DE19939633C2 - Kraftaufnehmer mit verbesserter Hysterese - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Hysterese bei Kraftaufnehmern (7), die aus einem Krafteinleitungsteil (9), einen mit Dehnungsmeßstreifen (8) applizierten Verformungskörper und einen Kraftaufnahmeteil (4) bestehen. Dabei wird zwischen einer ortsfesten Auflagefläche (1) und dem Kraftaufnahmeteil (4) des Kraftaufnehmers (7) ein Zwischenstück (2) aus flachem elastischen Dichtungswerkstoff vorgesehen. Das Zwischenstück (2) besteht vorzugsweise aus einem handelsüblichen Dichtungswerkstoff, wie er zur Abdichtung im Sanitär-, Rohrleitungs-, Anlagen- und Maschinenbau gebräuchlich ist. Der Dichtungswerkstoff ist dabei aus einem glatten, dünnen, hitzebeständigen und druckfesten Kunststoff hergestellt, der eine Faserstruktur aufweist oder heterogen und in Schichten aufgebaut ist und horizontale Relativbewegungen zuläßt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer mit verbesserter Hysterese gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Meßgenauigkeit von Kraftaufnehmern, insbesondere von Wäge­ zellen hängt ganz wesentlich auch von deren Hystereseeigen­ schaften ab. Es ist bekannt, daß die Hysterese von Kraftauf­ nehmern mehrere Ursachen haben kann, die meist zusammengesetzt auftreten. Heben Fließ- und Kriechvorgängen der Applikation der Dehnungsmeßelemente kann auch das Widerstandsverhalten der Dehnungsmeßelemente zu Hysterese führen. In der mechanischen Konstruktion der Kraftaufnehmer liegende Ursachen für Hystere­ se wurden bisher nur darin gesehen, daß plastische Verformun­ gen des Aufnehmerwerkstoffes in hochbeanspruchten Bereichen auftreten. Ziel der bisherigen Maßnahmen zur Verringerung von Hysterese im mechanisch-konstruktiven Bereich war es daher, solche hochbeanspruchten Bereiche zu vermeiden bzw. die Be­ anspruchungsspitzen herabzusetzen. Trotz der hierfür ergriffe­ nen Maßnahmen stellt der verbleibende Hysteresefehler noch eine wesentliche Grenze für die Steigerung der Meßgenauigkeit derartiger Kraftaufnehmer dar.

So tritt insbesondere Hysterese am Übergang der Kraftaufnehmer und dessen Aufstands- oder Befestigungsflächen durch Reibungs­ verluste auf. Deshalb war es bisher oberstes Ziel, derartige Reibung durch einen festen Stand des Kraftaufnehmerfußes auf der Aufstandsfläche zu vermeiden. Deshalb mußten die Auf­ standsflächen und die aufliegenden Flächen des Aufnehmers mög­ lichst plan sein und mit hohem Anzugsmoment befestigt werden.

Hierbei ergaben sich aber Grenzen in möglichen Bearbeitungs­ genauigkeiten und der mechanischen Festigkeit der Be­ festigungsschrauben.

Aus der US 3,512,595 A ist eine Plattformwaage mit Kraftaufneh­ mern bekannt, die als Doppelbiegebalkenaufnehmer ausgebildet sind. Die Aufnehmer bestehen aus einem horizontal angeordneten Biegebalken, in deren Mittelbereich zwei Bohrungen und ein horizontaler Verbindungsschlitz vorgesehen sind, durch die die zwei parallelen Verformungskörper gebildet werden, an denen jeweils Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung der Last appliziert sind. Zur Krafteinleitung ist der Biegebalken an einem Ende mit der Gehäuseplattform und am anderen Ende mit einem steifen Rahmenteil zur Kraftaufnahme verbunden. Dabei ist der Biege­ balken am ortsfesten Rahmenteil mit einer planen Auflagefläche versehen, die fest auf dem ebenen Rahmenteil durch zwei Schrauben aufgeschraubt ist. Bei einer Krafteinleitung über die Gehäuseplattform biegen sich die beiden Verformungskörper in vertikaler Richtung leicht durch, so daß durch die schwim­ mende Lagerung der Gehäuseplattform nur eine geringe Horizon­ talkraft zwischen den Befestigungsflächen am Rahmenteil ent­ steht. Allerdings wird allein durch die s-förmige Verformung des Doppelbiegebalkens auch an der Befestigungsseite eine radiale Kraft erzeugt, die zu einem Hysteresefehler allein durch die Reibungswirkung an dieser Stelle führt.

Aus der EP 0 499 846 A1 ist ein Biegering-Kraftaufnehmer mit geringem Hysteresefehler bekannt. Bei diesem rotationssymme­ trischen Kraftaufnehmer sind die Kraftaufnahmeelemente so aus­ gebildet bzw. angeordnet, daß möglichst keine Radialkräfte im Bereich der Aufstandsfläche entstehen. Diese Maßnahmen zur Verringerung des Hysteresefehlers sind aber nur bei rotations­ symmetrischen Kraftaufnehmern einsetzbar und bedürfen eines erheblichen konstruktiven Aufwands bei der Herstellung der­ artiger Kraftaufnehmer.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Hystere­ sefehler eines Kraftaufnehmers durch einfache Maßnahmen zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfin­ dung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbei­ spiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aus der DE 43 13 932 A1 ist zwar eine Kraftmeßeinrichtung in Form eines Biegebalkens bekannt, bei der zwischen dem Einspan­ nende und der Auflagefläche am Waagengehäuse ein scheibenför­ miges Zwischenstück angeordnet ist, das aber als metallische Unterlegscheibe ausgebildet ist und deshalb nicht zur Verrin­ gerung des Hysteresefehlers geeignet ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Hysteresefehler auf einfache Art durch handelsübliche Dichtungswerkstoffe, wie sie im Sanitär- und Maschinenbau verwendet werden, erheblich redu­ zierbar ist. Dies insbesondere bei balkenförmigen Kraftauf­ nehmern mit verhältnismäßig großen Auflageflächen. So haben praktische Versuche gezeigt, daß durch die Verwendung bestimm­ ter elastischer Dichtungswerkstoffe damit in vorteilhafter Weise auch andere Hysteresefehler so kompensiert werden, daß praktisch keine Hysterese mehr auftritt und eine nahezu linea­ re Belastungskennlinie erreichbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der flache elastische Dichtungswerkstoff bei allen Kraftaufnehmern einsetzbar ist und auch nachträglich in Kraftmeßeinrichtungen und Waagen angebracht werden kann, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil, daß durch das Zwi­ schenstück aus flachem elastischen Dichtungswerkstoff die kon­ struktiven Voraussetzungen an die Auflagefläche herabgesetzt werden können, ohne daß die Kraftmeßeinrichtungen oder Waagen zulässige Fehlertoleranzen überschreiten.

Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung mit einem Biegebalkenaufnehmer kann bei gleichem Hysteresefehler das Anzugsmoment der Befestigungsschrauben soweit herabgesetzt werden, daß auch Schraubenwerkstoffe (rostfreier Edelstahl) einsetzbar sind, die in Lebensmittelbereichen aus Hygienegrün­ den vorgeschrieben sind und sich damit neue Anwendungsbereiche für derartige Biegebalkenaufnehmer ergeben.

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

Fig. 1 ein Kraftaufnehmer mit Zwischenstück im Einbau­ zustand und

Fig. 2 ein Zwischenstück in Draufsicht.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Kraftaufnehmer 7 dargestellt, der in einer Waage fest eingebaut ist und bei dem zwischen einer ortsfesten Auflagefläche 1 einer Waage und dem Kraftauf­ nehmer 7 ein flaches elastisches Zwischenstück 2 angeordnet ist.

Bei dem Kraftaufnehmer 7 handelt es sich um einen herkömmli­ chen Biegebalkenaufnehmer, der aus einem mit einer Bohrung 6 versehenen Balken besteht, auf deren Innenseite Dehnungsmeß­ streifen 8 appliziert sind. Oberhalb des Aufnehmers 7 ist eine Plattform oder eine Wägeschale 10 angeordnet, über die eine Gewichtskraft F in einen Krafteinleitungsteil 9 des Aufnehmers 7 eingeleitet wird.

Horizontal gegenüberliegend enthält der Kraftaufnehmer 7 einen Kraftaufnahmeteil 4, in dem zwei Bohrungen vorgesehen sind, über die der Aufnehmer 7 an einer Auflagefläche 5 eines orts­ festen Gehäuseteils 1 mit der Waage befestigt ist. Dazu sind in den Bohrungen Schrauben 3 vorgesehen, mit denen der Auf­ nehmer 7 fest an das ortsfeste Gehäuseteil 1 unter einem vor­ gegebenen Anzugsdrehmoment angeschraubt ist.

Wird nun eine Gewichtskraft F in den Aufnehmer 7 eingeleitet, so entsteht gegenüber einer horizontalen Mittellinie des Bie­ gebalkens eine s-förmige Verformung des Biegebalkens, die in den Dehnungsmeßstreifen 8 ein Signal erzeugen, das der Ge­ wichtskraft F weitgehend proportional ist. Durch diese s-för­ mige Verformung wird im Übergangsbereich an der Auflagefläche 5 zum ortsfesten Gehäuseteil 1 auch ein Moment bzw. eine ra­ diale Kraft erzeugt, das bei Be- und Entlastung der Waage zu einer geringfügigen Verschiebung führt. Diese Verschiebung erzeugt eine Reibung zwischen beiden Auflageflächen 5, die einen Hysteresefehler des Wägeergebnisses verursachen.

Um diesen Hysteresefehler gering zu halten, war es bisher not­ wendig, die Auflageflächen 5 möglichst plan aufeinander an­ zuordnen und frei von Fett und Verunreinigungen fest miteinander zu verschrauben. Dazu mußten feste Vorgaben zur Bearbei­ tung der Auflageflächen 5 und Anzugsmomente der Schrauben 3 eingehalten werden, damit der Hysteresefehler der Waage in zulässigen Bereichen lag. Zusätzlich entstanden im Befesti­ gungsbereich durch eine derartige Schraubverbindung auch un­ terschiedliche Materialspannungen, die die Hysterese zusätz­ lich negativ beeinflussen können.

Zwischen dem Kraftaufnahmeteil 4 des Aufnehmers 7 und der Auf­ lagefläche 5 am ortsfesten Teil 1 der Waage sieht die Erfin­ dung deshalb ein Zwischenstück 2 aus einem flachen elastischen Dichtungsmaterial vor. Insbesondere bei einem Dichtungsmateri­ al 2, das üblicherweise im Sanitär-, Rohrleitungs-, Anlagen- und Maschinenbau eingesetzt wird, hat sich überraschenderweise gezeigt, daß dadurch der Hysteresefehler der Wägeeinrichtung nahezu nicht mehr vorhanden ist und die Linearität der Bela­ stungskennlinie über den gesamten Wägebereich erheblich ver­ bessert wird. Dabei handelt es sich um einen hitzebeständigen elastischen Dichtungskunststoff mit glattem Oberflächenprofil, der vorzugsweise in einer Dicke von 0,5 mm eingesetzt wird. Derartiges Dichtungsmaterial wurde bisher nur im Motorenbau oder als Rohrdichtungsmaterial im Gas- und Wasserbereich ver­ wendet. Durch das hohe Rückfederungsvermögen wird eine druck­ ausgleichende, elastische Wirkung erzielt. Insbesondere eignet sich hierfür ein heterogen aufgebautes Material, das Relativ­ bewegungen bei zugleich geringer Kriechneigung ermöglicht. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft ein Material aus Ara­ midfasern und Funktionsfüllstoffen, gebunden durch Nitrit- Butadien-Rubber (NBR-Kautschuk), erwiesen. Dieses Material kann auch mit ein- oder beidseitiger Antihaftbeschichtung versehen sein.

Es sind aber auch Dichtungsmaterialien einsetzbar, dessen Ma­ terial einen extrem hohen Haftungsbeiwert besitzt. Dabei kommt es unter Druck und Temperatur zu einer Verklebung mit der Metalloberfläche. Dieses Dichtungsmaterial kann auch heterogen und in Schichten so aufgebaut sein, daß es Relativbewegungen im Dichtungsmaterial weitgehend verlustfrei zuläßt.

In Fig. 2 der Zeichnung ist das Dichtungsmaterial als Zwi­ schenstück in Draufsicht dargestellt. Es ist als rechteckiges flexibles Zwischenstück 2 mit zwei vorgesehenen Löchern 11, ausgebildet, die zur Durchführung der Befestigungsschrauben 3 vorgesehen sind. Die Fläche des Zwischenstücks 2 entspricht der Auflagefläche 5 zwischen dem Kraftaufnehmer 7 und dem ortsfesten Waagenteil 1. Es sind auch Zwischenstücke 2 aus anderen Dichtungswerkstoffen verwendbar, die eine Entkopplung der Materialspannung und eine Relativbewegung zulassende rück­ federnde Verbindung zwischen dem Aufnehmer 7 und der ortsfe­ sten Auflagefläche 5 bewirken.

Derartige Zwischenstücke 2 sind auch bei rotationssymmetri­ schen und anderen Kraftaufnehmern einsetzbar, die fest mit einer ortsfesten Auflagefläche verbunden sind und bei denen radiale oder tangentiale Kräfte auf die Auflagefläche einwir­ ken.

Claims (6)

1. Kraftaufnehmer mit verbesserter Hysterese bestehend aus einem Krafteinleitungsteil (9), einem mit Dehnungsmeß­ streifen (8) applizierten Verformungskörper (7) und einem Kraftaufnahmeteil (4), wobei das Kraftaufnahmeteil (4) fest auf einer ortsfesten Auflagefläche (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Auflageflä­ che (5) und dem Kraftaufnahmeteil (4) ein Zwischenstück (2) aus flachem elastischem Dichtungswerkstoff vorgesehen ist.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (2) aus einem handelsüblichen Dich­ tungswerkstoff besteht, wie er zur Abdichtung im Sanitär-, Rohrleitungs-, Anlagen- und Maschinenbau gebräuchlich ist.

3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtungswerkstoff aus einem glatten dünnen, hitzebeständigen und druckausgleichenden Kunst­ stoff besteht, der eine Faserstruktur aufweist oder hete­ rogen und in Schichten aufgebaut ist und horizontale Re­ lativbewegungen zuläßt.

4. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungswerkstoff einen hohen Haftungsbeiwert besitzt oder mit Antihaftbeschich­ tung versehen ist.

5. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Zwischenstücks (2) der Auflagefläche (5) zwischen dem Kraftaufnahmeteil (4) und dem ortsfesten Teil (1) entspricht.

6. Kraftaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (7) als Biegebalkenaufnehmer ausgebildet ist, der mittels Befe­ stigungsschrauben (3) fest auf der Auflagefläche (5) ei­ nes ortsfesten (1) Teils aufgeschraubt ist.