DE3837683A1 - Kraftmessdose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßdose mit einem konzentrisch zur Dosenachse angeordneten Verformungsring, der an einer inneren Mantellinie mit einem inneren Krafteinleitungskörper und an einer äußeren Mantellinie mit einem äußeren Krafteinleitungsring verbunden ist und an seiner Oberfläche elektromechanische Dehnungsmeßelemente trägt, die elektrisch zu einer Meßbrücke geschaltet sind, wobei der Verformungsring derart mit einem zweiten Verformungsring verbunden ist, daß die inneren Krafteinleitungskörper der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper verbunden sind und die äußeren Krafteinleitungsringe der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen äußeren Krafteinleitungsring verbunden sind und einen Ringhohlraum umschließen, und wobei die Dehnungsmeßelemente nur an den im Ringhohlraum liegenden Oberflächen der Verformungsringe angebracht sind, nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 36 154.6).

Kraftmeßdosen, auch als Kraftaufnehmer bezeichnet, die bevorzugt als Wägezellen eingesetzt werden, wandeln die unter der Einwirkung der zu messenden Kraft auftretenden Verformungen in elektrische Größen um, insbesondere durch Widerstandsänderungen der elektromechanischen Dehnungsmeßelemente. Die erhaltenen elektrischen Größen werden in der Meßbrückenschaltung ausgewertet. Wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere ihrer geringen Baugröße, ihrer hohen Auflösung bei großen Meßbereichen und ihrer linearen Charakteristik werden solche Kraftmeßdosen in weiten Anwendungsbereichen eingesetzt, vor allem als Wägezellen im Waagenbau.

Um schädliche Umgebungseinflüsse auf die empfindlichen Dehnungsmeßelemente zu vermeiden, ist es erforderlich, diese gegenüber der Umgebung abzuschirmen bzw. abzukapseln. Bei einer bekannten Kraftmeßdose (DE-PS 12 68 878) liegen die an der Unterseite des Verformungsrings angeordneten Dehnungsmeßelemente bei der üblichen Einbauweise geschützt in einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Raum. Die an der Oberseite des Verformungsrings liegenden Dehnungsmeßelemente werden durch ein zusätzliches Gehäuse oder eine Kapselung geschützt, die eine dichte und möglichst stabile Hülle bilden müssen, jedoch nicht zu einem die Messung beeinflussenden Kraftnebenschluß der Kraftmeßdose führen dürfen. Diese entgegengesetzten Forderungen können nur unvollkommen erfüllt werden.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist gemäß der Erfindung nach dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 37 36 154.6) vorgesehen, daß die Kraftmeßdose einen Ringhohlraum umschließt und daß die Dehnungsmeßelemente nur in diesem Ringhohlraum angeordnet und somit gegenüber äußeren Einflüssen geschützt sind.

Die Verbindungsstellen zwischen dem inneren Krafteinleitungskörper und dem äußeren Krafteinleitungsring wirken dabei als Gelenke, die der Einleitung der im wesentlichen axialen Kräfte in die Verformungsringe dienen. Hierbei wird der Werkstoff im Bereich dieser Gelenke schon bei normaler Belastung der Kraftmeßdose bis an oder sogar über die Grenzen des elastischen Bereichs verformt, so daß es zu einem Hystereseeffekt und somit zu einem Linearitätsfehler der Kraftmeßdose kommt. Auch die aus diesen Gelenken beiderseits des Verformungsrings in den inneren Krafteinleitungskörper und in den äußeren Krafteinleitungsring wirkenden Verformungen unterstützen diese Hystereseeffekte und Linearitätsfehler zusätzlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kraftmeßdose der eingangs genannten Gattung so weiterzuentwickeln, daß Hystereseeffekte und Linearitätsfehler durch eine weitgehende Entkoppelung des Verformungsrings vom inneren Krafteinleitungskörper und vom äußeren Krafteinleitungsring vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der innere Krafteinleitungskörper und der äußere Krafteinleitungsring jedes Verformungsrings mit diesem über eine innere bzw. äußere Kreisringscheibe verbunden ist, die jeweils angenähert in Normalebenen zur Dosenachse angeordnet sind.

Diese flachen Kreisringscheiben übertragen die zu messende Kraft nach Art von Tellerfedern auf die Verformungsringe. Da diese tellerfederartigen Kreisringscheiben aber verhältnismäßig dünn sind, erfolgt ihre Verformung ausschließlich im elastischen Bereich, so daß nur vernachlässigbar kleine Hystereseeffekte auftreten. An den Verbindungsstellen zum inneren Krafteinleitungskörper und zum äußeren Krafteinleitungsring werden keine Kräfte übertragen, die diese Teile wesentlich verformen könnten, insbesondere keine wesentlichen radialen Kräfte. Deshalb kommt es auch nicht zu einer Verformung der Krafteinleitungsflächen des äußeren Krafteinleitungsrings bzw. des inneren Krafteinleitungskörpers. Insgesamt wird eine gute Linearität und weitgehende Freiheit von Hystereseeffekten der Kraftmeßdose erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Kreisringscheiben im unverformten Zustand in einer flachen Kegelstumpffläche liegen. Damit wird erreicht, daß die bei einer flachen Kreisringscheibe auftretenden Radialspannungen klein bleiben.

Vorzugsweise wird die Steigung dieser Kegelstumpffläche im unverformten Zustand so gewählt, daß sie angenähert dem halben Winkel entspricht, um den die Kreisringscheiben bei Nennlast verformt werden. Die größte radiale Materialspannung tritt somit bei halber Nennlast auf, wobei infolge der dann waagrechten Lage der verformten Kreisringscheiben in Meßrichtung keine die Messung beeinflussende Kraft wirksam wird.

Weitere 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:

Fig. 1 eine Kraftmeßdose in einem senkrechten Schnitt,

Fig. 2 einen Teilschnitt der Kraftmeßdose nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Teilschnitt einer abgewandelten Kraftmeßdose.

Die dargestellte Kraftmeßdose, die beispielsweise als Wägezelle eingesetzt wird, weist ein Oberteil 1 und ein Unterteil 2 auf. An der Oberseite des Oberteils 1 ist eine mittige Krafteinleitungsfläche 3 ausgebildet, die zur Einleitung einer in Richtung der Dosenachse 4 gerichteten, durch einen Pfeil 5 angedeuteten Kraft dient, die gemessen werden soll. Der unter der Krafteinleitungsfläche 3 liegende mittlere Abschnitt des Oberteils 1 bildet einen inneren Krafteinleitungskörper 6, an den sich radial nach außen über eine Kreisringscheibe 7, die angenähert in einer Normalebene zur Dosenachse 4 liegt, ein Verformungsring 8 anschließt.

Dem Verformungsring 8 ist nach außen ebenfalls über eine Kreisringscheibe 9, die in einer Normalebene zur Dosenachse 4 liegt, ein äußerer Krafteinleitungsring 10 angeschlossen.

Das Unterteil 2 ist an seiner dem Oberteil 1 zugekehrten Oberseite im wesentlichen spiegelbildlich symmetrisch hierzu ausgeführt. Es weist ebenfalls einen inneren Krafteinleitungskörper 6′ auf, der über eine innere Kreisringscheibe 7′ mit einem Verformungsring 8′ verbunden ist, der wiederum über eine äußere Kreisringscheibe 9′ mit einem äußeren Krafteinleitungsring 10′ verbunden ist.

Das Oberteil 1 und das Unterteil 2 sind in einer Normalebene zur Dosenachse 4 liegenden Teilungsebene 11 miteinander verbunden. Die beiden inneren Krafteinleitungskörper 6 und 6′ berühren sich in einer erhabenen Ringfläche 12 unter Vorspannung im Bereich der Dosenachse 4. Der äußere Krafteinleitungsring 10 des Oberteils 1 ist in einen Absatz des äußeren Krafteinleitungsrings 10′ des Unterteils 2 eingesetzt und beispielsweise durch Schrumpftechnik miteinander verbunden. Die Abdichtung des Schrumpfsitzes 13 kann durch aushärtenden Klebstoff oder durch Verschweißen mittels Mikroplasmaschweißung erfolgen.

Von einer die Kraftmeßdose tragenden Auflagefläche 14 wird die durch Pfeile 15 angedeutete, in axialer Richtung wirkende Stützkraft über einen Stützring 16 an die Unterseite des unteren Krafteinleitungsrings 10′ eingeleitet.

Die beiden Verformungsringe 8 und 8′ ragen als Ringwülste in einen Ringraum 17, der von dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 vollständig und dicht umschlossen wird. Die beiden einander zugekehrten Oberflächenabschnitte der Verformungsringe 8 und 8′ sind in geringem Abstand zueinander liegende, parallele Kreisringflächen 18 und 18′, die jeweils Dehnungsmeßelemente 19 bzw. 19′ tragen. Die elektrischen Zuleitungen zu den elektromechanischen Dehnungsmeßelementen 19 und 19′ sind durch eine abgedichtete Zuführung 20 herausgeführt und mit einer (nicht dargestellten) Auswerteschaltung verbunden. In der Auswerteschaltung sind die Dehnungsmeßelemente 19, 19′ in einer als Vollbrücke ausgeführten elektrischen Meßbrückenschaltung angeordnet.

In Fig. 2 ist deutlich dargestellt, daß die beiden jeweils zu einem der Verformungsringe 8 bzw. 8′ gehörenden Kreisringscheiben 7, 9 bzw. 7′, 9′, die jeweils im wesentlichen in einer Normalebene zur Dosenachse 4 an der Oberseite des oberen Verformungsringes 8 bzw. der Unterseite des unteren Verformungsringes 8′ liegen, so ausgeführt sein können, daß sie im unverformten Zustand in einer flachen Kegelstumpffläche liegen.

Die durch einen Winkel a in Fig. 2 angedeutete Steigung dieser Kegelstumpffläche wird vorzugsweise so gewählt, daß sie dem halben Winkel entspricht, um den die Kreisringscheiben 7, 9 bzw. 7′, 9′ bei Belastung mit der Nennlast der Kraftmeßdose verformt werden. Die durch diese Kegelstumpfform der Kreisringscheiben 7, 9 bzw. 7′, 9′ erreichte Überhöhung b entspricht somit angenähert dem Meßweg bei halber Nennlast. Bei halber Nennlast erreichen die Kreisringflächen 7, 9, 7′, 9′ ihre waagrechte Lage.

Die Dicke der Kreisringscheiben 7, 7′, 9, 9′ beträgt angenähert 10% des mittleren Radius der Kreisringscheiben. Die Breite der Kreisringscheiben ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch bestimmt, daß jeweils der innere Radius jeder Kreisringscheibe 7, 7, 9, 9 angenähert 80% des äußeren Radius beträgt. Die Dicke der Kreisringscheiben 7, 7′, 9, 9′ wird vorzugsweise so gewählt, daß sie angenähert 10-20% der Dicke der Verformungsringe 8 bzw. 8′ beträgt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform einer Kraftmeßdose weisen die Kreisringscheiben 7, 9 und 7′, 9′ eine sich über den Radius ändernde Dicke auf. Die Kreisringscheiben 7, 9 und 7′, 9′ haben auf dem mittleren Radius die geringste Dicke, während sie auf dem inneren und dem äußeren Radius dicker und hier im wesentlichen gleich dick sind. In der Ausführungsform nach Fig. 3 haben die Kreisringscheiben 7, 9 und 7′, 9′, wenn sie in der Normalebene zur Dosenachse liegen, ebene Außenoberflächen, wahrend auf der dem Ringhohlraum 17 zugewandten Seite jede Kreisringscheibe 7, 9, 7′, 9′ zwei Kreisringscheibenbereiche 7 a, 7 b, 9 a, 9 b, 7 a′, 7 b′, 9 a′, 9 b′ aufweist, deren Oberflächen durch die Mantelflächen von Kegelstümpfen definiert sind und die einen Winkel größer als 90° zwischen sich einschließen. Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, daß die Materialbeanspruchungen in den Kreisringscheiben 7, 9, 7′, 9′ bei Verformungen der Kraftmeßdose gleichmäßiger über den Radius verteilt sind.

Die Kreisringscheiben 7, 7′, 9, 9′ wirken wie Tellerfedern und übertragen die Meßkraft vom inneren Krafteinleitungskörper 6, 6′ auf den äußeren Krafteinleitungsring 10, 10′, wobei sie jedoch die Verformungsringe - abgesehen von dieser Meßkraft - weitestgehend von dem inneren Krafteinleitungskörper 6, 6′ und dem äußeren Krafteinleitungsring 10, 10′ entkoppeln.

Claims (11)

1. Kraftmeßdose mit einem konzentrisch zur Dosenachse angeordneten Verformungsring, der an einer inneren Mantellinie mit einem inneren Krafteinleitungskörper und an einer äußeren Mantellinie mit einem äußeren Krafteinleitungsring verbunden ist und an seiner Oberfläche elektromechanische Dehnungsmeßelemente trägt, die elektrisch zu einer Meßbrücke geschaltet sind, wobei der Verformungsring derart mit einem zweiten Verformungsring verbunden ist, daß die inneren Krafteinleitungskörper der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen inneren Krafteinleitungskörper verbunden sind und die äußeren Krafteinleitungsringe der beiden Verformungsringe miteinander zu einem gemeinsamen äußeren Krafteinleitungsring verbunden sind und einen Ringhohlraum umschließen, und wobei die Dehnungsmeßelemente nur an den im Ringhohlraum liegenden Oberflächen der Verformungsringe angebracht sind, nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 36 154.6), dadurch gekennzeichnet, daß der innere Krafteinleitungskörper (6, 6′) und der äußere Krafteinleitungsring (10, 10′) jedes Verformungsrings (8, 8′) mit diesem über eine innere bzw. äußere Kreisringscheibe (7, 7′ bzw. 9, 9′) verbunden ist, die jeweils angenähert in Normalebenen zur Dosenachse (4) angeordnet sind.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden einem Verformungsring (8, 8′) zugeordneten Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) angenähert in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) angenähert in der Ebene der Oberseite des oberen bzw. der Unterseite des unteren Verformungsrings (8 bzw. 8′) liegen.

4. Kraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) im unverformten Zustand in einer flachen Kegelstumpffläche liegen.

5. Kraftmeßdose nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung (a) der Kegelstumpffläche im unverformten Zustand angenähert dem halben Winkel entspricht, um den die Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) bei Nennlast verformt werden.

6. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) angenähert 10% des mittleren Radius der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) beträgt.

7. Kraftmeßdose nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) angenähert 10-20% der Dicke des Verformungsrings (8 bzw. 8′) beträgt.

8. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Radius der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) angenähert 80% des äußeren Radius beträgt.

9. Kraftmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) auf dem mittleren Radius der Kreisringscheiben (7, 7, 9, 9′) geringer ist als auf deren innerem und äußerem Radius.

10. Kraftmeßdose nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) auf ihrer dem Ringhohlraum (17) zugewandten Seite zwei Kreisringscheibenbereiche (7 a, 7 b; 7 a′, 7 b′; 9 a, 9 b; 9 a′, 9 b′) aufweisen, deren Oberflächen durch die Mantelflächen von Kegelstümpfen definiert sind und die einen Winkel größer als 90° zwischen sich einschließen.

11. Kraftmeßdose nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche der Kreisringscheiben (7, 7′ bzw. 9, 9′) im wesentlichen eben ist.