4, 6, nach der Größe der vorgesehenen Nennlasten als auch nach den gewünschten Außen­ abmessungen festgelegt.

Auf den versetzten biegeelastischen Stegen 9, 9a sind symme­ trisch oder annähernd symmetrisch zum Teilkreis 10 jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen 4, 6 auf jedem Steg 9, 9a appliziert, die mit Dehnungsmeßstreifen 4, 6 auf anderen Stegen 9, 9a in bekannter Art zu einer Wheatstone'schen Meßbrücke verschaltet sind. Die genaue radiale Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 4, 6 wird aufgrund des Radialdehnungsverlaufs infolge der Nenn­ last und der Reibungseinflüsse der Aufstandsfläche 18 mit Hilfe eines bekannten Rechenverfahrens nach der Finite-Ele­ mente-Methode bestimmt. Dabei sind die Dehnungsmeßstreifen 4, 6 jeweils auf einer außenliegenden ebenen Stegfläche 13 angeordnet. Die mit den Dehnungsmeßstreifen 4, 6 versehenen Stegflächen 13 können mit den Plattenoberflächen 12 abschlie­ ßen oder auch zum besseren Schutz versenkt angeordnet sein. Allerdings muß zur Bildung des Doppelbiegebalken-Prinzips zwi­ schen den gedachten mittleren Ebenen der Stege 9, 9a jeder Plattenseite ein axialer Abstand vorgesehen werden.

Die Erfindungen sind aber auch bei einer Kraftmeßvorrichtung nach dem Prinzip des rotationssymmetrischen Einfachbiegebal­ kens wirksam. Hierzu wäre nur eine entsprechend flache Platte vorzusehen, deren Bohrungen durchgehend sind, so daß sich kei­ ne axial versetzten Stege bilden. Ob die Erfindung an einer Kraftmeßvorrichtung nach dem Einfach- oder Doppelbiege­ balken-Prinzip gewählt wird, richtet sich nach dem gewünschten Genauigkeits- und Herstellungskostenerfordernissen. Im folgen­ den wird lediglich das Ausführungsbeispiel nach dem Doppelbie­ gebalkenprinzip beschrieben, das sich lediglich durch die ver­ setzten nicht durchdringenden Bohrungen von jeder Plattenseite unterscheidet, so daß beim Einfachbiegebalken nur Stege in einer axialen Ebene vorhanden sind.

Nach Fig. 2 der Zeichnung ist das Schnittbild einer Kraftmeß­ vorrichtung entsprechend einer Schnittlinie B-B dargestellt. Dabei ist lediglich die linke Hälfte schnittbildlich aus ge­ zeichnet, wobei die andere Seite spiegelbildlich ausführt ist.

Im Zentrum ist symmetrisch zur Mittelachse 23 das bolzenartige Krafteinleitungselement 11 angeordnet, durch das die zu mes­ sende Kraft eingeleitet wird. Am äußeren radialen Rand 15 ist das Kraftaufnahmeelement 7 vorgesehen, das sich mit einem Ring 18 kleiner Aufstandsfläche auf einer Unterlage 17 abstützt. Zwischen dem zentralen Krafteinleitungselement 11 und dem Ring 18 sind die biegeelastischen Stege 9, 9a angeordnet. Zwischen dem Krafteinleitungselement 11 und den Stegen 9, 9a ist eine nutartige axiale Aussparung 5, 26 vorgesehen, die symmetrisch zur Mittelachse 23 angeordnet ist. Diese axiale Aussparung 5,26 besitzt eine genau bemessene Tiefe, wodurch die Biege­ spannung am Bereich der Krafteinleitung der Stege 9, 9a ver­ ringerbar ist. Es hat sich herausgestellt, daß dadurch die unterschiedliche Dehnung im radialen Verlauf der Stege 9, 9a ausgleichbar ist, wodurch das durch die Dehnungsmeßelemente 4, 6 erzeugte Meßsignal über dem Belastungsbereich einen nahezu linearen Verlauf aufweist. Dadurch ist der Meßfehler auf ein­ fache Art und Weise erheblich verringerbar.

Diese Wirkung wird gleichfalls von einer kegelförmigen Vertie­ fung 14 an der Unterseite der Stege 9, 9a noch verbessert, indem der Querschnitt der Stege 9, 9a zwischen den applizier­ ten Dehnungsmeßstreifen 4, 6 verkleinert wird. Diese kegelige Vertiefung 14 ist auf einfache Art mittels eines Bohrwerkzeugs an den Stegen 9, 9a anzubringen. Durch die Berücksichtigung des Kegelwinkels kann durch diese beiden Maßnahmen der Linea­ ritätsfehler über den gesamten Belastungsbereich nahezu linea­ risiert werden.

Durch die Krafteinleitung über die Stege 9, 9a wirkt gleich­ zeitig auch ein Drehmoment auf die Aufstandsfläche 18 des Au­ ßenrings 2, hierdurch entstehen auch Radialkräfte, die einen Hysteresefehler bewirken, der durch die Reibung an der Auf­ standsfläche 18 entsteht. Dieser Hysteresefehler steht mit den Linearitätsfehler teilweise in Wechselwirkung, so daß sich diese Fehler sowohl addieren als auch kompensieren können. Durch eine zusätzliche Nut bzw. Einsenkung 3, 25 im Bereich des Kraftaufnahmeelements 7 und symmetrisch zur Mittelachse 23 hat sich gezeigt, daß diese axiale Nut 3, 25 nicht nur den Hysteresefehler erheblich verringert, sondern dies auch zur Verbesserung der Linearität in den Stegen 9, 9a führt. Gleich­ zeitig wurde dadurch auch ein Ausgleich des unterschiedlichen Belastungsdehnungsverlaufs in den Stegen 9, 9a erzielt, so daß durch die beiden aufeinander abgestimmten axialen Vertiefungen 3, 5; 25, 26 einer Ebene weitgehend eine Optimierung des Meß­ fehlers erreichbar ist. Durch entsprechende Relation der Nuten 3, 5; 25, 26 zueinander können zusätzliche thermische Einflüs­ se, wie sie durch Temperaturdifferenzen an den Krafteinlei­ tungselementen 11, 20 und den Aufstandsflächen 18 herrschen, kompensiert werden.

Eine weitere vorzugsweise Verbesserung des Hysteresefehlers wurde noch durch zusätzliche radiale Aussparungen am Außenring 2 im Bereich der Aufstandsfläche 18 erreicht. Dazu wurde eine Aussparung 16 am äußeren Teil und eine Aussparung 19 am inne­ ren Teil des Außenrings 2 vorgesehen, die zu einer Verringe­ rung des Reibmoments und einem zusätzlichen Ausgleich der un­ terschiedlichen Belastungsdehnung beitragen. Dieser Effekt ist auch erreichbar, soweit nur eine Aussparung 19 am Innenteil des Außenrings 2 mit entsprechender Tiefe vorgesehen wird. Dabei ergibt sich die axiale Anordnung der Aussparungen 16, 19 in erster Linie nach dem Gesamtkraftverlauf.

Diese Optimierungsmaßnahmen werden noch dadurch unterstützt, daß die Aufstandsfläche 18 des Außenrings 2 möglichst weit radial nach innen verlegt wird. Dabei wirkt sich eine kleine Aufstandsfläche 18 reibungsmindernd aus, so daß dies die Hy­ sterese günstig beeinflußt. Durch die radiale Verlagerung nach innen wird ein Gegenmoment erzeugt, das einer radialen Bewe­ gung nach außen entgegenwirkt, so daß weniger oder keine Rela­ tivbewegung der Aufstandsfläche 18 zur Unterlage 17 auftritt und somit möglichst keine Reibung entsteht. Eine derartige Verlegung der Aufstandsfläche 18 radial nach innen kann durch eine Hinterschneidung an der Innenfläche des Außenrings 2 und Verlegung der Aufstandsfläche 18 radial nach innen erreicht werden, so daß die Aufstandsfläche 18 radial einen Abstand zum Drehpunkt aufweist.

In Fig. 3 der Zeichnung ist eine Ausführungsvariante gezeigt, durch die die Krafteinleitung mittels eines Gewindeteils 20 in die Kraftmeßvorrichtung eingeleitet wird. Hierzu ist im Zen­ trum eine Durchgangsbohrung 21 vorgesehen, die ganz oder teil­ weise ein Innengewinde 20 enthält. Dabei ist das Innengewinde 20 mindestens im Bereich der neutralen Phase 22 axial zwischen den beiden Stegflächen angeordnet, wodurch ein möglichst ge­ ringes Drehmoment auf die Aufstandsflächen 18 wirkt. Gleich­ zeitig ist hierdurch auch eine sehr kompakte Ausgestaltung der Kraftmeßvorrichtung möglich.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben nicht alle möglichen Ausgestaltungen, so daß dadurch die Erfindungen nicht eingeschränkt werden.

Claims (10)

1. Kraftmeßvorrichtung bestehend aus Krafteinleitungselemen­ ten, Kraftaufnahmeelementen und einem dazwischen angeord­ neten zylinderförmigen rotationssymmetrischen platten­ artigen Verformungskörper, in den von mindestens einer Plattenfläche mindestens je eine Gruppe von Einsenkungen vorgesehen sind, durch die radial beabstandete Stege ge­ bildet werden, an denen Dehnungsmeßstreifen appliziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Kraft­ einleitungselements (11, 20) und der Stege (9, 9a) in axialer Richtung eine ringförmige Aussparung (5, 26) vor­ gesehen ist.

2. Kraftmeßvorrichtung bestehend aus Krafteinleitungselemen­ ten, Kraftaufnahmeelementen und einem dazwischen angeord­ neten zylinderförmigen rotationssymmetrischen plattenför­ migen Verformungskörper, in den von mindestens einer Plattenfläche je eine Gruppe von Einsenkungen vorgesehen sind, durch die radial beabstandete Stege gebildet wer­ den, an denen Dehnungsmeßstreifen appliziert sind, da­ durch gekennzeichnet daß im Bereich des Kraftaufnahme­ elements (7) in axialer Richtung eine ringförmige Nut (3, 25) vorgesehen ist.

3. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den rotationssymmetrischen platten­ förmigen Verformungskörper (1) von beiden Plattenflächen (12, 24) gegeneinander versetzt je eine Gruppe von Ein­ senkungen (8) vorgesehen sind, durch die axial versetzte beabstandete Stege (9, 9a) gebildet werden, an denen Deh­ nungsmeßstreifen (4, 6) appliziert sind.

4. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich auch im Bereich des Kraftaufnahmeelements (7) in axialer Richtung eine ring­ förmige Nut (3, 25) vorgesehen ist.

5. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Steg (9, 9a) symmetrisch zum Teilkreis (10) eine kegelförmige Vertie­ fung (14) vorgesehen ist, die der mit den Dehnungsmeß­ streifen (4, 6) applizierten Fläche (13) gegenüberliegt.

6. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Teil des Au­ ßenrings (2) eine radiale Aussparung (16) vorgesehen ist.

7. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Teil des Au­ ßenrings (2) eine radiale Aussparung (19) vorgesehen ist.

8. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsfläche durch einen radial innenliegenden Ring (18) gebildet wird, wobei die Aufstandsfläche (18) erheblich kleiner ist als die Querschnittsfläche des Kraftaufnahmeelements (7)

9. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Krafteinleitungs­ element durch ein symmetrisch zur Mittelachse (23) an­ geordnetes Innengewinde (20) gebildet wird, das minde­ stens im Bereich der neutralen Phase (22) angeordnet ist.

10. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand der beiden Dehnungsmeßstreifen (4, 6) jeden Steges (9, 9a) von dem Teilkreis (10) mit Hilfe des Radialdehnungsver­ laufs bei Nennlast und der Reibungseinflüsse an der Auf­ standsfläche (18) bestimmt wird.